基于全局动态非结构化人居环境感知的仿人机器人足迹规划研究

To realize biped walking in complicated non-structured human-living environments is an important objective of humanoid robotics research. Existing biped walking approaches are not feasible in the above environments because they consider only local of or even no environment constraints. Sampling-based footstep planning is a path planning approach for humanoid robots considering global environment information, thus is an effective method to resolve the above problem. Previously, our group has realized footstep planning in static environments. We are now proposing to study the footstep planning in complicated non-structed dynamic environment. The following tasks will be conducted in our study. (1) An omni vision system will be constructed to obtain the simultaneous three-dimensional digital map of the dynamic environment, which will be used as input of the footstep planner. (2) Footstep planning method for dynamic environments will be studied. A hybrid footstep planner including an online swtich mechanism for selecting apporiate planner in different environments and exception handler will be constructed. (3) Besides simulation validation, a physical humanoid robot will be designed to test and validate the above system and methods in typical dynamic human-living environments. The Objective of our study is to realized humanoid biped walking in dynamic human-living environment, which is a fundamental issue for humanoid robots to serve in popular family in the near future.

实现在复杂非结构化的人居环境中的运动是仿人机器人学研究的重要目标。已有的仿人机器人运动规划方法通常在无环境约束或局部环境约束下进行，难以适用。基于采样的足迹规划是考虑全局环境信息的仿人机器人路径规划，是解决上述问题的有效方法。本课题组在前期研究中已经实现了在静态环境中的足迹规划，本课题拟在此基础上开展动态复杂非结构化环境中的足迹规划研究。主要研究内容有：（1）建立用于人居环境感知的全景视觉系统，构建同步三维数字地图，作为足迹规划器的实时输入；(2)建立用于动态环境的实时滚动足迹规划方法,设计包含基于在线环境评估进行多类足迹规划器优化切换的机制和规划异常处理机制的混杂足迹规划器。(3) 进行仿真实验，并建立仿人机器人物理平台，在典型动态人居环境中对上述系统和关键理论与技术进行验证。本研究的目标是实现仿人机器人在动态人居环境中的运动，为仿人机器人在不久的将来进入普通百姓家庭服务奠定基础。

实现在复杂非结构化人居环境中的运动是仿人机器人研究的核心目标之一，是实现机器人其他功能的基础，也是仿人机器人学向更高层面发展中要解决的必然科学问题。而足迹规划是仿人机器人的全局路径规划，是仿人机器人运动规划的上层规划任务，是实现机器人在复杂非结构化人居环境中运动必需解决的问题。本课题以实现仿人机器人在复杂非结构化的动态人居环境中的运动为目标，建立包含动态环境获取、实时滚动足迹规划以及混杂足迹规划器切换机制和异常处理机制的仿人机器人运动规划系统。针对足迹规划对全局地图信息的要求，引入全局视觉数字地图系统，实现了环境信息的数字地图实时重构。针对非结构化环境中的动态足迹规划，提出了基于RGB-D信息的仿人机器人双足实时定位方法；基于视觉信息的仿人机器人足迹规划框架，建立了一个复合复杂环境的足迹规划模型；基于CPG控制方法，建立了仿人机器人CPG网络控制模型，完成了机器人在不同地面环境下的稳定运动。针对仿人机器人足迹规划中的异常，引入了在线环境评估和异常处理机制，增强了足迹规划的鲁棒性。课题建立了可用于复杂人居环境下仿人机器人运动规划与控制研究的仿真和物理样机平台；课题在国内外学术期刊和国际会议上发表论文11篇，其中国际期刊论文2篇，申请发明专利1项，培养研究生4名。综上所述，本项目完成了原计划的研究内容和指标。未来的时代，必定是机器人走进千家万户的时代，“一个家庭，一个机器人”的愿景对仿人机器人学研究提出了更高的要求，本项研究解决了仿人机器人在上述环境中的步行运动规划问题，为仿人机器人在人居环境中的应用提供了理论基础、技术支持和原型验证，为仿人机器人进入普通百姓家庭奠定技术基础。