如何實現(xiàn)雙足步行機器人系統(tǒng)設(shè)計與運動控制及虛擬現(xiàn)實的仿真研究

　　雙足步行機器人是一種仿人機器人，是移動式機器人領(lǐng)域中一類重要的仿生系統(tǒng)。雙足步行機器人作為一種移動式機器人，它與輪式，履帶式機器人相比有許多優(yōu)點與優(yōu)越性。由于雙足步行機器人的行走具有獨特的適應(yīng)性和擬人性，其行走控制成為當(dāng)今研究的熱點。步行運動模式與運動控制是影響雙足步行機器人技術(shù)進(jìn)步的重要問題，也是雙足步行機器人成功而有效地實現(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)實的實驗環(huán)境中實現(xiàn)了機器人以給定步行模式的行走。主要內(nèi)容如下： ⑴對雙足步行機器人的動力學(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器人步行模式生成的簡化模型。設(shè)計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，本文采用了七次多項式插值，分兩階段對具有雙腳支撐期的步行運動的腰部運動軌跡進(jìn)行規(guī)劃，實現(xiàn)了期望的運動模式。 ⑵針對雙足步行機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的機器人逆運動學(xué)控制方法。機器人腿部正運動學(xué)模型采用Denavit-Hartenberg方法進(jìn)行建模，在建立雙足步行機器人正運動學(xué)模型基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于CMAC的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用兩個CMAC直接控制機器人的腿部運動。兩個CMAC逆模型控制器分別逼近步行機器人支撐腿與擺動腿的逆模型，實現(xiàn)了對腰部運動軌跡的跟蹤控制。 ⑶采用Open Dynamics Engine（ODE）作為雙足步行機器人虛擬現(xiàn)實仿真實驗的動力學(xué)計算引擎，在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中建立雙足步行機器人的可視化模型，以仿真環(huán)境中的雙足步行機器人模型為控制對象，通過對機器人腿部各個虛擬關(guān)節(jié)電機進(jìn)行角度伺服控制，并對足底ZMP進(jìn)行檢測，實現(xiàn)了雙足步行機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，停止等幾個階段。仿真實驗結(jié)果驗證了基于平面倒立擺線性化模型的雙足步行機器人步行模式的有效性。

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