（模式识别与智能系统专业论文）仿人机器人步态规划及其控制系统的研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n gs c i e n c e r e s e a r c ho fah u m a n o i dr o b o tg a i tp l a n n i n g a l g o r i t h m sa n d c o n t r o ls y s t e m m a s t e rc a n d i d a t e ：l i a n gs h a of a n g s u p e r v i s o r ：p r o f l i uz h i j u n e2 0 1 0 f a c u l t yo f a u t o m a t i o n g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u , g u a n g d o n g ，p r c h i n a , 5 10 0 9 0 的研究 前沿和热点方向之一。仿人步行机器人与轮式、爬行式和履带式等移动机器入相比， 有着更好的环境适应性，这种优越性在非结构环境里的表现尤为突出。本论文主要 进行仿人机器人步态规划与控制系统的研究。 首先，在借鉴有关资料的基础上，设计了仿人机器人的本体结构。在比较各种 驱动装置优缺点的基础上，选择了精度高、维修简单且易于程序控制和集中控制的 舵机作为驱动源。 其次，简要给出了仿人机器人建模所必需的齐次变换理论。在杆件坐标系下， 基于齐次坐标变换理论对仿人机器人进行了正逆运动学的建模，该方法运算简便、 直观易懂。 然后，在步态规划问题上，采用零力矩点方法分析了仿人步行的稳定条件，通 过对仿人机器人行走过程中一些特殊点进行采样分析，对比人类自身行走步态的观 察测量值，采用多项式拟合的方法来计算出仿人机器人在行走过程中的行走轨迹。 基于m a t l a b 对规划出的结果进行了计算机仿真，仿真结果表明，用多项式拟合的方 法是一种规划仿人机器人行走步态的方便、直观的较好方法，而且得出的轨迹比较 平滑，仿真画面变化连续。 最后，本文提出于了基于a r m + d s p 控制器的拟人机器人嵌入式控制系统。阐 述了控制器的设计思想，给出了主要模块的电路图，接着介绍了主控层控制系统的 移植，包括b o o t l o a d e r 移植、l i n u x 移植、根文件系统的构建。 关键词：仿人机器人；步态规划；多项式拟合；零力矩点；a r m ；d s p ；嵌入 式控制系统；移植 广东工业大学硕士学位论丈 _ _ l - - l l _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ l l i l _ - - - _ _ _ l i _ - i _ - _ _ _ _ _ - l - _ _ _ _ i l _ i _ l l _ l i _ _ _ i i ab s t r a c t h u m a n o i dr o b o ti so n eo ft h em o s tr e p r e s e n t a t i v ei n t e l l i g e n gr o b o tt y p e s r e s e a r c h i nt h i sf i e l dh a sb e c o m et h eh o t s p o to fr o b o t i c st e c h n o l o g y b i p e dr o b o th a sm u c hb e t t e r a d a p t m i o nt oe n v i r o n m e n ti nh u m a nl i v i n g s p a c et h a nw h e e lt y p e ，c r a w lt y p ea n dp e d r a i l t y p em o b i l er o b o t s t h i sa d v a n t a g ei sm u c hm o r eo b v i o u su n d e ru n c o n s t r u c t e d e n v i r o n m e n t f i r s t l y ，m e c h a n i c a la r c h i t e c t u r eo fb i p e dr o b o ti sd e s i g n e di nt h i sp a p e r c o m p a r e d w i t ho t h e rd r i v e r s ，t h es e r v om o t o ri s i ss e l e c t e df o ri t s h i g ha c c u r a c y ，e a s ys e r v i c i n g ， b e t t e rp r o g r a m m ec o n t r o la n dc e n t r a l i z e dc o n t r 0 1 s e c o n d l y ，t h et h e o r y o f h o m o g e n e o u s c o o r d i n a t ec o n v e r s i o nn e e d e di n m a t h e m a t i c a lm o d e l i n gi so u t l i n e d i nt h ed i r e c tk i n e m a t i cm o d e la n di n v e r s ek i n e m a t i c m o d e la r eb u i l tb a s e do nt h ep r e v i o u s l yp r e s e n t e dt h e o r y t h i sm e t h o di s e a s yt ob e c a l c u l a t e da n du n d e r s t o o d t h i r d l y ，w a l k i n gp a t t e mi sd e s i g n e da sf o l l o w s t a b i l i z a t i o nc o n d i t i o no fb i p e d r o b o ti ss t u d i e di nt h ep a p e rw i t ht h em e t h o do fz e r om o m e n t p o i n t ( z m p ) a c c o r d i n gt o t h ea n a l y s i so fs o m ep a r t i c u l a rp o i n t si nt h ew a l k i n gp r o c e s so fb i p e dr o b o ta n d c o m p a r i n gw i t ht h eo b s e r v e dv a l u e so ft h o s ep o i n t so fh u m a nb e i n g ，t h ew a l k i n g t r a je c t o r yo fb i p e dr o b o ti sa t t a i n e db yu s i n gc u b i cc u r v ei n t e r p o l a t i o n a c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o nr e s u l to fm a t l a b ，c u b i cc u r v ei n t e r p o l a t i o ni sam o r ec o n v e n i e n ta n d v i s u a l i z e dm e t h o do f p l a n n i n gg a i to fb i p e dr o b o tw h i c hc a nl e a dt os m o o t h e rt r a je c t o r y i n t e r p o l a t i o nf u n c t i o na n dc o n t i n u o u s l yc h a n g e ds i m u l a t i o ng r a p h i nt h ee n d ，t h e g a i tc o n t r o lo fh u m a n o i dr o b o tw a sd e s i g n e db a s e do nt h e a r m + d s pc o n t r o l l e r w ea n a l y z e dt h es i g n i f i c a n c ea n df u n c t i o no ft h eb a s i cm o t i o n c o n t r o l l e ri nc o n t r o ls y s t e ma n de l a b o r a t e dt h ec o n t r o l l e rd e s i g nt h o u g h t t h e n ，i n t r o d u c e t h ep r o c e s so f p o r t i n ge m b e d d e dl i n u xb yp o r t i n ge m b e d d e dl i n u x2 6k e r n e li n s i d et h e t a r g e tb o a r do f $ 3c 2 4 10p o c e s s o r k e yw o r d s ：b i p e dr o b o t ；g a i tp l a n n i n g ；i n t e g r a t i o no fm u l t i f o r m u l a s ；z e r om o m e n t p o i n t ( z m p ) ；a r m ；d s p ；e m b e d d e dc o n t r o ls y s t e m ；l i n u x ；t r a n s p l a n t i l 1 1 课题的研究背景及意义1 1 2 国外仿人机器人研究发展现状3 1 3 国内仿人机器人研究发展现状6 1 4 本文主要工作7 第二章仿人机器人本体结构设计8 2 1 引言8 2 2 仿人机器人自由度配置。8 2 3 驱动方式的选择1 0 2 3 1 舵机内部结构1 1 2 3 2 舵机的工作原理1 1 2 3 3 舵机的控制12 2 4 本章小结13 第三章仿人机器人的运动学模型及稳定步行分析1 5 3 1 引言15 3 2 数学基础啪2 刀一1 5 3 2 1 位姿描述15 3 2 2 齐次坐标与齐次变换1 6 3 3 运动学分析1 6 3 3 1 机器人运动学研究发展概况1 7 3 3 2 仿人机器人正运动学建模1 8 3 3 3 仿人机器人逆运动学建模2 5 3 4 仿人机器人步行稳定性分析2 8 3 4 1 零力矩点( z m p ) 的定义2 8 3 4 2 稳定步行条件2 9 1 1 1 广东工业大学硕士学位论文 3 4 3z m p 计算3 0 3 5 本章小结3 4 第四章仿人机器人步态规划及仿真3 5 4 1 引言3 5 4 2 步态规划的方法3 5 4 3 总体步态规划3 9 4 3 1 前向平面步态规划3 9 4 3 2 侧向平面步态规划4 1 4 4 轨迹规划4 2 4 4 1 脚掌轨迹规划4 2 4 4 2 踝关节轨迹规划4 4 4 4 3 靛关节轨迹规划4 7 4 4 4 膝关节轨迹规划4 8 4 5m a t l a b 仿真5 0 4 6 本章小结5 4 第五章仿人机器人控制系统5 5 5 1 引言5 5 5 2 仿人机器人控制系统分析5 5 5 2 1 控制系统要求5 5 5 2 2 控制系统结构设计：5 6 5 2 3 通讯方式选择5 8 5 3 仿人机器人控制系统设计5 9 5 3 1 执行层控制器设计5 9 5 3 2 主控层控制器设计6 4 5 4 主控层控制系统平台构建6 8 5 4 1 软硬件环境6 8 5 5 本章小结7 6 总结与展望7 7 参考文献7 9 攻读硕士学位期间发表论文8 4 i v v 广东工业大学硕士学位论文 - _ _ i _ _ l _ _ i i - -_ _ _ 一 _ _ 一一_ _ _ _ _ 一 一_ - - i - 一_ _ _ _- _ _ l c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) 。i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1 s t u d yb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f t h es u b j e c t 1 1 2t h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o na n dt r e n do f t h es u b j e c ta th o m e 3 1 3t h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o na n dt r e n do ft h es u b j e c ta ta b r o a d 6 1 4t h em a i n j o b si nt h i sp a p e r 7 c h a p t e r2d e s i g no fm a i nb o d ys t r u c t u r eo ft h eb i p e dr o b o t 8 2 1 i n t r o d u c t i o n 8 2 2s e t t i n go f t h ed e g r e e so f f r e e d o mo f t h eb i p e dr o b o t 8 2 3s e l e c t i o no f d r i v i n gm o d e 1 0 2 3 1i n s i d es t r u c t u r eo f t h es e r v om o t o r 1 1 2 3 2w o r k i n gp r i n c i p l eo f t h es e r v om o t r o 1 1 2 3 3c o n t r o lo f t h es e r v om o t r o 1 2 2 4s u m m a r y 1 3 c h a p t e r3k i n e m a t i c sm o d e la n ds t a b i l i t ya n a l y s i so ft h eb i p e dr o b o t 1 5 3 1 i n t r o d u c t i o n 1 5 3 2m a t h e m a t i c a lf o u n d a t i o n 1 5 3 2 1d e s c r i p t i o no f p o s e 1 5 3 2 2h o m o g e n e o u sc o o r d i n a t e sa n dh o m o g e n e o u st r a n s f o r m a t i o n 1 6 3 3k i n e m a t i c sa n a l y s i s 1 6 3 3 1d e v e l o p m e n ta n ds t a t u so f r o b o tk i n e m a t i c s 1 7 3 3 2d i r e c tk i n e m a t i cm o d e lo f t h eb i p e dr o b o t 1 8 3 3 3i n v e r s ek i n e m a t i cm o d e lo f t h eb i p e dr o b o t 2 5 3 4a n a l y s i so f w a l k i n gs t a b i l i t yo f t h eb i p e dr o b o t 2 8 3 4 1d e f i n i t i o no f t h ez m p ( z e r om o m e n tp o i n t ) 2 8 3 4 2s t a b i l i z a t i o nc o n d i t i o no f b i p e dr o b o t 2 9 3 4 3c a l c u l a t i n go f t h ez m p ( z e r om o m e n tp o i n t ) 3 0 v i c o n t e n t s 3 5s u m m a r y j 3 4 c h a p t e r 4g a i tp l a n n i n ga n ds i m u l a t i o no ft h eb i p e dr o b o t 3 5 4 1i n t r o d u c t i o n 3 5 4 2t h em e t h o do fg a i tp l a n n i n g 3 5 4 3g e n e r a lg a i tp l a n n i n g 3 9 4 3 1t h eg a i tp l a n n i n go fs a g i t t a lp l a n e 3 9 4 3 2t h eg a i tp l a n n i n go fl a t e r a lp l a n e 4 1 4 4t r a j e c t o r yp l a n n i n g ：4 2 4 4 1t r a j e c t o r yp l a n n i n go f t h es o l e 4 2 4 4 2t r a j e c t o r yp l a n n i n go f t h ea n k l e 4 4 4 4 3t r a j e c t o r yp l a n n i n go f t h eh i p 4 7 4 4 4t r a j e c t o r yp l a n n i n go f t h ek n e e 4 8 4 5m a t l a bs i m u l a t i o n 5 0 4 6s u m m a r y 5 4 c h a p t e r5b i p e dr o b o tc o n t r o ls y s t e md e s i g n 5 5 5 1i n t r o d u c t i o n 5 5 5 2c o n t r o ls y s t e ma n a l y s i so f b i p e dr o b o t 5 5 5 2 1t h er e q u i r e m e n to fb i p e dr o b o tc o n t r o ls y s t e m 5 5 5 2 2s t r u c t u r ed e s i g no f b i p e dr o b o tc o n t r o ls y s t e m 5 6 5 2 3t h ec h o i c eo f c o m m u n i c a t i o nm o d e 5 8 5 3c o n t r o ls y s t e md e s i g no f b i p e dr o b o t 5 9 5 3 1t h ec h o i c eo f c o n t r o l l e ro f t h ee x e c u t i o nl e v e l 5 9 5 3 2t h ei n t r o d u c t i o no fe x e c u t i o nl e v e lm o d u l e 6 4 5 4p l a t f o r mc o n s t r u c t i o no ft h em a i nc o n t r o ll a y e rc o n t r o ls y s t e m 6 8 5 4 1s y s t e mp o r t i n g 6 8 5 5s u m m a r y 7 6 s u m m a r ya n de x p e c t a t i o n 7 7 r e f e r e n c e s 7 9 p u b l i s h e dp a p e r sd u r i n gs t u d i n gf o rm a s t e rd e g r e e 8 4 j o i n e dp r o j e c t sd u r i n gs t u d i n gf o rm a s t e rd e g r e e 8 5 o r i g i n a ls t a t e m e n t 8 6 v h 广东工业大学硕士学位论文 a c k n o w l e d g e m e n t s 8 7 v i i i 机器人技术是近几十年来发展起来的综合学科，它集合了机械工程、电子工程、 计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，代表了机电 一体化的最高成就，是目前科技发展最活跃的领域之一。现代机器人的研究始于2 0 世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展，以及原子能的开发利用。机器人 作为现代高新技术的重要象征和发展结果，已经广泛应用于国民生产的各个领域， 并正在给人类传统的生产模式带来革命性的变化，影响着人们生活的方方面面。 世界著名机器人学专家、日本早稻田大学的加藤- - n 教授【l 】说过：“机器人应当 具有的最大特征之一是步行功能”。而两足步行则是所有的步行方式当中，自动化程 度最高、同时也是最为复杂的步行。 两足步行机器人与传统的轮式、履带式机器人相比有无法比拟的优越性【2 】： 首先，两足步行机器人具有广阔的工作空间，由于其越障能力强，所以人形机 器人活动范围很大；其次，人形机器人的能耗很小，机器人力学计算表明，足式机 器人的能耗通常低于轮式和履带式；此外，仿人机器人与其他足式机器人相比，具 有体积小、重量轻、动作灵活等特点，并且类似于人类的步行特点，因此对环境有 很好的适应性。 随着对仿人步行机器人的研究不断深入，无论是影视、科幻作品还是人们对机 器人的第一意识，都把像人一样的机器人作为机器人研究的最高境界。机器人的研 究者也一直把实现机器人的拟人行为作为梦寐以求的目标。仿人机器人是一种智能 的、机动的，能满足用户多种需求的新型机器人，这种机器人具有人的外形和基本 功能，易于与人共处，易于适应多变的活动环境。9 0 年代前后，两足机器人从一般 性的拟人腿部行走上升到全方位的拟人机器人的研究。仿人机器人除了腿部的行走 功能外，还包括手、腰和手的功能，自由度比两足步行机器人成倍的增加，与此同 时也带来了控制规划、动力学、运动学上更为复杂的问题。此外，还有c c d 图像 处理、语音处理以及一系列传感信号的处理。仿人机器人相对于两足机器人的研究， 更为类似人类。仿人步行机器人是由仿生学，机械工程学和控制工程学等多学科相 互整合而成的综合性学科。 广东工业大学硕士学位论文 研究仿人机器人的科学意义主要在于： 第一，步行系统本身具有非常丰富的动力学和运动学特性。人类在行走和奔跑 过程中身体各部分周期性和规律性的运动，机体所表现出的动态平衡和静态平衡， 身体各部分运动的协调以及不同环境中步幅和步速的调整等现象都包含许多复杂的 动力学和运动学现象，特别是躯体和手臂在运动过程中对整个身体的平衡起着重要 的调节作用。仿人机器人恰好为研究这些动力学和运动学现象以及试验新型控制技 术提供了一个相当完备的实验平台，另外对机器人控制技术的研究也可以促进非线 性理论、现代控制理论、信息集成、控制系统集成、计算机视觉以及传感器技术的 发展。 第二，仿人机器人的研究具有潜在的应用前景。人类步行运动与其他机构运动 相比具有优越的移动性和环境适应能力。研制和开发仿人机器人，可以在一些有辐 射、高温、多粉尘、有毒以及其他条件恶劣的环境中代替人类作业，或者在一些人 不能到达的地方( 如海底、太空) 代替人类进行探索和开发，以延伸和扩大人类的 活动领域。仿人机器人在康复医学领域也有广阔的应用前景，例如对仿人机器人的 研究可以为截瘫病人以及小儿麻痹患者设计辅助行走装置提供完善的理论和实际支 持，并可根据仿人机器人的运动特性制造动力型假肢。由于步行运动方式对环境具 有很强的适应能力，仿人机器人的研究还可以为各种步行式太空探测机器人、越野 侦察机器人的研究提供技术储备。随着机器装置、计算机软件、传感器和遥控技术 的不断发展，机器人的应用范围可以扩展到家庭服务中。在家庭服务方面，机器人 将替代人类从事繁琐的家庭劳作，诸如吸尘、擦窗户等。机器人还可以作为地铁车 站的保洁员、加油站的服务员或消防员使用。 第三，仿人机器人包含着多项高技术成果，它在一定程度上可以代表一个学校、 地区乃至一个国家的高科技实力和高科技发展水平。 第四，由于仿人机器人具有很好的演示性，在影视教育娱乐及服务等行业中具 有巨大的应用价值。在影视业和娱乐业，国外各种机器人模型的应用相当广泛，而 我国在这一方面还是一片空白，因此，仿人机器人的研究在这一领域也具有广阔的 应用前景。 仿人步行机器人作为控制技术和控制理论最高领域的研究，尚处在初步阶段， 他们的开发远远落后于不断升级的工业需求，虽有大量的人力和资金投入其研究， 但很少有能出实验室的。这是因为仿人机器人的控制本身是一个很难的课题。由此 2 第一章绪论 可见，仿人步行机器人的发展还有一段很长的路要走。 研制仿人步行机器人的一项重要内容就是步态规划。所谓的步态，是指在步行 过程中，步行本体的身体各部位在时序和空间上的一种协调关系；步态规划就是给 出机器人各关节位置与时间的关系，是仿人步行机器人研制中的一项关键技术，也 是难点之一。步态规划的好坏将直接影响到仿人步行机器人的行走稳定性、美观性 以及各关节所需驱动力矩的大小等多个方面，已经成为双足步行机器人领域的研究 热点。 因而我们开展仿人步行机器人的课题研究，既是致力于该领域的初步探索，也 是对开展国内仿人机器人研究事业发展的响应和推动。 1 2 国外仿人机器人研究发展现状 最早涉足两足步行机器人的是英国的m o s h e r r ，1 9 6 8 年研制的“r i g 操纵型 仿人步行机器人【1 1 ，它只有踝关节和髓两个关节，操纵者靠力反馈感觉来保持机器 平衡，这种主从式的机械装置可算是两足步行机构的雏形。 当今世界，有“机器人王国”之称的日本在仿人步行机器人研究领域处于绝对 领先地位，具有代表性的研究机构有加藤实验室、日本早稻大学、日本东京大学、 日本东京理工学院、日本机械学院、松下电工、本田公司和索尼公司等。 日本早稻田大学的加藤一郎教授于1 9 6 8 年率先展开了仿人步行机器人的研制 工作，并先后研制出w a p 系统样机【3 1 。1 9 6 9 年研制出w a p 1 平面自由度步行机器 人，该机器人具有六个自由度，每条腿有胯，膝，踝三个关节；关节处使用人造橡 胶肌肉，通过充气、排气引起肌肉收缩，肌肉的收缩牵引关节转动从而实现步行。 1 9 7 1 年，研制出w a p 3 型仿人机器人，仍采用人工肌肉，具有1 1 个自由度，能在 平地、斜坡和阶梯上行走。该机器人重1 3 0 k g ，高o 9 m ，实现步幅1 5 c m ，每步4 5 s 的静态步行；同年又研制出w l 5 仿人步行机器人，该机器人采用液压驱动，具有 1 1 个自由度，下肢作三维运动，上躯体左右摆动以实现仿人机器人重心的左右移动。 1 9 7 3 年，在w a p 5 的基础上配置机械手及人工视觉、听觉等装置组成自主式机器 人w a r o t - 1 。1 9 8 0 年，推出w l 9 d r 仿人机器人，该机器人采用预先设计步行方 式的程序控制方法，通过对步行运动的分析及重复实验设计步态轨迹，用设计出的 步态控制机器人的步行运动，该机器人采用了以单脚支撑期为静态，双脚切换期为 动态的准动态步行方案，实现了步幅4 5 c m ，每步9 s 的准动态步行。1 9 8 4 年，研制 广东工业大学硕士学位论文 出采用踝关节力矩控制的w l 1 0 d r 仿人机器人，增加了踝关节力矩控制，将一个 步行周期分为单脚支撑期和转换期【4 】。1 9 8 6 年，又成功研制了w l 1 2 仿人机器人， 该机器人通过躯体运动来补偿下肢的任意运动，实现了步行周期1 3 s ，步幅3 0 c m 的平地动态步行。 日本东京大学的j o u h o us y s t e mk o u g a k a 实验室研制了h 5 、h 6 型仿人型仿人步 行机器人。该机器人总共有3 0 个自由度，其中在h 5 型的步态规划设计中充分考虑 了动态平衡条件，采用遗传算法来实现上体的补偿运动以补偿z m p 轨迹的跟踪， 上体运动的轨迹用三次样条插值来实现。在h 5 仿人机器人的头部安装有两个c c d 彩色摄像头，可以定位前面的物体并能够在c c d 的协助下用7 自由度的手来抓取 的目的。 日本机械学院的s k a j i t a 等针对一台具有4 台前向驱动电机且全部安装在机器 人的上体的五连杆平面型仿人步行机器人m e l t r a ni ，研究其动态行走的控制方法【5 】。 他根据机器人机构质量几乎完全集中在上体的事实，为使仿人步行机器人实现稳定、 周期性的动态行走，对机器人上体采用了约束控制方法，提出了一种理想的线性倒 立摆模型。同时又提出了机构轨道能量守恒的概念，来求解各个关节运动轨迹及输 入力矩，实现了在已知不平整地面上的稳定动态步行。1 9 9 6 年他们又在此样机的基 础上加载了超声波视觉传感器以实现实时提供地面信息的功能。将视觉传感器系统 与针对线性倒立摆所提出的控制模式相结合构成自适应步态控制系统，使m e l t r a ni i 成功地实现了在未知路面上的动态行走【5 】。 代表仿人步行机器人和拟人机器人研究最高水平的是本田公司和索尼公司。本 田公司从1 9 8 6 年至今已经推出了p l ，p 2 ，p 3 系统机器人【6 7 1 ，在p 2 和p 3 中，使用了 大量的传感器：陀螺仪( 测定上体偏转的角度和速度) 、重力传感器、六维力力矩 传感器和视觉传感器等，利用这些传感器感受机器人的当前状态和外界环境的变化， 并基于这些传感器对下肢各关节的运动作出调整，实现动态步行【7 墙】，并且于2 0 0 0 年1 1 月2 0 日，推出了新型仿人步行机器人“a s i m o ，“a s i m o ”和“p 3 ”相比， 实现了小型轻量化，使其更容易适应人类的生活空间，通过提高双脚步行技术使其 更接近人类的步行方式。双脚步行技术方面采用了新开发的“i - w a l k ”技术。 i - w a l k 技术是在过去的双脚步行技术的基础上组合了新的“预测运动控制功能”， 它可以实时预测以后的动作，并且据此事先移动重心来改变步调。过去由于不能进 行预测运动控制，当从直行改为转弯时，必须停止直行动作后才可以转弯。 4 第一章绪论 索尼公司于2 0 0 0 年1 1 月2 1 日在四足娱乐机器人a i b o 的基础上推出了人形娱 乐型机器人s d r 3 x ( s o n yd r e a mr o b o t 3 x ) 。s d r 3 x 有2 4 个自由度，身高5 0 c m ， 重量为5 k g ，其特征是每分钟步行1 5 m ，可以进行较高速度的自律运动比如站立、 行走、爬坡和上下楼梯等【9 1 。2 0 0 2 年又推出s d r 4 x ，采用6 4 位r i s c 处理器， 6 4 m b d r a m ，共有3 8 个自由度。2 0 0 3 年1 2 月，索尼公司通过对控制系统和s i a ( i n t e l l i g e n ts e r v oa c t u a t o r ) 的改进、增加输出力矩等方法，使q r i o 在世界上第一 次实现了两足步行机器人的跑动【l0 1 ，q r i o 可以在跑步时滞空6 m s ，双脚跳跃时滞 空1 0 m s 。 除了日本之外，美国、英国、法国等也对步行机器人做了大量的基础理论研究 和样机研制工作，并取得一定成就。 美国o h i o 大学的美籍华人郑元芳博士等人于1 9 9 0 年提出用神经网络来实现仿人 步行机器人动态步行【_ 1 3 1 ，并在s d 1 仿人步行机器人中得以实现。人脑控制步行时 有三种功能：即随意步行、非随意步行和学习步行，为了将神经网络控制策略应用 在仿人步行机器人中，他们首先研究了神经网络步态综合器，它由轨迹综合器、自 适应单元、知识库和联想单元组成。轨迹综合器根据从知识库中提取的初始位置来 产生各个关节的运动模式的信号，在仿人步行机器人随意运动的情况下，自适应单 元不接入，否则自适应单元接入，并开始修正步态模式，实现平衡步行。其次，他 们还研究了两种学习方法，静态学习和动态学习。静态学习是神经网络的学习发生 在步行过程中特定时刻，而动态学习则是指在仿人步行机器人步行过程中神经网络 的持续的学习。同时，他们所采用的神经网络模型是由多层神经网络单元组成，包 括了4 个关节神经无和1 6 个方向神经元，用强化学习方法来训练网络，强化学习信号 既可以是描述地域条件的优传感器信号，也可以是描述机器人性能的人工输入信号。 m i t 麻省理工的g a p r a t t 和j e p r a t t 等人在s p r i n gt u r k e y 和s p r i n gf l a m i n g o 仿人 机器人的控制中提出了虚模型控制策略。从本质上说，虚模型控制实际上是一种运 动控制语言，即假想将诸如弹簧振子、阻尼器等元件固连在机器人的系统中用来产 生假想的驱动力矩。采用虚模型控制，可以有效地避免繁琐的机器人逆运动学和动 力学的计算。在机械结构设计上，与上述的控制策略的指导思想结合，采用与常规 关节驱动方式不同的一种新的关节驱动方式，从而使期具有良好的弹性和阻尼特性， 在步态规划的过程中参考人类行走的被动特性，将一个行走步态周期分为支撑、脚 尖立地、舞动和伸直四个阶段，更有效的利用了机械势能使脚被动地完成摆动过程 5 广东工业大学硕士学位论文 0 4 1 。 法国b i p 2 0 0 0 计划是由法国d em e c a n i f q u ed e ss o l o d e r sd ep o i t e r s 实验和i n r i a 机 构合作的一个项目 1 5 q 6 】。其目的是建立一套可以适应未知条件行走的两足机器人系 统，设计了一个具有1 5 个自由度的仿人步行机器人( 只有躯干和腿) 。 加拿大的t a d m c g e e 主要研究被动式两足机器人【17 1 ，即在无任何外界输入的情 况下，靠重力和惯性力实现步行运动。1 9 8 9 年，他建立了平面型的两足步行机构， 两腿为直杆机构，没有膝关节，每条腿各由一个小电机来控制腿的伸缩，无任何主 动控制和能量供给，具有简单二级针摆特征，放在斜坡上，可依靠重力，实现动态 步行。 1 3 国内仿人机器人研究发展现状 国内仿人步行机器人的研制工作起步较晚，我国是从2 0 世纪8 0 年代开始仿人 步行机器人领域的研究和应用的。1 9 8 6 年，我国开展了“七五 机器人攻关计划， 1 9 8 7 年，我国的“8 6 3 ”高技术计划将机器人方面的研究开发列入其中。目前我国 从事机器人研究与应用开发的单位主要是高校和有关科研院所等。