自主步行机器人运动控制及相关研究博士学位论文

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1、中国科学技术大学博士学位论文自主步行机器人运动控制及相关研究姓名：徐凯申请学位级别：博士专业：计算机应用技术指导教师：陈小平20080401摘要由于结构上的优势，自主步行机器人相对于履带式机器人和轮式机器人具有更广泛的适用范围。自主步行机器人往往工作在动态不确定环境中，这对机器人的运动能力、对环境的适应性和灵活性、对自身运动状态的实时辨识能力提出了很大的挑战。过去对步行机器人的运动设计、行走状态稳定性等的研究取得了一系列的成果，但随着机器人技术的发展所带来的机器人平台性能的增强以及机器人所面临任务的复杂化，对自主步行机器

2、人的行走设计、运动状态分析及标定能力提出了更高的要求。为了提升步行机器人的行走速度，以及在高速行走时对自身运动的快速理解识别能力，从而提高机器人在未知环境中的工作能力，本文以AIBO四足机器人为研究平台，从以下三个方面对自主步行机器人的运动控制进行了研究：1．步行机器人的步态轨迹生成及优化以前的基于步态规划的步行机器人行走设计，在完成机器人腿部建模及相应的逆运动学解算后，通常是采用如矩形、梯形等固定轨迹设计机器人腿部的运动，缺乏对机器人行走的最优步态轨迹的研究，难以保证其行走设计在各种不同的条件和环境下都能达到较好的结果

3、。本文在步行机器人步态设计基础上，提出了采用曲线拟合的方法在机器人肢体运动空间内生成步态轨迹曲线，通过引入遗传算法，让机器人能够自主的搜索良好的步态轨迹，增强了机器人的运动能力。2．步行机器人的行走状态分析模型行走速度的提高对步行机器人行走的稳定性提出了更高的要求，已有的研究主要关注机器人在行走是否发生翻转，缺乏对碰撞定量描述、行走稳定程度等方面的考虑。针对这一问题，结合步行机器人行走的动力学特性，本文对机器人的加速度传感器信息进行离散傅立叶变换，建立了行走相关特征值的概率模型，通过使用马氏距离作为判定标准，对步行机器人

4、的行走稳定性给出定量描述。AIBO四足步行机器人平台上的实验证明，本文提出的模型能够实时反应机器人的行走特性，帮助机器人在行走状态受环境影响发生改变时，根据行走特征及时调整运动，保证其稳定性。3．自标定的步行机器人行走状态模型IAbslraCtitsownwalHngstatusandmakeleggedrobotbeabletoadapttodi疏rentenviromnents．Key、Ⅳ0rds：AutonomousLeggedRobot，MotionControl，FourLeggedR_obot，Oa“Locu

5、sGenemtion，AnalysisModelofWalkingState，DiscretcFourierTrallsfoml，MahalanobisDistance，Sel‘CalibrationW．aIkingSta饴ModelV中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用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。除已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。本人授权中国科学技术大学拥有学位

6、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。．保密的学位论文在解密后也遵守此规定。作者签名：盗参虬溯年6月S日僻d，平l第1章引言1．1研究背景机器人在人类社会经济、文化、生产、生活等众多方面忠诚地为人类服务，做出了巨大的贡献。机器人技术是综合计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，集成了多学科的发展成果，代表高科技的发展前沿

7、，是当前科学研究的热点。机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体现【l】。随着国内外研究不断深入，机器人已经从早期的工业机器人逐渐发展为具有感知、决策、行动和交互能力的自主机器人。机器人按照行走方式可以分为轮式机器人、履带式机器人和步行机器人。在自然界和人类社会中，存在广泛的人类足迹难以到达的区域，根据美国军方的报告1，地球表面一半的区域是轮式机器人和履带式机器人无法到达的，例如深海、矿井、火山口、灾难现场等，这些区域里不规则和不平坦的地形限制了轮式机器人和履带式机器人的应用。在这种背景下，步行

8、机器人的研究蓬勃发展起来【2训，而仿生步行机器人的出现【3，5·9】更加显示出步行机器人的优势【4·5，10，ll’37】：第一，步行机器人的运动轨迹是一系列离散的足印，轮式和履带式机器人的运动轨迹则是一条条连续的辙迹。不规则的地形中往往含有岩石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障碍物，甚至没有连续可通行的路径，这意味着轮