【摘要】：在機械、控制、人工智能等關鍵科學技術領域飛躍發(fā)展的推動下,越來越多的服務型機器人出現(xiàn)在日常的生活場景中,實際情況中往往需要機器人能夠跟隨行走從而為人類提供服務,這就對機器人行走過程中適應環(huán)境的能力、行走低能耗等提出了更高的要求。人類所采用的雙足步行方式,在經(jīng)過長期的自然進化后具有良好的穩(wěn)定性、協(xié)調性,本文通過運動捕捉系統(tǒng)捕捉到人體步行數(shù)據(jù),分析人體步行運動軌跡,生成機器人步行樣本,提取人體步行參數(shù),實現(xiàn)雙足機器人跟隨行走。本文在通過人體步行捕捉實驗得到步行數(shù)據(jù)后,利用線性插值以及幾何求解方法補齊了缺失的數(shù)據(jù),利用噪聲點處單調性突變的性質除去了噪聲數(shù)據(jù),并通過踝關節(jié)軌跡提取到人體步行參數(shù)。從處理后的步行數(shù)據(jù)中,獲得了平地步行、上樓梯、下樓梯路況下人體質心與踝關節(jié)的行走軌跡,分析得出其速度、加速度均符合正弦函數(shù)的規(guī)律,并進行了數(shù)據(jù)擬合驗證。在行走步態(tài)時間對稱參數(shù)的基礎上利用左右踝關節(jié)行走軌跡定義了空間對稱性參數(shù),判斷人體行走狀態(tài)。利用質心與踝關節(jié)的連線,將人體簡化作單質心倒立擺模型,該模型下的人體ZMP軌跡在行走過程中始終處于支撐區(qū)域內。同樣將機器人簡化作單質心倒立擺,規(guī)劃ZMP軌跡,利用正弦函數(shù)對其質心與踝關節(jié)的速度或加速度進行規(guī)劃,通過逆運動學解算得到機器人步行樣本。在通過分析人體行走軌跡變化規(guī)律生成雙足機器人步行樣本的基礎上,提出了跟隨過程中機器人變速、變步態(tài)的平滑切換樣本生成方法,在機器人變步長以及平地至上樓梯切換過程中,關節(jié)角位移、角速度以及角加速度均沒有發(fā)生突變。為保證機器人穩(wěn)定性和減少能量消耗提出了步行樣本優(yōu)化方法,選擇行走過程中質心下降高度以及可變ZMP區(qū)域系數(shù)作為優(yōu)化參數(shù),利用一組步行樣本驗證了參數(shù)優(yōu)化的有效性。針對機器人跟隨樣本的生成,提取到人體步行參數(shù)后,采用檢索機器人步行樣本庫與在線生成步行樣本組合的方法來實現(xiàn)。最后,建立雙足機器人的虛擬樣機模型,分別驗證了雙足機器人平地變步長以及平地至上樓梯的切換步態(tài)行走。根據(jù)采集的人體步行數(shù)據(jù),提取步行參數(shù),生成雙足機器人跟隨行走樣本,進行了仿真。仿真結果表明基于人體行走軌跡的生成的跟隨步行樣本,可以實現(xiàn)雙足機器人的跟隨行走。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP242
【圖文】：

上世紀七十年代，早稻田大學開發(fā)出了 WAP1 型機器人，該型號機器人具有六自由度并采用氣壓驅動，之后相繼又研制出 WL-3、WL-5、WL-10RD 等機器人[4]。1973 年早稻田大學制造出了的 WABOT1 型仿人機器人能夠根據(jù)人的語言命令，找到指定物體，最終緩慢步行到目標位置將目標物體取回。2000 年，本田公司研制出了具備智能化的 ASIMO 機器人，機器人開始向智能化發(fā)展，實現(xiàn)機器人與外界環(huán)境的交互，但是機器人的智能化還需要投入更多的研究[5]。美國在機器人領域知名的波士頓動力公司開發(fā)了 Petman 與 Atlas 雙足機器人，Petman 機器人保持平衡的能力很強，實驗過程中經(jīng)過人為干擾后可以快速恢復到平衡狀態(tài)，并能夠在危險環(huán)境例如化學污染、核輻射等情況下穩(wěn)定行走、爬行或者處理有毒有害物質等任務[6-7]。Atlas 機器人是在 Petman 系列機器人上改進并制造出來的，最突出的能力就是高速下行走速度可達 10km/h，利用調整步態(tài)的方法抵抗外界干擾力，穿越復雜崎嶇的地形[8]。德國慕尼黑大學于 2000 年研制出雙足機器人 JOHNNIE，該機器人具有三十個自由度，身高 1.8m，重 40kg，最終可實現(xiàn) 2.2km/h 的步行速度。2009 年，該校又研制出 LOLA 機器人[9]。

哈爾濱工業(yè)大學、國防科技大學、清華大學、北京理工大學等國內一流科研機構開始投入到雙足機器人的研發(fā)中，取得了一系列成果。哈爾濱工業(yè)大學吳偉國教授第一次提出類人猿型機器人，并于 2004 年研制出類人猿機器人“GoRoBoT-Ⅱ”[11]，該機器人可實現(xiàn)雙足行走、四足行走以及桁架攀爬等多種運動形式。國防科技大學馬宏續(xù)教授于 2000 年研制出“先行者”雙足機器人，實現(xiàn)了動態(tài)步行，并于 2003 年推出 Blackman 仿人機器人，實現(xiàn)了無纜線行走[12]。北京理工大學在 2002 至 2005 年期間，研制出 BHR-01 型與 BHR-02 型雙足機器人。其中，BHR-01 型雙足機器人，可根據(jù)自身平衡狀態(tài)進行穩(wěn)定控制。BHR－2 型仿人機器人也被稱為“匯童”機器人，全身具備 32 個自由度，重量為 63kg，高度 1.6m 可以進行中國傳統(tǒng)武術的表演[13]。清華大學于 2002 年和 2005 年，相繼研制出了THBIP-1、THBIP-2 型機器人[14]，相較于THBIP-1 型機器人，THBIP-2 型仿人機器人重量大大減輕，僅有18kg，身高 0.7m，一共有 24 個自由度，能以動態(tài)步行的方式在 4s的時間里行走 0.15m[15]。

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文數(shù)據(jù)過程中能夠的不受外界其他光源的影響。LED 控制器集成于電池盒中，電池 RF 收發(fā)器和微處理器可以控制 1 到 72 個 LED 標識點。校正桿帶有 8 個 LED燈，LED 燈之間距離一定，校正桿是校準所需要的校正設備。圖 2-1 所示為PhaseSpace 捕捉系統(tǒng)部分硬件組成。

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3 金偉超;;雙足機器人小腿減震系統(tǒng)的設計與應用[J];淮海工學院學報(自然科學版);2019年03期

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5 喬書杰;劉玲玲;;被動動力式雙足機器人仿生腿的設計與運動仿真研究[J];科技通報;2018年04期

6 路微;;阿凡達成真 韓國研發(fā)全球首個載人雙足機器人[J];華東科技;2017年01期

7 譚鶴毅;;一種新的雙足機器人模型設計與相關研究[J];計算機測量與控制;2017年02期

8 劉丹丹;張艦行;;雙足機器人穩(wěn)定性判據(jù)研究[J];通訊世界;2017年10期

9 王妍瑋;李佳輝;蔣銀紅;馬平;范驍;唐偉;;3D打印機器人設計[J];林業(yè)機械與木工設備;2017年10期

10 劉大龍;余有明;;仿生直立雙足機器人的穩(wěn)定性控制算法[J];機械與電子;2016年02期

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2 袁海輝;甘春標;楊世錫;;3D雙足機器人行走的多域漸近穩(wěn)定性控制[A];第十五屆全國非線性振動暨第十二屆全國非線性動力學和運動穩(wěn)定性學術會議摘要集[C];2015年

3 丁長濤;楊世錫;甘春標;;多源隨機不確定性驅動下雙足機器人動力學響應分析[A];中國力學大會——2013論文摘要集[C];2013年

4 毛勇;王家^

本文編號：2759507