基于离散COP切换的两足机器人三维步行控制方法

国内外现有的三维步行机器人均没有实现纵向面和侧向面协调的基于被动动力学的运动，因此还不是真正意义上的三维基于被动动力学的步行机器人。本项目以研究三维基于被动动力学的步行机理和方法，实现机动、高效的三维步行为目标。首先通过生物力学方法，揭示人类在步行中控制COP的方法；其次，结合人类步行机理和人工材料、驱动器件的特点，以基于COP切换的步行理论为核心，在机构学、三维协调机理、步行控制方法等方面展开研究；第三，以稳定、机动三维步行控制为目标，研究步行控制器设计方法。在上述研究基础上，通过仿真反复优化机构和控制方法，集成展示机动、高效的两足步行，并研制样机。项目如果实现期望目标，将建立一个系统的、可实现的三维基于被动动力学步行的理论体系，为研制机动、高效的步行机器人样机或助力步行装置打下基础。

研制高效、高灵活性的两足步行机理和机器人是一个有科学价值和应用前景的方向。本项目把仿生学、被动动态步行等机理应用在两足步行机器人上，研究了步行机理、控制方法和关键技术。项目的成果可以归纳为机器人步行理论和关键技术两个方面。.在理论方面，建立了一套基于被动动力学的机器人步行控制方法。首先，通过分析仿生要素，提出了基于COP控制的三维步行基本模式。具体表述为：在纵向面采用两点足式的步态（COP两点切换），在侧向面通过规划摆动腿的着地点和控制支撑脚下的COP位置实现侧向平衡。利用简化模型，研究了三维步行的稳定性；其次，提出了基于纵向面和侧向面分解的三维步行机器人步行控制方法。建立了一套从基于二维简化模型的步态规划出发，逐步添加机器人步行中的运动学约束，最终扩展成为完全的、三维机器人步态的规划算法；再次，建立了一套高仿真度的三维步行仿真软件，并利用该软件验证和改进所提出的步行控制方法。目前为止，实现了最高速度达到3.6km/h的三维步行，步态自然、流畅、效率高。此外研究了适用于机器人动态步行的速度控制方法，仿真显示速度调节平稳、精度高。.针对本研究提出的步行模式，研究了若干的关键技术。首先，开展了二维步行机器人实验工作，验证了纵向面步态的可行性。自行研制了5个内部自由度的二维机器人实验平台、基于CAN总线的传感和控制网络、多模式关节驱动器以及适合于安装在机器人上的姿态和力传感器。实验研究完成了基于两点足式步态的机器人静态步行。但由于驱动技术的局限性，尚无法实现基于COP切换的动态步行；其次，根据三维动态步行的要求，研制了若干关键器件和系统，包括三维机器人的传感和控制网络、带传感模块的旋转液压关节、紧凑型的三维姿态传感器等，为后续研制三维机器人样机建立了基础。.项目执行期间，发表学术论文5篇，其中SCI检索2篇，EI检索2篇，还有一些成果正在发表中；申请和授权发明专利3项；培养研究生7名，另外还有3名研究生即将毕业；开展了一些与国际同行的交流活动；项目经费决算和预算相符。综上所述，项目的总体上完成了计划书的各项要求。