如何實(shí)現(xiàn)雙足步行機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)控制及虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真研究

　　雙足步行機(jī)器人是一種仿人機(jī)器人，是移動(dòng)式機(jī)器人領(lǐng)域中一類重要的仿生系統(tǒng)。雙足步行機(jī)器人作為一種移動(dòng)式機(jī)器人，它與輪式，履帶式機(jī)器人相比有許多優(yōu)點(diǎn)與優(yōu)越性。由于雙足步行機(jī)器人的行走具有獨(dú)特的適應(yīng)性和擬人性，其行走控制成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。步行運(yùn)動(dòng)模式與運(yùn)動(dòng)控制是影響雙足步行機(jī)器人技術(shù)進(jìn)步的重要問題，也是雙足步行機(jī)器人成功而有效地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定步行的理論基礎(chǔ)和技術(shù)關(guān)鍵。本文針對雙足步行機(jī)器人步行模式生成與步行控制相關(guān)問題進(jìn)行了研究，并在虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人以給定步行模式的行走。主要內(nèi)容如下： ⑴對雙足步行機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了簡化，采用平面倒立擺的線性化模型作為雙足步行機(jī)器人步行模式生成的簡化模型。設(shè)計(jì)了基于倒立擺線性化模型步行模式生成算法，對雙足步行機(jī)器人前向行走，側(cè)向行走與拐彎行走的腰部重心位置軌跡與速度軌跡進(jìn)行了規(guī)劃。對于雙足步行具有雙腳作支撐期的特點(diǎn)，本文采用了七次多項(xiàng)式插值，分兩階段對具有雙腳支撐期的步行運(yùn)動(dòng)的腰部運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)了期望的運(yùn)動(dòng)模式。 ⑵針對雙足步行機(jī)器人腿部逆模型求解問題，提出一種基于小腦模型連接控制網(wǎng)絡(luò)CMAC的機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)控制方法。機(jī)器人腿部正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型采用Denavit-Hartenberg方法進(jìn)行建模，在建立雙足步行機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于CMAC的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用兩個(gè)CMAC直接控制機(jī)器人的腿部運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)CMAC逆模型控制器分別逼近步行機(jī)器人支撐腿與擺動(dòng)腿的逆模型，實(shí)現(xiàn)了對腰部運(yùn)動(dòng)軌跡的跟蹤控制。 ⑶采用Open Dynamics Engine（ODE）作為雙足步行機(jī)器人虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算引擎，在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中建立雙足步行機(jī)器人的可視化模型，以仿真環(huán)境中的雙足步行機(jī)器人模型為控制對象，通過對機(jī)器人腿部各個(gè)虛擬關(guān)節(jié)電機(jī)進(jìn)行角度伺服控制，并對足底ZMP進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)了雙足步行機(jī)器人前向行走過程的完整步行模式。包括前向站立，預(yù)備，起步，行走，停止等幾個(gè)階段。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了基于平面倒立擺線性化模型的雙足步行機(jī)器人步行模式的有效性。

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