四足步行机器人协调运动及控制的研究

论文摘要

四足步行机器人运动的灵活性较高,并且对不平坦地面的适应能力较强,因此它具有非常广阔的应用前景,越来越受到人们的重视。目前,多数四足步行机器人普遍存在行走速度较慢、运动控制时能量消耗较大等问题,其主要原因是由四足步行机器人的协调运动机制及其控制系统结构所引起的。为此,本文将针对四足步行机器人的行走步态与关节运动的协调机制和机器人的运动控制方式等问题展开研究。首先,介绍四足步行机器人的发展与现状,指出目前四足步行机器人在运动时存在的问题,论述课题的主要研究内容,在分析四足步行机器人机构特征的基础上建立数学模型,并对其进行运动学计算,推导机器人在行走时的各个关节转角的计算方法,分析机器人的运动位置及其工作空间。其次,介绍机器人步态的相关概念,分析四足步行机器人的静态稳定性,并由此规划了机器人的协调的、稳定的行走步态,然后在步态协调的基础上分析机器人运动时的能量消耗问题,对四足步行机器人多个关节间的协调运动进行研究,设计了能量消耗最小的多关节协调运动的控制方法。再次,分析四足步行机器人运动控制系统的总体要求,由此设计了基于ARM(Advanced RISC Machines)的分层递阶式机器人控制系统,完成了控制系统的总体设计,并对控制系统的硬件电路和软件流程进行详细设计。最后,在Matlab环境中对四足步行机器人进行运动仿真,获得一系列重要的实验结果,验证设计方案和控制策略的有效性,然后对课题研究进行总结,指出取得的成果和存在的不足,并对后期的研究和应用做出展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 四足机器人技术综述
• 1.2.1 国外四足机器人发展现状
• 1.2.2 国内四足机器人发展现状
• 1.3 存在的主要问题分析
• 1.4 本文的主要研究内容
• 1.5 论文的结构安排
• 第2章 四足步行机器人机构设计与运动学分析
• 2.1 引言
• 2.2 四足步行机器人的机构设计
• 2.2.1 足式机器人机构设计概述
• 2.2.2 四足步行机器人机构设计
• 2.3 四足步行机器人的运动学计算
• 2.3.1 单腿机构的逆运动学计算
• 2.3.2 四足步行机器人的逆运动学计算
• 2.4 四足步行机器人的工作空间求解
• 2.4.1 机器人工作空间定义
• 2.4.2 工作空间求解步骤
• 2.5 本章小结
• 第3章 四足步行机器人步态协调规划与关节协调控制
• 3.1 引言
• 3.2 四足步行机器人步态规划分析
• 3.2.1 步态的相关概念
• 3.2.2 四足步行机器人的步态分析
• 3.3 四足步行机器人的稳定性计算
• 3.3.1 静态稳定性的数学描述
• 3.3.2 四足步行机器人静态稳定性计算
• 3.4 四足步行机器人的协调步态规划
• 3.4.1 直行步态协调规划
• 3.4.2 转向步态协调规划
• 3.4.3 足端的轨迹确定
• 3.4.4 协调步态的实现过程
• 3.5 四足步行机器人关节运动的耗能分析
• 3.5.1 机器人关节运动控制流程
• 3.5.2 机器人运动耗能分析
• 3.6 四足步行机器人能量最小消耗的关节协调运动控制
• 3.6.1 多关节协调运动的控制算法
• 3.6.2 能量最优的梯形升降速算法
• 3.7 本章小结
• 第4章 四足步行机器人运动控制系统设计
• 4.1 引言
• 4.2 控制系统总体设计
• 4.2.1 控制系统设计的总体思想
• 4.2.2 分层递阶式控制系统设计
• 4.3 运动控制系统的硬件设计
• 4.3.1 躯体控制模块硬件设计
• 4.3.2 关节运动控制模块硬件设计
• 4.4 运动控制系统的软件设计
• 4.4.1 躯体控制模块软件设计
• 4.4.2 关节运动控制模块软件设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 四足步行机器人运动仿真实验与结论
• 5.1 引言
• 5.2 四足步行机器人运动控制规律
• 5.3 机器人的运动仿真分析
• 5.3.1 Matlab 中机器人工具箱的应用
• 5.3.2 仿真分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介