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仿人机器人技术发展的关键在于首要实现其双足行动行走的稳定性,才能对其更广泛的应用进行深入的探究。如何增强其在未知环境中的适应能力一直是研究的重点和热点问题。国内外相关研究机构一直致力于仿人机器人仿生步态规划及稳定控制方法的研究,虽然稳定行走技术已经取得较大突破,但是距离实用化还有很大差距,其中,步态信息和地面环境状况实时感知和获取的信息量不足是主要的制约因素之一。
基于此,本文以863重点项目“仿人机器人移动作业协调关键技术和系统集成”和面上项目“仿人机器人集成化足部感知系统”为研究背景,深入开展仿人机器人足部感知系统集成、信息获取及其在步态稳定性控制方面的理论和实验研究,为进一步探索更有效的稳定安全行走新方法提供技术支撑,为在不同地面环境下研究双足机器人自适应运动控制和模拟人类的柔性行走技术提供理论分析与实验研究平台。
为此,本论文开展的主要研究工作如下:
1)第一章,介绍了目前国内外仿人机器人技术及其足部系统研究的发展状况,总结了基于足部力信息的稳定性控制、足部系统形式以及存在的问题;然后指出本学位论文的研究出发点、立项背景和目的意义,明确本学位论文的研究思路和结构。
2)第二章,从仿人机器人足部在实现步态稳定性控制中的功能角度出发,通过直观分析人体步态运动特征,建立简化的人体下肢运动参数化模型,揭示人体步行的参数化特征及其平衡策略;针对人体步态运动过程中足部的运动生物力学特征,研究人体足部在保持稳定步态过程中主要外在表现信息(反力、压力分布、姿态等信息)的测试手段和实验获取方法,及其在仿人机器人步态稳定控制中的作用。
3)第三章,借鉴人类步态特征及其平衡机理,建立仿人机器人多连杆机构参数化运动模型,对比分析机器人支撑足与地面间各种接触状态下的稳定性判据原理,为步态规划、控制模型简化、以及足部感知系统集成与参数的选择提供了实验设计和理论分析等依据。进一步探讨足部感知能力(信息获取类型及方式等)在仿人机器人实现环境自适应的稳定控制中的作用和必要性。
4)第四章和第五章,针对仿人机器人行走过程中各种地面环境信息感知需要,通过理论分析和实验研究相结合,研究具有复杂地面环境感知能力的集成化足部感知系统平台构建及信息获取与处理方法,完成多传感器系统的有效配置和集成一体化结构设计,并设计相应的信号采集和处理系统,实现行走过程中地面反力、足部接触位置、地形水平倾角以及足部姿态信息实时获取,与仿人机器人中央控制系统(CCSR)通过标准化数字接口实现信息传输。
5)第六章,从仿人机器人足部信息及其获取与步行稳定性控制理论的相关性分析入手,在此基础上建立足-地接触模型,重点分析足部力信息(反力及压力分布信息)与机器人稳定性关系;最后在仿人机器人BHR-2平台上,开展了足部感知系统模块集成、系统联调和步行实验验证。
6)第七章首先总结本学位论文的取得的主要工作进展和创新之处,结合论文工作以及仿人机器人技术的研究的实用化需求,指出了后续研究工作中需进一步深入研究的着重点、方向以及拟解决的关键问题。