双足机器人拟人步态规划与稳定性研究

论文摘要

双足机器人具有较高地避障行走能力，能够实现在各种不同复杂地面上行走，在仿人双足机器人技术产业发展中具有广阔的应用前景。研究双足机器人拟人步态，使其实现稳定、快速、拟人行走，具有重要的理论意义和实用价值。本文研究了仿生机构的双足机器人稳定拟人行走步态的关键技术，主要通过研制仿生机构的双足机器人，深入研究双足行走步态稳定性、拟人步态规划与控制方法等。本文分析了人的下肢机构自由度分配及关节驱动方式，设计了具有14自由度仿生机构的双足机器人HEUBR 1。基于人的踝关节运动机理，设计了一种二自由度空间并联机构，应用于双足机器人踝关节设计中。针对串联踝关节运动的不平衡性，优化设计了双足机器人并联踝关节机构，使双足机器人并联踝关节的运动速度和驱动功率峰值均较为平稳，通过在ADAMS中仿真实验，研究优化后并联踝关节的运动性能。分析了零力矩点(ZMP，Zero Moment Point)、压力中心点(COP，Center Of Pressure)的相互关系，得到了在双足机器人与水平地面无粘性力和无吸附力作用下双足机器人的ZMP即为COP的结论。针对拟人步态中支撑面的多种变化，提出了支撑区域描述方法，实现对多点接触时支撑多边形的区域描述；结合ZMP／COP、COG在支撑面内的位置，提出了基于ZMP／COP、COG的综合稳定性判据，通过仿真分析表明比传统的ZMP稳定性判据更能准确地评价步态的稳定性。分析了人的多种行走步态，提出了双足机器人按不同行走速度下的六种步态形式，研究了六种步态的膝关节转角、角速度、驱动力矩、足底支撑面变化及稳定裕度，分析六种步态对应的行走能耗比关系，比较了各种步态的优缺点及适用范围。针对传统的双足机器人采用无足趾屈膝步态行走，提出拟人步态规划方法，在空间三个平面上规划关键步态参数，采用三次样条拟合方法得到对应参数下的连续轨迹。通过调整腿长和足部角度参数可模拟人的多种行走步态，调整关键姿态下踝关节角度参数，能够保证双足机器人稳定行走。分析了传统精确跟踪COG轨迹和ZMP轨迹等步态控制方法，结合人在行走时ZMP平稳移动的特性，提出了一种移动可伸缩倒立摆模型，在约束平面内分析ZMP与COG的运动关系。提出无需精确跟踪期望的ZMP轨迹，但应在有效稳定范围内主动调整ZMP实现对COG轨迹跟踪的控制策略。提出了采用移动可伸缩倒立摆模型中伸缩杆驱动力补偿多杆模型中关节驱动力矩，实现了步态补偿控制。在双足机器人HEUBR 1样机的实验平台上，实现不同步幅下多种步态的稳定行走，比较了三种步态膝关节角度、角速度、驱动力矩、足趾关节转角变化，以及足底压力值、步态的稳定裕度，实验表明了二自由度并联踝关节运动性能的改善，步态的综合稳定性判据的准确性，验证了拟人步态规划与控制方法的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 相关领域国内外发展概况
• 1.2.1 仿人双足机器人研究现状
• 1.2.2 双足机器人步态稳定性评估方法
• 1.2.3 双足机器人步态规划方法
• 1.2.4 双足机器人步态控制方法
• 1.3 本文研究内容
• 第2章 双足机器人仿生机构设计与优化
• 2.1 引言
• 2.2 人体下肢的机构分析
• 2.2.1 人体下肢骨骼分析
• 2.2.2 人体下肢肌肉分析
• 2.3 双足机器人仿生机构设计
• 2.4 双足机器人仿生踝关节机构优化
• 2.4.1 二自由度空间并联机构运动学分析
• 2.4.2 二自由度空间并联踝关节机构优化
• 2.5 本章小结
• 第3章 双足机器人步态稳定性研究
• 3.1 引言
• 3.2 双足机器人ZMP/COP分析
• 3.3 步态稳定性研究
• 3.3.1 支撑区域描述
• 3.3.2 综合稳定性判据定义
• 3.4 双足机器人步态稳定性仿真
• 3.4.1 仿真模型建立
• 3.4.2 双足机器人步态稳定性评估
• 3.5 本章小结
• 第4章 双足机器人拟人步态规划及性能分析
• 4.1 引言
• 4.2 人的行走步态分析
• 4.3 双足机器人拟人步态的规划方法
• 4.4 拟人步态仿真
• 4.5 本章小结
• 第5章 双足机器人步态控制研究
• 5.1 引言
• 5.2 移动可伸缩倒立摆三维模型
• 5.2.1 移动可伸缩倒立摆三维模型建模
• 5.2.2 移动可伸缩倒立摆三维模型运动分析
• 5.3 双足机器人步态控制策略
• 5.3.1 多杆模型的运动学分析
• 5.3.2 基于移动可伸缩倒立摆步态补偿控制策略
• 5.4 双足机器人步态控制仿真
• 5.5 本章小结
• 1步态实验研究'>第6章 双足机器人HEUBR₁步态实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验系统
• 6.2.1 电机和传动元件
• 6.2.2 主控器型号
• 6.2.3 驱动器
• 6.2.4 PC机控制界面工具
• 6.2.5 足底压力传感器检测系统
• 6.2.6 控制系统结构
• 6.3 双足机器人HEUBR 1行走实验研究
• 6.4 仿生机构的并联踝关节运动实验分析
• 6.5 步态稳定性检测实验
• 6.6 拟人步态控制实验
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢