复杂环境中的人形机器人行走规划

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1、中国科学技术大学博士学位论文复杂环境中的人形机器人行走规划作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：．刘津延计算机应用技术陈小平教授二零一零年四月二十三日L——UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor，SdegreeBipedMotionPlanningforHumanoidRobotsinC1一‘EnvironmentAuthor’SName：omplexJinsuLiuSpeciality：ComputerApplicationandTechnolog

2、ySupervisor：ProfessorXiaopingChenFinishedTimein：April23rd，2010Ⅲ9Ⅲ2㈣8㈣6jjjj●■●㈣8⋯川1洲Y中国科学技术大学学位论文原创性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。除己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。作者签名：签字日期：．沁fo。b．；中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国

3、科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，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《中国学位论文全文数据库》等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。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。耐么开口保密(——年)作者躲纠趣．聊躲签字日期：摘要人形机器人的运动控制具有复杂度高且非线性的特点，其中的行走规划己成为近年来机器人技术领域的重要挑战。为机器人规划双足动作，需要综合考虑到稳定性与可行性，即，

4、机器人要在保持身体平衡的同时，避免与环境发生碰撞或造成自身损坏。在完成行走动作的设计之后，我们还需使用多种方法对步态进行调整，才能使实体机器人上执行的步态与预期效果相似。虽然，研究者己针对以上几个课题，分别给出了一些解决的方法，但是一些细节的检测与调整仍繁琐复杂，且依赖于开发者的经验。所以，我们迫切的需要一套可为机器人生成双足步态的智能且系统化的方法。本文将介绍一种通用的人形机器人双足动作规划方法，可以为机器人在复杂的环境中(包括阶梯、斜坡与各种障碍物)生成平滑且灵活的行走动作。所介绍的规划方法，将在保持机器人动态平衡的基础上，考虑步

5、态的可行性。文章将简要介绍人形机器人的发展历程，其步态生成的几类主流方法，以及在复杂环境中规划行走动作的几种典型策略，此外，还将指出机器人规划双足动作的几大挑战。●本文所提出的规划方法，之所以能在快速规划步态的同时考虑步态的可行性，是因为其以“简化步行"的概念作为基础，对机器人的双足动作加以一定的假设与简化。使用这个概念，步行规划的时间单位可由普通方法中的一“周期"扩展为一“步”。从而，三维空间中的连续规划问题可被转换为水平面上的离散规划问题。这使得步态规划的解空间被极大程度的缩小，也使得规划算法可以借助于较低的计算量考虑更多的约束条

6、件，并让机器人进行远期规划成为可能。虽然简化行走为理论上的行走方案，但其可以被转换为应用于实体机器人的步态。机器人的部分质心轨迹将被转换，以生成行走中的双足支撑相。之后，机器人将补充质心的竖直运动以攀爬楼梯或上下斜坡，并考虑多质点系统的物理特性，进行质心轨迹的调整以增强行走的稳定性。本文将在实体机器人上演示转换所得的步态。此外，本文还会介绍如何设计周期性的双足动作，并将不同的行走进行平滑连接。双足动作的连接条件将在文章中进行详细的讨论。以简化行走为基础，本文会介绍两个随机搜索算法：第一个算法(命名为ZMP样本搜索算法)，可以为给定的可

7、行足迹序列生成其简化行走方案；另一个算法(命名为基于样本搜索的足迹修正算法)，可以将不可行的足迹进行调整，使之成为可行足迹。ZMP样本搜索算法，可以在快速求解步行方案的同时进行机器人的步态检查，以保证在行走全过程中的步态对于机器人都是可以实现的。I摘要凸集扩展技术将用于降低随机搜索结果的不确定性。文章还将首创性的提出足迹修正算法，用于增强机器人步行规划的智能性，使机器人可以自动的考虑其自身结构的限制，完成足迹调整。通用双足动作规划器以及三阶段的步态规划策略将被详细的阐述。仿真机器人与实体机器人都会用于演示在复杂环境中的行走规划。近年，

8、一些国际研究机构开发出几种高性能的人形机器人，并为其实现了多种灵活的双足动作，比如：跑步、舞蹈与上下楼梯。然而由于其运动能力一定程度的依赖于高档次的硬件与精细的加工制造，也使得机器人的成本居高不下。但经过多年的发展，人形