【摘要】：在機(jī)械、控制、人工智能等關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域飛躍發(fā)展的推動(dòng)下,越來(lái)越多的服務(wù)型機(jī)器人出現(xiàn)在日常的生活場(chǎng)景中,實(shí)際情況中往往需要機(jī)器人能夠跟隨行走從而為人類(lèi)提供服務(wù),這就對(duì)機(jī)器人行走過(guò)程中適應(yīng)環(huán)境的能力、行走低能耗等提出了更高的要求。人類(lèi)所采用的雙足步行方式,在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的自然進(jìn)化后具有良好的穩(wěn)定性、協(xié)調(diào)性,本文通過(guò)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)捕捉到人體步行數(shù)據(jù),分析人體步行運(yùn)動(dòng)軌跡,生成機(jī)器人步行樣本,提取人體步行參數(shù),實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人跟隨行走。本文在通過(guò)人體步行捕捉實(shí)驗(yàn)得到步行數(shù)據(jù)后,利用線性插值以及幾何求解方法補(bǔ)齊了缺失的數(shù)據(jù),利用噪聲點(diǎn)處單調(diào)性突變的性質(zhì)除去了噪聲數(shù)據(jù),并通過(guò)踝關(guān)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(zhì)心與踝關(guān)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(jìn)行了數(shù)據(jù)擬合驗(yàn)證。在行走步態(tài)時(shí)間對(duì)稱參數(shù)的基礎(chǔ)上利用左右踝關(guān)節(jié)行走軌跡定義了空間對(duì)稱性參數(shù),判斷人體行走狀態(tài)。利用質(zhì)心與踝關(guān)節(jié)的連線,將人體簡(jiǎn)化作單質(zhì)心倒立擺模型,該模型下的人體ZMP軌跡在行走過(guò)程中始終處于支撐區(qū)域內(nèi)。同樣將機(jī)器人簡(jiǎn)化作單質(zhì)心倒立擺,規(guī)劃ZMP軌跡,利用正弦函數(shù)對(duì)其質(zhì)心與踝關(guān)節(jié)的速度或加速度進(jìn)行規(guī)劃,通過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解算得到機(jī)器人步行樣本。在通過(guò)分析人體行走軌跡變化規(guī)律生成雙足機(jī)器人步行樣本的基礎(chǔ)上,提出了跟隨過(guò)程中機(jī)器人變速、變步態(tài)的平滑切換樣本生成方法,在機(jī)器人變步長(zhǎng)以及平地至上樓梯切換過(guò)程中,關(guān)節(jié)角位移、角速度以及角加速度均沒(méi)有發(fā)生突變。為保證機(jī)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(guò)程中質(zhì)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(yàn)證了參數(shù)優(yōu)化的有效性。針對(duì)機(jī)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(jī)器人步行樣本庫(kù)與在線生成步行樣本組合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。最后,建立雙足機(jī)器人的虛擬樣機(jī)模型,分別驗(yàn)證了雙足機(jī)器人平地變步長(zhǎng)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(jī)器人跟隨行走樣本,進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明基于人體行走軌跡的生成的跟隨步行樣本,可以實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人的跟隨行走。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TP242
【圖文】：

上世紀(jì)七十年代，早稻田大學(xué)開(kāi)發(fā)出了 WAP1 型機(jī)器人，該型號(hào)機(jī)器人具有六自由度并采用氣壓驅(qū)動(dòng)，之后相繼又研制出 WL-3、WL-5、WL-10RD 等機(jī)器人[4]。1973 年早稻田大學(xué)制造出了的 WABOT1 型仿人機(jī)器人能夠根據(jù)人的語(yǔ)言命令，找到指定物體，最終緩慢步行到目標(biāo)位置將目標(biāo)物體取回。2000 年，本田公司研制出了具備智能化的 ASIMO 機(jī)器人，機(jī)器人開(kāi)始向智能化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與外界環(huán)境的交互，但是機(jī)器人的智能化還需要投入更多的研究[5]。美國(guó)在機(jī)器人領(lǐng)域知名的波士頓動(dòng)力公司開(kāi)發(fā)了 Petman 與 Atlas 雙足機(jī)器人，Petman 機(jī)器人保持平衡的能力很強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)人為干擾后可以快速恢復(fù)到平衡狀態(tài)，并能夠在危險(xiǎn)環(huán)境例如化學(xué)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(zhì)等任務(wù)[6-7]。Atlas 機(jī)器人是在 Petman 系列機(jī)器人上改進(jìn)并制造出來(lái)的，最突出的能力就是高速下行走速度可達(dá) 10km/h，利用調(diào)整步態(tài)的方法抵抗外界干擾力，穿越復(fù)雜崎嶇的地形[8]。德國(guó)慕尼黑大學(xué)于 2000 年研制出雙足機(jī)器人 JOHNNIE，該機(jī)器人具有三十個(gè)自由度，身高 1.8m，重 40kg，最終可實(shí)現(xiàn) 2.2km/h 的步行速度。2009 年，該校又研制出 LOLA 機(jī)器人[9]。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、清華大學(xué)、北京理工大學(xué)等國(guó)內(nèi)一流科研機(jī)構(gòu)開(kāi)始投入到雙足機(jī)器人的研發(fā)中，取得了一系列成果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)吳偉國(guó)教授第一次提出類(lèi)人猿型機(jī)器人，并于 2004 年研制出類(lèi)人猿機(jī)器人“GoRoBoT-Ⅱ”[11]，該機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)雙足行走、四足行走以及桁架攀爬等多種運(yùn)動(dòng)形式。國(guó)防科技大學(xué)馬宏續(xù)教授于 2000 年研制出“先行者”雙足機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)步行，并于 2003 年推出 Blackman 仿人機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了無(wú)纜線行走[12]。北京理工大學(xué)在 2002 至 2005 年期間，研制出 BHR-01 型與 BHR-02 型雙足機(jī)器人。其中，BHR-01 型雙足機(jī)器人，可根據(jù)自身平衡狀態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定控制。BHR－2 型仿人機(jī)器人也被稱為“匯童”機(jī)器人，全身具備 32 個(gè)自由度，重量為 63kg，高度 1.6m 可以進(jìn)行中國(guó)傳統(tǒng)武術(shù)的表演[13]。清華大學(xué)于 2002 年和 2005 年，相繼研制出了THBIP-1、THBIP-2 型機(jī)器人[14]，相較于THBIP-1 型機(jī)器人，THBIP-2 型仿人機(jī)器人重量大大減輕，僅有18kg，身高 0.7m，一共有 24 個(gè)自由度，能以動(dòng)態(tài)步行的方式在 4s的時(shí)間里行走 0.15m[15]。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文數(shù)據(jù)過(guò)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(gè) LED 標(biāo)識(shí)點(diǎn)。校正桿帶有 8 個(gè) LED燈，LED 燈之間距離一定，校正桿是校準(zhǔn)所需要的校正設(shè)備。圖 2-1 所示為PhaseSpace 捕捉系統(tǒng)部分硬件組成。

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本文編號(hào)：2759507