基于生物感知和反射机理的仿人机器人步行运动控制与环境适应性研究

实现仿人机器人在复杂环境中的运动，特别是实现主动仿人机器人对非结构环境的适应能力，是仿人机器人研究的核心目标之一。本课题拟从生物学角度出发，通过对人类行走过程的生物感知与反射机理进行研究：1) 建立机器人感知、反射与运动之间的映射关系，构建仿人机器人步行神经网络；2）从离线步态的在线调整和在线步态的实时生成两个方面，提出基于脊髓层生物感知和反射机理的步行控制方法；3）模仿人类高级中枢层对行走的调节机制，研究合适的在线学习算法，提高仿人机器人在未知环境下的适应能力；4）构建仿人机器人仿真和实验系统，对所提出方法的有效性和环境适应能力进行验证。

进入人类生活环境并与人类和谐共处是仿人机器人研究的最终目标。实现仿人机器人在复杂环境中的运动，特别是实现主动仿人机器人对非结构环境的适应能力，是仿人机器人研究的核心目标之一。本研究针对非结构环境中的步行运动，从生物学角度出发，通过对人类行走过程的生物感知与反射机理进行研究，提出了基于生物感知和反射机理的仿人机器人步行运动控制方法，主要工作及贡献有：.1. 建立了仿人机器人三维环境下的运动学模型、约束动力学模型和地面接触模型；.2. 建立机器人感知、反射与运动之间的映射关系，给出机器人传感反射的定义； .3. 针对仿人机器人离线步态在非结构环境下的应用，通过建立仿人机器人姿态空间和传感器空间到关节轨迹空间的直接映射关系，给出了一种考虑步行物理约束的基于传感反射的离线步行控制方法。该方法通过引入了ZMP反射、FRI反射、落足点不平反射、躯干姿态反射以及地面坡度反射，实现了行走过程中躯干受冲击和地面不平情况下的稳定行走。.4. 从人类步行运动产生机理出发，提出了一种基于传感反射的在线步态生成和控制方法，并分析和讨论了所生成步态的姿态稳定性、抗扰性和能耗性，同时利用高级中枢层的控制策略，实现了非结构环境中的应用，仿人机器人行走过程中跨越障碍物和行走过程中踢球的仿真实验证明了该方法的有效性和环境适应能力。.5.构建仿人机器人仿真和实验系统，对所提出方法的有效性和环境适应能力进行验证。