（计算机应用技术专业论文）复杂环境中的人形机器人行走规划.pdf

l u n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo f c h i n a ad i s s e r t a t i o nf o rd o c t o r ，sd e g r e e b i p e d mo t i o np l a n n i n gf o r h u m a n o i dr o b o t si nc 1 一 e n v i r o n m e n t a u t h o r sn a m e ： o m p l e x j i n s ul i u s p e c i a l i t y ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o na n dt e c h n o l o g y s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rx i a o p i n gc h e n f i n i s h e dt i m e i n ： ： a p r i l2 3 r d ，2 0 1 0 9286jjjj8 川1洲y 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰 写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了 明确的说明。 作者签名：签字日期： 沁f o 。b ； 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入 中国学位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的 内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 耐么开口保密( 年) 作者躲纠趣 聊躲 签字日期： 摘要 摘要 人形机器人的运动控制具有复杂度高且非线性的特点，其中的行走规划己 成为近年来机器人技术领域的重要挑战。为机器人规划双足动作，需要综合考 虑到稳定性与可行性，即，机器人要在保持身体平衡的同时，避免与环境发生 碰撞或造成自身损坏。在完成行走动作的设计之后，我们还需使用多种方法对 步态进行调整，才能使实体机器人上执行的步态与预期效果相似。虽然，研究 者己针对以上几个课题，分别给出了一些解决的方法，但是一些细节的检测与 调整仍繁琐复杂，且依赖于开发者的经验。所以，我们迫切的需要一套可为机 器人生成双足步态的智能且系统化的方法。 本文将介绍一种通用的人形机器人双足动作规划方法，可以为机器人在复 杂的环境中( 包括阶梯、斜坡与各种障碍物) 生成平滑且灵活的行走动作。所 介绍的规划方法，将在保持机器人动态平衡的基础上，考虑步态的可行性。文 章将简要介绍人形机器人的发展历程，其步态生成的几类主流方法，以及在复 杂环境中规划行走动作的几种典型策略，此外，还将指出机器人规划双足动作 的几大挑战。 本文所提出的规划方法，之所以能在快速规划步态的同时考虑步态的可行 性，是因为其以“简化步行 的概念作为基础，对机器人的双足动作加以一定 的假设与简化。使用这个概念，步行规划的时间单位可由普通方法中的一“周 期 扩展为一“步”。从而，三维空间中的连续规划问题可被转换为水平面上的 离散规划问题。这使得步态规划的解空间被极大程度的缩小，也使得规划算法 可以借助于较低的计算量考虑更多的约束条件，并让机器人进行远期规划成为 可能。虽然简化行走为理论上的行走方案，但其可以被转换为应用于实体机器 人的步态。机器人的部分质心轨迹将被转换，以生成行走中的双足支撑相。之 后，机器人将补充质心的竖直运动以攀爬楼梯或上下斜坡，并考虑多质点系统 的物理特性，进行质心轨迹的调整以增强行走的稳定性。本文将在实体机器人 上演示转换所得的步态。此外，本文还会介绍如何设计周期性的双足动作，并 将不同的行走进行平滑连接。双足动作的连接条件将在文章中进行详细的讨论。 以简化行走为基础，本文会介绍两个随机搜索算法：第一个算法( 命名为 z m p 样本搜索算法) ，可以为给定的可行足迹序列生成其简化行走方案；另一个 算法( 命名为基于样本搜索的足迹修正算法) ，可以将不可行的足迹进行调整， 使之成为可行足迹。z m p 样本搜索算法，可以在快速求解步行方案的同时进行 机器人的步态检查，以保证在行走全过程中的步态对于机器人都是可以实现的。 i 摘要 凸集扩展技术将用于降低随机搜索结果的不确定性。文章还将首创性的提出足 迹修正算法，用于增强机器人步行规划的智能性，使机器人可以自动的考虑其 自身结构的限制，完成足迹调整。通用双足动作规划器以及三阶段的步态规划 策略将被详细的阐述。仿真机器人与实体机器人都会用于演示在复杂环境中的 行走规划。 近年，一些国际研究机构开发出几种高性能的人形机器人，并为其实现了 多种灵活的双足动作，比如：跑步、舞蹈与上下楼梯。然而由于其运动能力一 定程度的依赖于高档次的硬件与精细的加工制造，也使得机器人的成本居高不 下。但经过多年的发展，人形机器人正逐渐展现出新的发展方向，即通过技术 的革新在低价位机器人上探索更高性能的运动控制。所以，本文将介绍为低成 本实体机器人进行步态调整的多种技术。人形机器人n a o 将成为研究与实验的 对象。由于n a o 机器人的双腿在髋部具有一耦合的关节，使得对其进行机器人 逆运动求解的难度有所增加。所以，本文会详细介绍如何为具有耦合关节的机 器人进行逆运动学计算，并得到各关节的详细状态，包括：关节位置、速度与 加速度。p i s i g m a 神经网络将被用于计算机器人各关节上的力矩，并实时对机 器人关节上的弹性形变进行补偿。模拟退火算法将用于为机器人自动进行弹性 系数的校准。此外，通过c o p 的测量，行走规划器将使用z m p 轨迹补偿的方 法为机器人校准质心运动，使行走过程更加稳定。最后，基于c o p 测量的反馈 控制方法将被给出，并为机器人的步行完成闭环控制。校准算法与反馈控制器 都将在实体机器人上进行测试。 本文的主要贡献有四点：首先是提出“简化行走”，简洁的描述了机器人的 双足运动，极大程度的降低了生成躯干轨迹的计算复杂度。使得我们可以方便 的实现不同行走动作的平滑连接，也使得在规划中考虑更多约束并进行远期行 走规划成为可能。其次是对机器人的行走过程，创造性的进行了系统化的“步 态检查”。通过在规划阶段应用高效的随机搜索算法，以保证所产生的步态可以 被施行于机器人，且不会造成潜在的损伤。再次是对于复杂环境，实现了完整 且通用的双足运动规划器。使机器人可以在复杂的环境中，自行规划足迹序列， 生成适合自身动力学特点的稳定步态。且在足迹序列不合理时进行局部的调整， 使其更加适合机器人完成步态生成。最后是设计了一套对机器人进行自动校准 的方法。通过使用多种智能计算的手段，对机器人的关节弹性形变与z m p 误差 进行自动化的参数调整。从而，在一定程度上削弱了机器人硬件差别对其性能 的影响。此外，本文会对未来一些可能的应用进行展望，同时也提出一些现有 工作的不足，为其他的研究者提供参考。 关键词：双足行走规划，零力矩点，三维线性倒立摆，随机搜索，机器人校准 i i a b s t r a c t 刀) em o t i o np l a n n i n go fh u m a n o i dr o b o t si sac o m p l e xa n dn o n l i n e a rp l a n n i n g p r o b l e m ，a n dt h ew a l k i n gp a t t e r ng e n e r a t i o ni sa ni m p o r t a n tc h a l l e n g e i nr o b o t i c sr e s e a r c hi nr e c e n ty e a r s w es h o u l dc o n s i d e rb o t hs t a b i l i t ya n df e a s i b i l i t yf o rb i p e d m o t i o np l a n n i n g ，w h i c hm e a n st h a tt h er o b o ts h o u l dk e e pi t sb a l a n c ea n da v o i du n n e c e 争 s a r yc o l l i s i o n sw i t ht h ee n v i r o n m e n t v v h e nw e f i n i s ht h ed e s i g no fw a l k i n gm o t i o n s ， w ea l s on e e dt oa d j u s tw a l k i n gp a a e r n si no r d e r t or e a l i z es i m i l a rw a l k i n gp a t t e r n so n r e a lr o b o t sa sw ed e s i r e d a l t h o u g hr e s e a r c h e r sh a v eg i v e ns e v e r a ls o l u t i o n sf o rt h e a f o r e m e n t i o n e dp r o b l e m s ，al o to fd e t a i l e dc h e c k i n ga n da d j u s t i n ga r ec o m p l i c a t e d a n d r e l yo nd e v e l o p e r s e x p e r i e n c e t h e r e f o r e ，i t i sd e s i r a b l ef o ru st od e v e l o pi n t e l l i g e n c e a p p r o a c h e st og e n e r a t eb i p e dw a l k i n gm o t i o n sf o rh u m a n o i d r o b o t s i nt h i sp a p e r , w ep r o p o s ea u n i v e r s a lb i p e dw a l k i n gm o t i o np l a n n e rf o rh u m a n o i d r o b o t s t h ep l a n n e rp l a n ss m o o t ha n df l e x i b l ew a l k i n gm o t i o n so nr o u g h t e r r a i n s ，i n 。 e l u d i n gs t a i r s ，s l o p e s ，a n do b s t a c l e s i na d d i t i o n t og e n e r a t i n gc o l l i s i o n f r e ep a n e m s w h i l ek e e p i n gt h eb a l a n c eo ft h er o b o t ，t h i sp l a n n e ra l s oc h e c k sw h e t h e r t h ep a t t e m s a r e a c h i e v a b l ef o r 缸er o b o t w eb r i e f l yi n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n t a lh i s t o r yo f h u m a n o i d r o b o t s ，t h em a i na p p r o a c h e so fw a l k i n gp a t t e r ng e n e r a t i o n ，a n dt h em a i ns t r a t e g i e st o d l a nw a l k i n gm o t i o n si nc o m p l e xe n v i r o n m e n t s m o r e o v e r , w ei n t r o d u c et h em a j o r c h a l l e n g e sf o rh u m a n o i dr o b o t st op l a nb i p e dm o t i o n s t h er e a u s o n0 1 1 1 m o t i o np l a n n e rc a ng e n e r a t et h ew a l k i n gp a t t e r n sw i t hc o n s i d e r i n g t h ef e a s i b i l i t yi st h a to u ra p p r o a c hi sb a s eo nt h e s i m p l i f i e dw a l k i n g m e c h a n i s m w i t h t l i sm e c h a n i s m ，w ec a ns p e c i f yt h ec o m p l e t eb i p e dm o t i o n sw i t ht h eu n i to fa w a l k i n g s t e p ，i n s t e a do f at t i m es t e p o f t h er o b o t s w o r k i n gt i m eu s e d i nu s u a lm e t h o d s t h e n ， t h ec o n t i n u o u sp l a n n i n gp r o b l e mi nt h r e e d i m e n s i o ns p a c ei sc o n v e i r t e dt ot h ed i s c r e t e d e c i s i o np r o b l e mi nt h eh o r i z o n t a lp l a n e t h i sl e a d st oah i g hr e d u c t i o n o ft h es o l u t i o n s p a c e ，a n dm a k eu sc a np l a nl o n g d i s t a n c eb i p e dm o t i o n sw i t hm o r e c o n s t r a i n t si na 1 0 wc o m p u t a t i o nc o s t a l t h o u g hs i m p l i f i e dw a l k i n gi sa t h e o r e t i c a ls o l u t i o no fb i p e d w a l k i n g ，i tc a nb ec o n v e r t e dt ow a l k i n gp a r e m sw h i c hc a nb ea p p l i e do n r e a lr o b o t s p a no ft h ec o mt r a je c t o r yi sc o n v e a e dt og e n e r a t ed o u b l e - s u p p o r tp h a s e s t h e n ，w e c a n i m p l e m e n tt h ev e r t i c a lm o v e m e n t f o rt h er o b o tt ow a l ko ns t a i r sa n ds l o p e s 。w ea l s o c o n s i d e rt h em u l t i b o d yp h y s i c a lp r o p e r t i e st oa d j u s tt h ec o m t r a j e c t o r yt oi m p r o v e t h e s t a b i l i t yo ft h eb i p e dw a l k i n g w ed e m o n s t r a t e t h ec o n v e r t e dw a l k i n gp a a e m so nr e a l i i i a b s i r a cl h u m a n o i dr o b o t s m o r e o v e r , w ei n t r o d u c eh o wt od e s i g np e r i o d i cb i p e dm o t i o n sa n d h o wt os m o o t h l yc o n n e c td i f f e r e n tw a l k i n gm o t i o n st o g e t h e r t h ec o n d i t i o n st or e a l i z e b i p e dm o t i o nc o n n e c t i o na r cd i s c u s s e di nt h i sp a p e r b a s e do ns i m p l i f i e dw a l k i n g ，w ep r e s e n tt w os t o c h a s t i cs e a r c ha l g o r i t h m s ：t h ef i r s t o n e ，n a m e dz m ps a m p l i n gs e a r c h ，c a l c u l a t e st h es i m p l i f i e dw a l k i n gs o l u t i o na c c o r d i n g t oag i v e nf e a s i b l ef o o t s t e pp l a n ；t h es e c o n do n e ，n a m e ds a m p l i n gb a s e df o o t s t e pr e - v i s i o n ，r e v i s e sa nu n f e a s i b l ef o o t s t e pp l a nt oa f e a s i b l eo n e n l ez m ps a m p l i n gs e a r c h i sa l le f f i c i e n tm e t h o dt od e t e r m i n et h ew a l k i n gs o l u t i o nw h i l es i m u l t a n e o u s l yc o n s i d - e f i n gd y n a m i cb a l a n c ea n df e a s i b i l i t yt om a k es u r ee a c hw a l k i n gp a r e r ni sa c h i e v a b l e f o rt h er o b o t t h ec o n v e xe x p a n s i o nt e c h n i q u ei sp r o p o s e dt or e d u c et h eu n c e r t a i n t yo f o u rs t o c h a s t i cs e a r c h t h ef o o t s t e pr e v i s i o na l g o r i t h mi sf i r s t l yi n t r o d u c e dt oi m p r o v e t h ei n t e l l i g e n c eo fw a l k i n gp l a n n i n g ，a n dm a k er o b o t sa r ea b l et oa d j u s tt h ef o o t s t e p s a c c o r d i n gt ot h e i rc o n s t r u c t i o nl i m i t a t i o n s w ep r e s e n to u r f u l lw a l k i n gp l a n n e ra n dt h e t h r e e s t a g e sp l a n n i n gs t r a t e g yi nt h i sp a p e rc o m p l e xw a l k i n gt a s k sa r ed e m o n s t r a t e d o ns i m u l a t e da n dr e a lh u m a n o i dr o b o t s i nr e c e n ty e a r s ，af e wo fi n t e r n a t i o n a li n s t i t u t e sh a v ed e v e l o p e ds e v e r a lh i g hp e r - f o r m a n c eh u m a n o i dr o b o t s ，a n dr e a l i z es e v e r a lf l e x i b l eb i p e dm o t i o n so nt h e s er o b o l s ， s u c ha sr u n n i n g ，d a n c i n ga n dc l i m b i n go ns t a i r s h o w e v e r , t h e s er o b o t sa r ee x p e n s i v e ， b e c a u s et h e i rm o t i o nc a p a b i l i t i e sr e l y so nh i 曲- g r a dh a r d w a r ea n dt h ep r e c i s ep r o d u c t i o n b u ti ti ss h o w i n gan e wd i r e c t i o nf o rr o b o t i c sr e s e a r c h ，w h i c hi st oe x p l o r eh i g h e r q u a l i t ym o t i o n so nl o wc o s tr o b o t sw i t ht h ep r o g r e s so fi n t e l l i g e n c et e c h n i q u e s t h e r e f o r e ，m u l t i p l et e c h n i q u e sa r ei n t r o d u c e dt oc a l i b r a t et h ew a l k i n gp a t t e r n sf o rl o wp r i c e r e a lr o b o t s t h eh u m a n o i dr o b o tn a oi se m p l o y e df o ro u rr e s e a r c ha n de x p e r i m e n t s d u et ot h er e a s o nt h e r ee x i s t sas h a r e dj o i n ti nn a o sp e l v i s ，i ti sm o r ed i f f i c u l tf o ru st o s o l v et h ei n v e r s ek i n e m a t i c sp r o b l e m s w ep r e s e n tt h em e t h o dt oc a l c u l a t et h er o b o t s d e t a i l e ds t a t u s ，i n c l u d i n gt h ep o s i t i o n ，t h ev e l o c i t ya n dt h ea c c e l e r a t i o no f e a c hj o i n tb y u s i n gi n v e r s ek i n e m a t i c s p i - s i g m an e u r a ln e t w o r k sa r ee m p l o y e d t oc o m p u t et h et o r q u e o fe a c hj o i n tw h e nt h er o b o ti sw a l k i n g ，a n dt oc o m p e n s a t et h ee l a s t i cd e f o r m a t i o ni n r e a l t i m e t h es i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h mi su s e df o rt h er o b o tt oc a l i b r a t et h ec o e f - f i c i e n t so f e l a s t i c i t y m o r e o v e r , w ci n t r o d u c et h em e t h o dt oc a l i b r a t et h ec o mt r a j e c t o r y b yu s i n gaz m pc o m p e n s a t i o nt r a je c t o r y a tl a s t ，w eb u i l du pa f e e d b a c kc o n t r o l l e rw i t h t h eo b s e r v a t i o nf r o mc o pm e a s u r e m e n t s ，i no r d e rt oi m p l e m e n tt h ec l o s e l o o pc o n t r o l f o rr o b o t s t h ec a l i b r a t i o i l sa n dt h ee f f e c to fo u rf e e d b a c kc o n t r o l l e ra r ed e m o n s t r a t e d o nr e a lr o b o t s t h e r ea r cm a i n l yf o u rc o n t r i b u t i o n so ft h i sp a p e r f i r s t , w ei n t r o d u c et h e s i m p l i i v a b s l r a c i f l e dw a l k i n g m e c h a n i s mw h i c hd e s c r i b e st h eb i p e dm o t i o n sb r i e f l y t h em e c h a n i s m h i g h l yr e d u c e st h ec o m p u t i n gc o s to ft o r s ot r a j e c t o r yg e n e r a t i o na n dm a k e si ti sp o s s i - b l et oc o n n e c tb i p e dm o t i o ns m o o t h l ya n dt op l a nl o n g d i s t a n c ew a l k i n gm o t i o n sw i t h c o n s i d e r i n gm u l t i p l ec o n s t r a i n t s s e c o n d ，w ef i r s t l yc h e c kt h ew a l k i n gp a t t e r n si nd e t a i l b yu s i n ge f f i c i e n ts t o c h a s t i cs e a r c ha l g o r i t h m si np l a n n i n gs t a g e ，w ec a nm a k e s u r et h ew a l k i n gp a t t e r n sg e n e r a t e da r ea c h i e v a b l ea n dh a v en op o t e n t i a lh a r mt ot h e r o b o t t h i r d ，w ei m p l e m e n tau n i v e r s a lb i p e dm o t i o np l a n n e rw h i c hm a k e sr o b o tp l a n f o o t s t e p sa u t o m a t i c a l l ya n dg e n e r a t es t a b l ep a t t e r n si nc o m p l e xe n v i r o n m e n t 1 1 1 ep l a n n e ra l s oa d j u s t su n f e a s i b l ef o o t s t e p sf o rr o b o t st om a k ei tp o s s i b l et og e n e r a t ew a l k i n g m o t i o n s a tl a s t ，w ed e s i g nm u l t i p l ec a l i b r a t i o na p p r o a c h e sf o rh u m a n o i dr o b o t s b y u s i n gi n t e l l i g e n c ec o m p u t i n gm e t h o d s ，w ec o m p e n s a t et h ee l a s t i cd e f o r m a t i o na n dt h e z m pd i f f e r e n c et or e a l i z ea u t o m a t i cc a l i b r a t i o n s ，i no r d e rt or e d u c et h ee f f e c to ft h e h a r d w a r ed i f f e r e n c e so fr o b o t s m o r e o v e r , w ea l s op r e s e n tt h el a c ko fo u rw o r k st o p r o v i d ear e f e f e n c et ot h eo t h e rr e s e a r c h e r s k e y w o r d s ：b i p e dm o t i o np l a n n i n g ，z e r om o m e n tp o i n t ，3 d l i n e a ri n v e r t e dp e n d u 1 u m ，s t o c h a s t i cs e a r c h ，r o b o tc a l i b r a t i o n v 目录 目录 摘要 i a b s t r a c t i i i 目录v i i 表格目录i x 插图目录x 第1 章绪论1 1 1 引言 l 1 2 人形机器人概述 2 1 3 人形机器人的步态生成 4 1 4 复杂环境中的行走规划 5 1 5 随机搜索与机器人运动规划 6 1 6 人形机器人的挑战与前景 7 1 7 论文的组织结构 8 第2 章基于简化行走的双足步态规划1 1 2 1 物理模型1 l 2 2 简化行走1 4 2 3 双足支撑相生成1 6 2 4 竖直运动生成1 8 2 5 基于多质点模型的质心轨迹修正1 9 2 6 周期双足动作设计- 2 2 2 7 双足动作连接2 4 2 8 小结2 7 第3 章z m p 样本搜索与足迹修正2 9 3 1z m p 样本搜索2 9 3 1 1 定义2 9 3 1 2 单向搜索算法3 l 3 1 3双向搜索算法3 7 3 2 足迹修正3 8 3 2 1 定义- 3 8 v l i 目录 3 2 2 足迹修正算法一3 9 3 3 实验结果4 2 3 3 1通用步态规划器4 2 3 3 2 复杂地形上的仿真实验4 3 3 3 3 实体机器人的复杂行走动作4 4 3 4 小结4 5 第4 章实体机器人的步态生成与自动校准4 9 4 1 人形机器人n a o 4 9 4 2n a o 的逆运动学求解4 9 4 3 腿部关节弹性补偿的自动校准5 4 4 - 3 1 腿部关节力矩求解5 4 4 3 2 基于p i s i g m a 神经网络的力矩实时计算5 6 4 3 3 弹性系数自动校准5 9 4 4 基于c o p 测量的z m p 轨迹补偿与反馈控制6 0 4 4 1 基于c o p 测量的z m p 轨迹补偿6 1 4 4 2 基于c o p 测量的反馈控制6 4 4 5 实验结果6 6 4 6 小结。6 8 第5 章总结与展望7 1 5 1 工作总结7 l 5 2 前景与展望7 3 参考文献7 5 致谢一8 1 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果8 3 i i 表格目录 表格目录 表3 1单向搜索伪代码。3 l 表3 2 不同样本集大小的凸集扩展。3 6 表3 3 双向搜索算法伪代码。3 7 表3 4 足迹修正算法伪代码4 0 表3 5 仿真规划任务的计算时间4 5 表4 1二分查找求解机器人下肢关节角度伪代码5 2 表4 2 弹性系数校准算法伪代码6 0 表4 3 行走任务各类属性6 3 i x 插图目录 图 图 图 图 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图3 1 图3 2 图3 3 图 图 图 图 4 5 6 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 “ 图3 1 2 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 插图目录 双足步行机器人。 2 全身型人形机器人 4 机器人在确定模型的不平地面上行走 6 使用r r t 在迷宫中寻路，为人形机器人生成抓取动作 7 三维空间的线性倒立摆模型1 2 质心轨迹的双足支撑相生成。1 7 多质点模型质心轨迹修正流程2 l 改进的多质点模型质心轨迹修正2 2 周期双足动作2 3 双足动作连接( b m c ) 问题2 4 机器人双脚z m p 可放置范围示意图2 6 双足动作连接2 7 使用控制杆操纵的在线双足运动规划2 8 质心可移动区域( 左) 与运动学范围示例( 右) 3 0 简化步的划分3 3 使用线性混合进行凸集扩展3 6 z m p 样本搜索演示。3 8 单步足迹修正演示4 l 复杂环境中的人形机器人通用步态生成器4 3 仿真n a o 行走于具有两个障碍物的环境中( 地形a ) 4 4 仿真n a o 行走于具有阶梯与斜面的环境中( 地形b ) 4 4 地形b 上的足迹修正4 5 使用预定义足迹序列规划质心轨迹4 6 实体n a o 完成复杂行走动作4 6 使用z m p 预观控制与z m p 样本搜索求解四步行走动作4 7 n a o 的全身关节设置5 0 n a o 的单腿( 右腿) 设置与逆运动学求解5 0 p i s i g m a 神经网络5 7 使用p i s i g m a 网络拟合关节力矩5 8 x l 插图目录 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 实体机器人的弹性系数自动校准6 l n a o 的足底压力传感器6 l 仿真平台下进行z m p 轨迹补偿结果6 4 实体机器人的z m p 轨迹补偿与反馈控制6 7 用于测试反馈控制的不平地面6 8 实体机器人在不平地面上进行带有反馈控制的行走6 8 x l i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1引言 近年来，人形机器人在机器人研究领域得到越来越多的关注。相比于其他 类型的机器人，它们的机械结构与人类更为相近，这也使得它们更适合在我们 的日常环境中工作。在日常生活中，我们经常会上下楼梯与斜面；当地上置有 障碍物时，则需要使用特殊的行走方式以避免与障碍物发生碰撞。然而，人形 机器人是高自由度的多关节体机器人，其简单的移动也有可能需要多个关节配 合完成。而且对于不同地形上的行走动作，机器人一般需使用不同的步态保持 稳定并完成行走任务。所以，求解人形机器人的运动控制是高维空间中的复杂 规划问题，其控制的效果会受到机器人上各类误差的影响。 为了解决这一问题，近年涌现出几类高性能的机器人，其利用精细的制造 工艺与先进的传感器反馈信息，实现了上下楼梯、舞蹈、跑动以及行走中避障 等多种双足动作，但同时也不可避免的提高了机器人的制造成本。本文的主旨 则是为低造价的机器人，开发通用且智能的双足动作规划方法，并使用多种技 术挖掘机器人的性能潜力。 一般，人形机器人为了成功的完成双足动作，需要在动作规划中考虑到三 类约束： 首先，机器人在工作中必须保持身体的平衡。有两种平衡方式可以使机器 人处于稳定的工作状态，其一，是静态平衡，也就是保证机器人重心在地面上 的投影始终位于其与地面的接触面内。这种平衡较容易实现，但需要机器人处 于慢速运动的状态。其二，是动态平衡，人类的行走动作大多属于这一类型。 这种平衡方式需要从动力学的角度出发，让机器人在快速运动的过程中保持稳 定且不发生翻倒。相比于静态平衡，为机器人保持动态平衡需要使用更复杂的 物理模型进行求解。 其次，机器入必须避免与环境发生预料外的接触与碰撞。机器人执行任务 时是允许且必须与外届