● 摘要
目前，仿人机器人已成功行走于平整地面、斜坡、楼梯等理想规则地形，但是要想仿人机器人代替人类工作于核电站、太空，矿井等危害人类身心健康的复杂环境中，必须提高其凹凸不平地面环境行走的适应性和灵活性。研究适用于不平整地面的仿人机器人机构及控制方法，是目前机器人领域的一个非常重要的课题。实现在大范围三维不平整地面的环境中作业，将大大拓宽人类的活动空间，其研究成果具有重大的实用价值和广阔的应用前景。传统的刚性、平板足部机构，不具备适应于不平整地面的功能和特性，在行走过程，因其与环境模型的不匹配，导致稳定裕度降低，甚至行走失败；现有步态算法的针对不平整地面的适应性也存在不足，大多研究机构采用离线规划+简单在线调整的方式，具有一定滞后性，往往因地面对足底的连续冲击，造成姿态扭曲，甚至行走失败。本文针对目前仿人机器人技术在不平整地面行走存在的上述问题，作了以下几方面的研究工作：（1）将具备适应地面三维形貌能力的创新柔性足部系统作为实现三维不平整地面稳定行走的研究基础，为仿人机器人的三维不平整地面行走提供可靠的支撑；本文从仿生结构角度出发，对适应于不平整地面行走的新型柔性足部系统进行了详细分析和研究，论述新型柔性足部系统设计原则，提出8自由度柔性足部系统，从根本上解决了不平整地面行走过程中仿人机器人足底与地面环境不匹配导致稳定裕度下降的问题；讨论驱动形式对机器人运动性能的影响，设计出能够充分利用机器人动力学特性的创新柔性驱动机构，优化和提高步行稳定性；给出柔性足屈/伸关节及翻转运动的实现技术和参数设计原则，并讨论其在实际不平整地面适应性，从机构上为仿人机器人不平整地面行走提供新的有效解决办法。（2）从人类运动机理出发，分析仿人机器人在三维不平整地面环境下运动特征，将前向和侧向运动统一建模，利用修正的D-H方法，进行仿人机器人正运动学分析和逆运动学计算；从全局的角度建立了双足步行的整体动力学模型，在推导出仿人机器人在单腿支撑期和双腿支撑期离散子系统的动力学模型的基础上，给出了各离散子系统间的切换条件。（3）提出了适用于不平整地面环境的仿人机器人行走实时步态规划方法。该方法在分析了不平整地面稳定行走综合步行约束条件的基础上，提出了基于摆动腿三维运动姿态的多级三维倒立摆模型的在线质心轨迹规划，并基于质心速度对落地位置进行实时规划以稳定仿人机器人行走速度，在仿人机器人BHBIP上进行了实验验证，实现了稳定行走，验证了所提出方法的有效性，为仿人机器人不平整地面行走实时运动规划提供了新的解决办法。（4）从影响仿人机器人不平整地面稳定行走的关键因素出发，提出了仿人机器人不平整地面行走控制策略。提出了基于柔性足的触地过程控制，通过调整柔性足姿态，有效地减少了地面不平整对仿人机器人整体姿态及稳定性影响；并根据足部小系统的姿态变化，优化整体姿态，提出了不平整地面躯干姿态控制和基于扩展ZMP的稳定控制方法，仿真验证了不平整地面行走控制策略的环境适应性，成功实现了不平整地面稳定行走。在以上研究基础上，自主研制了仿人机器人BHBIP和柔性足仿人机器人BHBIP-2及其控制系统，并实现了实际不平整地面的稳定行走。该项成果在北京青年创新博览会展出，经过现场展示与实际考核，验证了具备柔性足部的仿人机器人样机及不平整地面实时步态规划及控制算法的有效性和实用性。