1、非規(guī)則運(yùn)動是指參與運(yùn)動的自由度數(shù)目較多、約束條件復(fù)雜且運(yùn)動過程具有非周期性和隨機(jī)性等特點(diǎn)的運(yùn)動。它是類人機(jī)器人研究領(lǐng)域中的一個前沿應(yīng)用課題，在康復(fù)醫(yī)療、家庭服務(wù)、星際探險、體育娛樂等領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用前景。相對周期性的步行運(yùn)動而言，類人機(jī)器人實(shí)現(xiàn)非規(guī)則運(yùn)動所遇到的最大挑戰(zhàn)在于其適應(yīng)性，包括任務(wù)的適應(yīng)性和環(huán)境的適應(yīng)性。因此，如何面對給定任務(wù)和環(huán)境而保持或提高機(jī)器人的運(yùn)動能力顯得至關(guān)重要，其關(guān)鍵就是如何進(jìn)行運(yùn)動規(guī)劃和控制。類人機(jī)器人是一

2、個多變量、強(qiáng)耦合、非線性和變結(jié)構(gòu)的復(fù)雜動力學(xué)系統(tǒng)，其變結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性和產(chǎn)生穩(wěn)定運(yùn)動所需解決的動態(tài)平衡問題，對于控制理論和動力學(xué)問題的研究來說具有很大的挑戰(zhàn)性。本文以提高類人機(jī)器人的運(yùn)動能力為出發(fā)點(diǎn)，對類人機(jī)器人非規(guī)則運(yùn)動的動力學(xué)建模、運(yùn)動規(guī)劃及抗干擾控制方法等關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究，提出了一些新的方法并做了大量的仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。主要工作及貢獻(xiàn)如下： 1)本文針對類人機(jī)器人非規(guī)則運(yùn)動的特點(diǎn)，分析了非規(guī)則運(yùn)動在類人機(jī)器人動力學(xué)建模中所存

3、在的主要問題及其解決方法。介紹了利用Kane方程對非規(guī)則運(yùn)動中簡單非完整約束問題進(jìn)行求解的主要過程，給出了非完整偏速度和偏角速度以及非完整廣義主動力和慣性力的推導(dǎo)過程，并說明了非完整系統(tǒng)與完整系統(tǒng)在建模過程中的聯(lián)系與區(qū)別。類人機(jī)器人運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)方程的建立，不僅可以用來計(jì)算關(guān)節(jié)運(yùn)動的驅(qū)動力矩，還為步態(tài)和非步態(tài)運(yùn)動規(guī)劃提供了重要依據(jù)。 2)在非規(guī)則運(yùn)動規(guī)劃中，本文提出了基于狀態(tài)轉(zhuǎn)換的運(yùn)動規(guī)劃方法，即根據(jù)給定任務(wù)的關(guān)鍵運(yùn)動狀態(tài)為類人

4、機(jī)器人生成滿足動力學(xué)約束要求的、穩(wěn)定的運(yùn)動軌跡。該方法通過建立類人機(jī)器人運(yùn)動的狀態(tài)空間，將連續(xù)的運(yùn)動采用離散的狀態(tài)來表示，再通過相鄰狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換(即狀態(tài)轉(zhuǎn)換)來實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的非規(guī)則運(yùn)動。其中關(guān)鍵運(yùn)動狀態(tài)的獲取是狀態(tài)轉(zhuǎn)換運(yùn)動規(guī)劃方法的基本要素之一。為了替代傳統(tǒng)的HMCD運(yùn)動數(shù)據(jù)獲取方法，本文基于遺傳算法提出了一種新的狀態(tài)生成方法，該方法可以在沒有任何參考運(yùn)動數(shù)據(jù)的條件下，通過自由指定各種約束條件，生成穩(wěn)定的且滿足約束條件要求的機(jī)器人運(yùn)動

5、狀態(tài)。與HMCD法相比，該方法是一種更為直接、有效的運(yùn)動狀態(tài)生成方法，極大地提高了類人機(jī)器人非規(guī)則運(yùn)動數(shù)據(jù)的獲取效率。另外在狀態(tài)轉(zhuǎn)換運(yùn)動規(guī)劃中，狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程可以劃分為狀態(tài)內(nèi)轉(zhuǎn)換和狀態(tài)間轉(zhuǎn)換，通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換的識別對其加以區(qū)分。在狀態(tài)轉(zhuǎn)換識別方法上，本文提出了接觸點(diǎn)集合的概念，對接觸狀態(tài)的變化進(jìn)行邏輯上的表達(dá)；再結(jié)合接觸點(diǎn)集合的變化情況，通過設(shè)定接觸力閥值來實(shí)現(xiàn)對狀態(tài)轉(zhuǎn)換的識別。 3)根據(jù)給定的狀態(tài)轉(zhuǎn)換軌跡進(jìn)行局部的跟蹤控制，是本文實(shí)

6、現(xiàn)類人機(jī)器人非規(guī)則運(yùn)動的另一個重要研究內(nèi)容。本文針對運(yùn)動中受小幅外力干擾作用的情況，對類人機(jī)器人軌跡跟蹤的抗干擾控制方法進(jìn)行了研究。提出了利用逆動力學(xué)控制和ZMP平面的加速度映射相結(jié)合的抗干擾策略，在對運(yùn)動軌跡進(jìn)行精確跟蹤的同時保證系統(tǒng)整體的動態(tài)平衡性，解決了經(jīng)典軌跡跟蹤控制方法在抗干擾及穩(wěn)定性保持等方面的不足。 4)為驗(yàn)證本文所提出方法的有效性，分別構(gòu)建了非規(guī)則運(yùn)動規(guī)劃與抗干擾控制算法的實(shí)驗(yàn)平臺，詳細(xì)地介紹了運(yùn)動生成和運(yùn)動執(zhí)行