仿人機(jī)器人全身協(xié)同的防滑步態(tài)規(guī)劃與控制經(jīng)歷了近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展,仿人機(jī)器人取得了巨大進(jìn)步,具有廣闊應(yīng)用前景。行走穩(wěn)定性是仿人機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù),走向?qū)嵱没闹匾疤帷Ｗ悴颗c地面間的滑動(dòng)影響仿人機(jī)器人行走穩(wěn)定性,容易導(dǎo)致仿人機(jī)器人摔倒,造成重大損失。對(duì)于仿人機(jī)器人來(lái)說(shuō),旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)和平移滑動(dòng)同時(shí)發(fā)生,然而目前的防滑研究通常只針對(duì)其中一種滑動(dòng),并且往往難以兼顧擬人協(xié)調(diào)與防滑維穩(wěn)步態(tài)。為此,本文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)際(地區(qū))合作與交流項(xiàng)目“仿人機(jī)器人多模態(tài)運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)換理論與方法”,開(kāi)展仿人機(jī)器人全身協(xié)同的防滑步態(tài)規(guī)劃與控制研究,通過(guò)全身協(xié)同運(yùn)動(dòng),防止仿人機(jī)器人雙足行走過(guò)程中的旋轉(zhuǎn)與平移滑動(dòng),增強(qiáng)了仿人機(jī)器人的防滑能力,提高了仿人機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性。本文主要研究?jī)?nèi)容如下:首先,從仿生學(xué)角度出發(fā),應(yīng)用人體運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)及地面反力/力矩測(cè)量系統(tǒng)采集人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),并對(duì)其進(jìn)行分析,通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究總結(jié)了人體自然步態(tài)及其防止旋轉(zhuǎn)及平移滑動(dòng)時(shí)步態(tài)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,為本文基于人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的仿人機(jī)器人全身協(xié)同防滑規(guī)劃與控制提供了仿生依據(jù)。結(jié)合人體防滑運(yùn)動(dòng)規(guī)律與仿人機(jī)器人動(dòng)力學(xué)特性,提出了仿人機(jī)器人全身協(xié)同的防滑步態(tài)規(guī)劃與控制總體方案。其次,在仿人機(jī)器人防滑運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方面,推導(dǎo)了線性倒立擺模型零力矩點(diǎn)(ZMP)與質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的關(guān)系,針對(duì)其模型不能反映機(jī)器人擺動(dòng)腿的動(dòng)力學(xué)特性等問(wèn)題,提出了基于擴(kuò)展的三質(zhì)量模型的步態(tài)規(guī)劃方法。根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律,設(shè)計(jì)了上下身旋轉(zhuǎn)力矩互償?shù)能壽E規(guī)劃方法。結(jié)合三質(zhì)量模型、防止足部滑動(dòng)約束以及ZMP穩(wěn)定裕度等約束條件,生成了兼顧擬人與防滑步態(tài)的全身協(xié)同運(yùn)動(dòng)優(yōu)化軌跡。再次,在仿人機(jī)器人防滑控制方面,推導(dǎo)了仿人機(jī)器人基于三質(zhì)量模型的平衡穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)方程,分析了質(zhì)心加速度增量與機(jī)器人ZMP增量間的定量關(guān)系,提出了基于加速度協(xié)同調(diào)整的防滑控制器設(shè)計(jì)方法。通過(guò)ZMP檢測(cè)及滑動(dòng)評(píng)價(jià)指數(shù)判定分層、定量地實(shí)現(xiàn)了自身狀態(tài)調(diào)整,提高仿人機(jī)器人防止平移滑動(dòng)能力。采用了基于彈簧阻尼模型的穩(wěn)定行走控制器,降低了仿人機(jī)器人足部落地時(shí)的沖擊,提高仿人機(jī)器人復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性。最后,通過(guò)在動(dòng)力學(xué)仿真軟件以及仿人機(jī)器人BHR-5上進(jìn)行步行對(duì)比實(shí)驗(yàn),對(duì)本文所提的基于擴(kuò)展三質(zhì)量模型的全身協(xié)同防滑步態(tài)規(guī)劃方法、基于加速度協(xié)同調(diào)整的防滑控制方法以