基于人体运动数据的仿人机器人步态规划与控制研究

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仿人机器人是形状和结构上类似于人的机器人,能够模仿人的相似行为,感知世界并做出类似人的反馈。仿人机器人和其他机器人相比,具有较高适应性和智能性,在未来生产生活中会起到不可替代的作用。可稳定行走是仿人机器人实现其他功用,发挥他的特点的前提。人类的双足步行样式在世界上生物圈是相对于其他生物比较完美的,使得生物个体代谢消耗较低。通过采集人体运动数据,观察分析得到人类的行态特点,对仿人机器人进行步态规划和稳定性控制,不但可以降低研究的部分复杂度,也能对人类步行规律做出针对性研究,具有广阔的应用前景。本课题期待为仿人机器人步态规划和控制方法的提出或改进做出努力。本课题的研究内容包括:(1)通过查阅知名期刊,对本课题研究对象的发展现状进行了研究,包括机械结构和自由度设计,步态规划和控制方法等,根据国内外仿人机器人的优缺点因地制宜地提出本机器人的整体的设计框架,包括控制系统、驱动系统、通信和感应系统。(2)根据仿人机器人特点进行运动学分析并根据运动学模型建立动力学建模。利用D-H法建立运动模型,然后利用牛顿欧拉法建立动力学模型。(3)利用运动捕捉系统获取人类步行数据,主要涉及人体上肢肩关节和肘关节pitch轴,下肢髋关节、膝关节pitch轴运动数据,根据运动数据进行拟合,获得运动函数,提取人类步态特征并进行步态划分和步态规划。(4)利用建立的模型进行稳定性控制研究。在起步阶段利用已建立的模型,根据规划好ZMP的规划各关节运动曲线;在周期迈步阶段时,对于侧向摇摆运动,根据动势能转换和蹬脚振动模型,进行周期动态控制;对于前向运动,基于期望ZMP通过踝关节进行动态补偿控制。(5)通过在实体机器人上进行实验,根据机器人脚底压力反馈系统,确立机器人步态规划的合理性、模型建立的正确性和控制方法的有效性。
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