随着仿人机器人硬件水平的不断提高,仿人机器人的研究领域不断被拓宽和深入,已经成为了机器人学研究中最受瞩目的课题之一。其中,双足机器人直立行走的步态规划是仿人机器人技术的基础和重点。针对双足机器人的关节具有较大灵活性的特点,实现机器人爬楼梯,走斜坡等复杂动作成为仿人机器人步态规划研究中新的课题。 本文以复杂的楼梯环境为研究背景,提出了一种基于多目标寻优的双足机器人爬楼梯步态规划的新方法。文中以这种方法为主线,以双足机器人和楼梯环境为研究对象进行了如下工作与分析。 首先,本文以广东省科学中心展项工程“开放实验室机器人”项目的华南理工大学第一代仿人机器人,型号SCUT-I,为研究对象,通过对其机械结构的分析,建立了仿人机器人简化模型,其中在视觉方向上建立前向模型,在其垂直方向上建立侧向模型。在SCUT-I机器人简化模型基础上,进行正运动学分析和逆运动学求解。同时,通过动量,角动量以及零力矩点的定义,建立了包括速度、加速度等“多阶”运动信息的机器人ZMP稳定平衡方程,为SCUT-I机器人实现稳定、快速行走提供运动学和动力学的控制基础。 其次,建立机器人攀爬的楼梯模型,并对该模型进行数学描述以及确定SCUT-I机器人在楼梯模型中的位姿模式,包括起始姿态、中间姿态与停止姿态,从中建立起机器人与楼梯模型之间的空间位置关系；接着进一步分析机器人在楼梯模型中的状态及机器人各个关节的空间可行域,建立机器人爬楼梯的约束方程。在这个基础上,进行机器人爬楼梯的步态周期规划。为了进一步满足周期规划中时间和空间的约束,文中模拟人类爬楼梯的行为,进行关键点规划,借助三次多项式插值的方法规划出机器人爬楼梯过程中摆动腿的髋关节和踝关节的时空关系曲线；然后通过各个关节的运动轨迹计算出机器人爬楼梯过程中各个时刻的关节角度,实现关节控制,最终保证机器人按规划的轨迹顺利攀爬。 再次,为了进一步保证机器人在爬楼梯过程中的稳定性,文中提出了基于ZMP的稳定性判定方法,以及为了保证能量消耗尽量少,提出了能量消耗判定方法。由此,文中建立了多目标控制器,用于协调各个控制目标对机器人步态规划的影响。 最后,文中提出了SCUT-I机器人爬楼梯控制器的设计框架,建立了机器人步态参数优化器,其中重点阐述了多目标优化的表示方法,分析了优化控制器的数学实质,并将该优化过程转化为一个带约束条件的极小值问题的求解过程。考虑到遗传算法在多目标优化过程中的易用性和可靠性,文中利用遗传算法进行极小值问题的求解,通过多次迭代,成功找到问题的最优解,最终规划出机器人在爬楼梯过程中各个关节的运动曲线以及关节角度的时间控制曲线,使SCUT-I机器人顺利完成了爬楼梯任务。