仿人机器人的非结构环境自适应运动的理论与方法

A humanoid robot that has human feature can use the tool made for human. It can assist or replace the human to complete the dangerous task. The humanoid robots have huge application prospect, especially in the national defense safety, the accident, the disaster rescue and so on. At present, most humanoid robots have only the movement mode of foot walking, can not decide their own movement mode according to the changes of the environment. They do not have the human like movement like creeping, jumping, and climbing to adapt to the non-structural environment, which restricts the practical process. Thus, this project starts from the perspective of bionics and biomechanics, then establishes of the bones - muscle model of human body in the complex environment, designs a new rigid and flexible hybrid robot bionic drive mechanism to meet a variety of modal motion on the robot joint movement and environment flexible interaction, explores the adaptive motion control in unstructured structural environmentalbased on the reinforcement learning Finally, the motion control theory and methods to adapt to the unstructured environment of humanoid robot will be established to fill the international blank. The project will provide new principles and methods for the bionic institutions, motion control, intelligent decision-making of robot inclusion.

仿人机器人拥有人类外形，能够使用为人类制造的工具，可以辅助或替代人类完成危险的任务，在国防安全、突发事故、灾害救援等方面有巨大的应用前景。目前，大多数仿人机器人只有双足行走的运动方式，无法根据环境的变化智能决策自身的运动模式，不具备通过匍匐、跳跃、攀爬等拟人的运动适应非结构环境的能力，制约了仿人机器人的实用化进程。为此，本项目从仿生学和生物力学的角度出发，建立人体适应复杂环境的骨骼-肌肉模型，揭示人体适应非结构环境的运动机理和生物学特性，结合人体肩、肘、腰、髋、膝、踝等重要关节解剖学构造，分析肌肉协同作业机理和柔顺动态调节的方式、建立全身各关节的驱动拓扑布局和大运动范围协同驱动模型，设计新型刚柔混合的机器人仿生驱动机构，满足多种模态运动对机器人关节大范围运动与环境柔性交互的需求，探索基于加强学习的机器人适应非结构环境运动决策，实现针对不同情况下的机器人的行为决策与动作切换。最终建立一套仿人机器人适应非结构环境的运动控制理论与方法，填补国际空白，为共融机器人仿生机构、运动控制、智能决策提供新原理和新方法。

仿人机器人拥有人类外形，能够使用为人类制造的工具，可以辅助或替代人类完成危险的任务，在国防安全、突发事故、灾害救援等方面有巨大的应用前景。目前，大多数仿人机器人只有双足行走的运动方式，无法根据环境的变化智能决策自身的运动模式，不具备通过匍匐、跳跃、攀爬等拟人的运动适应非结构环境的能力，制约了仿人机器人的实用化进程。因此，本项目针对仿人机器人非结构环境适应能力较弱的问题，围绕仿人机器人的非结构环境自适应运动理论与方法展开研究，具有重要意义。. 本项目取得的主要成果包括：（1）从仿生学和生物力学的角度出发，建立了人体适应复杂环境的肌肉-骨骼模型，分析人体在非结构环境中行走、爬行、摔倒保护等多种运动步态的动力学规律，揭示了人体适应非结构环境的运动机理和生物学特性；（2）分析了肌肉协同作业机理和柔顺动态调节的方式，建立了全身各关节的驱动拓扑布局和大运动范围协同驱动模型，设计了新型刚柔混合的机器人仿生驱动机构，突破了仿生刚柔耦合与多模态运动控制等关键技术，解决了非结构环境未知扰动下仿人机器人平衡保持、摔倒保护等难题；（3）提出基于学习算法的机器人适应非结构环境运动决策方法，实现了针对不同情况下的机器人的行为决策与动作切换，建立了一套仿人机器人适应非结构环境的运动控制理论与方法。. 本项目的研究成果填补了国际空白，为共融机器人的仿生机构、运动控制、智能决策等提供了新原理和新方法。在IEEE汇刊及IEEE-IROS国际会议等期刊和会议上发表学术论文40篇，其中SCI论文16篇，EI论文24篇，申请/授权发明专利50项。本项目成果获国家技术发明二等奖及教育部技术发明一等奖（本项目负责人为第一完成人）。