雙足機(jī)器人一直是機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn),實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、自然、高效的仿人步行也是雙足機(jī)器人的重要研究目標(biāo)之一,但是目前絕大多數(shù)雙足機(jī)器人仍然存在著步行穩(wěn)定性差、步態(tài)僵硬不自然、能量效率低等問題。人類經(jīng)過長期的自然進(jìn)化成為直立行走的高級(jí)動(dòng)物,借助自身的神經(jīng)-肌肉-骨骼系統(tǒng)的協(xié)調(diào)作用機(jī)制,能夠在多種復(fù)雜的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、自然、高效的步行。由于雙足機(jī)器人和人體具有一定的相似性,理解人體穩(wěn)定、自然、高效步行的內(nèi)在機(jī)理并將其融入到雙足機(jī)器人的設(shè)計(jì)與控制當(dāng)中,一方面有助于實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人的仿人步態(tài),另一方面能夠反過來促進(jìn)研究人員對人體結(jié)構(gòu)與步行機(jī)理的深入理解,還可以為肢體功能康復(fù)與外骨骼器具設(shè)計(jì)提供借鑒意義。本文以實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人的仿人動(dòng)態(tài)步行為目標(biāo),以人體步行時(shí)的生物力學(xué)特性為基礎(chǔ),對人體步行機(jī)理、雙足機(jī)器人仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、雙足機(jī)器人仿人動(dòng)態(tài)步行控制、雙足機(jī)器人動(dòng)態(tài)步行實(shí)驗(yàn)等進(jìn)行深入研究。基于人體生物力學(xué)特性分析人體穩(wěn)定、自然、高效步行的內(nèi)在機(jī)理。利用OpenSim軟件建立人體肌肉骨骼模型,實(shí)現(xiàn)含有跖趾關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的人體模型的步行運(yùn)動(dòng)仿真,獲取人體各種典型的生物力學(xué)特性。以此為基礎(chǔ)分析下肢肌肉在步行過程中的作用規(guī)律,結(jié)果表明人體步行時(shí)的支撐力和推進(jìn)力/制動(dòng)力,以及下肢各關(guān)節(jié)的機(jī)械功主要由腰大肌、臀大肌、股內(nèi)側(cè)肌、比目魚肌和腓腸肌五個(gè)肌肉群提供,而股二頭肌(短頭)、脛骨前肌、股直肌和股二頭肌(長頭)表現(xiàn)出類似于彈簧的特性,通過吸收、釋放和在關(guān)節(jié)間傳遞能量幫助提高步行的能量利用效率。跖趾關(guān)節(jié)作為步行過程中與地面直接相互作用的關(guān)節(jié),其作用經(jīng)常被忽略,因此進(jìn)一步研究跖趾關(guān)節(jié)在步行過程中的生物力學(xué)行為和對人體步態(tài)的影響,結(jié)果表明跖趾關(guān)節(jié)在步行中可視為被動(dòng)關(guān)節(jié),跖趾關(guān)節(jié)的存在使人體步態(tài)呈現(xiàn)出“足跟著地-全足著地-足跟離地-足趾離地”的時(shí)序特征,當(dāng)跖趾關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)受限后也會(huì)影響這一步態(tài)特征,進(jìn)而使步行過程中的關(guān)節(jié)機(jī)械功增加,且步行穩(wěn)定域減小。基于人體步行機(jī)理設(shè)計(jì)雙足機(jī)器人仿生結(jié)構(gòu)。根據(jù)人體步行機(jī)理的研究結(jié)果所提供的仿生依據(jù),設(shè)計(jì)一種基于氣動(dòng)人工肌肉的主被動(dòng)驅(qū)動(dòng)結(jié)合、含有被動(dòng)跖趾關(guān)節(jié)的雙足機(jī)器人,結(jié)合人體下肢各部分的解剖結(jié)構(gòu)完成雙足機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并對髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、足部等進(jìn)行具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。參考人體正常行走步態(tài),構(gòu)建含有單腿支撐相、雙腿支撐相和碰撞相的雙足機(jī)器人混合動(dòng)力學(xué)模型,以此優(yōu)化設(shè)計(jì)雙足機(jī)器人的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù),并以步行過程中的步態(tài)性能參數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)來驗(yàn)證雙足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。設(shè)計(jì)氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的雙足機(jī)器人仿人動(dòng)態(tài)步行控制策略。針對氣動(dòng)人工肌肉復(fù)雜的遲滯特性和強(qiáng)非線性給其位置控制帶來的困難,研究氣動(dòng)人工肌肉的長度/氣壓遲滯特性建模,建立一種含有分段算子的改進(jìn)的Prandtl-Ishlinskii遲滯模型,該模型不僅能夠準(zhǔn)確地描述非對稱的長度/氣壓遲滯特性,還能夠無需任何復(fù)雜計(jì)算而直接用來準(zhǔn)確地描述長度/氣壓逆遲滯特性;并進(jìn)一步提出一種基于直接逆遲滯補(bǔ)償?shù)臍鈩?dòng)人工肌肉位置控制方法,實(shí)現(xiàn)具有較高精度的氣動(dòng)人工肌肉位置控制。在此基礎(chǔ)上,不依賴于ZMP穩(wěn)定判據(jù)和單純的軌跡跟蹤控制,而是參考人體步行過程中的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和肌肉作用規(guī)律,提出一種基于有限狀態(tài)機(jī)的落足點(diǎn)控制、反射控制與踝關(guān)節(jié)控制相結(jié)合的雙足機(jī)器人仿人動(dòng)態(tài)步行控制策略,并利用MATLAB進(jìn)行不同條件下的機(jī)器人動(dòng)態(tài)步行仿真。開展雙足機(jī)器人實(shí)驗(yàn)研究。設(shè)計(jì)雙足機(jī)器人以嵌入式控制器為核心的控制系統(tǒng),并進(jìn)行雙足機(jī)器人樣機(jī)集成與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建。以踝關(guān)節(jié)為例進(jìn)行氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人關(guān)節(jié)位置控制實(shí)驗(yàn);進(jìn)而開展平地、變速、變步長、上坡、下坡、不平整地面等不同條件下的雙足機(jī)器人動(dòng)態(tài)步行實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與步行控制策略,實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人樣機(jī)的仿人動(dòng)態(tài)步行。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP242
【部分圖文】：

圖 1-21 先行者 圖 1-22 BHR-1[46]圖 1-23 BHR-5[47]Fig.1-21 Forerunner Fig.1-22 BHR-1[46]Fig.1-23 BHR-5[47]清華大學(xué)于 2002 年研制出了 THBIP-I 型仿人雙足機(jī)器人，該機(jī)器人80cm，體重 130kg，全身總共擁有 32 個(gè)自由度[49]。在此基礎(chǔ)上，為了拓機(jī)器人在人類生活場景中的應(yīng)用[50]，又于 2009 年成功研制出了輕量小HBIP-II 仿人雙足機(jī)器人，如圖 1-24 中所示。

圖 1-24 THBIP-II[50]圖 1-25 機(jī)器人“悟”和“空”[51]Fig.1-24 THBIP-II[50]Fig.1-25 Robot “WU” and “KONG”[51]哈爾濱工業(yè)大學(xué)于 1985 年開始開展仿人雙足機(jī)器人的研究，先后研制T-I、HIT-II 和 HIT-III 等多款小型仿人雙足機(jī)器人，如圖 1-26 中所示，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了前后步行、左右側(cè)行、轉(zhuǎn)彎以及上下樓梯和在斜面上行走，可應(yīng)用于娛樂和教育等場合[52]。

圖 1-26 HIT-I[52]圖 1-27 智能先鋒號(hào)[53]圖 1-28 JET[54]Fig.1-26 HIT-I[52]Fig.1-27 Intelligent Pioneer[53]Fig.1-28 JET[54]樂聚機(jī)器人技術(shù)有限公司推出了面向教育和服務(wù)兩大方向的 Aelos 和 T系列仿人雙足機(jī)器人，其中機(jī)器人 Talos 如圖 1-29 中所示，該機(jī)器人身高0cm，具有近似人類的肢體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了快速平穩(wěn)行走，其最大步幅間隔約5cm，每秒最快可邁出三步，與小孩的行走速度相近。
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 沈偉;施光林;;基于氣動(dòng)人工肌肉的自適應(yīng)模糊小腦模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)位置跟蹤控制[J];上海交通大學(xué)學(xué)報(bào);2012年04期

2 陳啟軍;王國星;劉成菊;;基于中樞模式發(fā)生器的機(jī)器人行走控制[J];同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2010年10期

本文編號(hào)：2839562