近年来,仿人形机器人的研究发展迅速,仿人形机器人越来越具有人的特征。双足步行,相对于其它移动方式,是支撑脚离散、交替地接触地面的,可主动选择最佳支撑点,因而受环境的限制少,具有很高的灵活性。仿人形机器人模仿人类的行走方式,特别适合在人类的日常生活和工作中,与人友好协调地完成任务。仿人形机器人的双足动态步行研究,正成为机器人领域的一个研究热点,不仅有重要的学术意义,而且有现实的应用价值。要稳定地实现仿人形机器人双足动态步行,涉及的研究领域很广,本文研究其中一些最为基础和关键的问题,主要是数学模型、步行稳定性与约束条件、步态规划与优化、步行控制策略等,具体有: 一、应用旋量理论,将仿人形机器人两足步行机构的运动学表示为若干运动螺旋的指数积。基于计算机符号推理方法,编制符号推理程序,得到仿人形机器人的三维运动学和动力学的解析模型。基于现代Lie群分析技术,应用动力学系统微分方程在无限小变换下的不变性的Lie方法,研究仿人形机器人侧向动力学模型的Lie对称性,并得到相应的守恒量。 二、基于地面支反力中心的概念,研究支撑脚与地面间的接触状况。通过分析支撑脚/地接触面上支反力的分布,获得支撑脚与地面间保持全接触的约束条件,这也表明了零力矩点(Zero Moment Point,ZMP)稳定性条件与全接触条件的存在差异。并给出了脚底板中间开槽有助于改善脚/地间接触状况的证明。研究了随着受力状况的变化,支撑脚与地面间的接触形态的演化。综合接触与打滑因素,得到机器人支撑脚相对地面保持固定的步行稳定性充要条件。基于几何学和步态规划知识,研究了机器人上下楼梯时台阶对机器人运动路径的几何约束。 三、总结了机器人双足步行的常用概念,明确了单步与复步的区别,将仿人形机器人研究中的“步”的概念与日常生活中的“步”统一起来。为了利用机器人行走中的惯性,按照倒立摆模型的固有轨迹规划出机器人的中步步态。在保证不同阶段步态间平滑联接的情况下,采用加速度空间规划方法得到起步和止步阶段的前向步态。再根据不同阶段的侧向步态近似的特点,应用过渡函数将中步的侧向步态转化为起步与止步的侧向步态。 四、提出了非时间步态规划方法,将常规步态中的时间参变量转换为非时间参变量,使步态规划可以分为两个阶段进行:1)空间运动路径规划,以上体前向运动位置为非时间参考变量,考虑环境约束,设计出无碰撞的机器人运动的几何路径,以确定各个关节间的协调运动关系;2)确定非时间参考变量的时间轨迹,即根据ZMP稳定性条件,确定上体前向运动轨迹,将步态规划问题转化为有约束的优化问题。最后利用遗传算法的出色的优化与搜索性能,得到ZMP稳定性好的优化步态。对于机器人通过障碍或上下楼梯等对机器人位形有特殊约束的步态规划问题,此方法具有很大优越性。在进行步行稳定性控制时,只需修正非时间参考变量的时间轨迹,使在线修正算法可以很方便地在离线步态规划的基础上实现。 五、建立仿人形机器人的虚拟原理样机系统。首先在Pro/E中建立仿人形机器人的三维几何模型,然后导入ADAMS,建立机器人的机械系统虚拟原理样机。再用Matlab进行机器人控制系统设计与仿真,通过ADAMS/Controls接口模块建立起与机械系统虚拟原理样机间的实时数据管道,实现专业级虚拟样机系统的联合仿真。 六、结合非时间参考步态规划方法,提出基于调节瞬时步行速度的稳定性智能控制策略。在机器人发生前倾或后倾时,通过让机器人整体加速或减速,使机