四足机器人步态规划与运动控制研究

论文摘要

机器人技术是一门交叉学科,它涉及到电子学、力学、机械学、生物学、系统工程、计算机、人工智能等学科知识。四足机器人与二足机器人相比有较好的平稳性,又避免了六足机器人机构的冗余和复杂性,既能以静态步行方式实现不平地面及复杂地形上的行走,又能以动态步行方式实现高速行走,在工厂自动化、建筑、采矿、排险、军事、服务、农业等方面也有广泛的应用前景,进行该方面的研究具有重要的实际应用价值及社会意义。本文以四足机器人为研究对象,对四足机器人的步态规划及稳定性进行了分析,并设计了分层递阶结构的控制系统,采用了BP神经网络算法对四足机器人进行运动规划。本文的研究内容主要有以下几个方面：1.研究了四足机器人常见的四种步态：爬行步态、对角小跑步态、溜蹄步态和跳跃步态,并对各种步态的时序进行了分析。采用了稳定裕度的方法对四足机器人的静态稳定性进行了分析和计算,为四足机器人的结构设计和改进提供了依据。2.设计了分层递阶结构的四足机器人运动控制系统硬件结构,该控制系统共分三层,分别为控制级、组织级和执行级。整个控制系统由PC、工控机、运动控制卡、数据采集卡和传感器组成。该系统是一种开放性系统,具有很好的可扩展性和可维护性,缩短了系统的开发周期。3.采用了BP神经网络的智能算法对四足机器人进行运动控制,并通过Matlab对算法进行了仿真。在程序设计上采用了VC++和Matlab混合编程的方法,提高了编程效率。4.通过四足机器人的步行实验,对BP神经网络的控制算法进行了验证,实验结果表明BP神经网络算法具有很好的自学习和自适应性,具有一定的智能性,在四足机器人的运动控制中是可行的,为进一步深入研究四足机器人的控制规律提供了硬件和理论基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 课题研究目的、理论意义和实际应用价值
• 1.3 运动控制方法的国内外研究现状
• 1.4 主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 2 四足机器人的步态规划及稳定性分析
• 2.1 四足机器人的本体结构介绍
• 2.2 四足机器人的步态规划
• 2.3 步态的稳定性判据
• 2.4 步态的稳定性分析
• 2.5 本章小结
• 3 四足机器人的控制系统硬件设计
• 3.1 控制系统的硬件结构
• 3.2 控制系统的组成
• 3.3 步进电机及驱动器与运动控制卡的接口设计
• 3.4 通信接口
• 3.5 电源及其抗干扰设计
• 3.6 本章小结
• 4 四足机器人的运动控制算法设计
• 4.1 BP神经网络算法简介
• 4.2 四足机器人运动控制算法的BP网络结构设计
• 4.3 BP算法在四足机器人控制系统的应用
• 4.4 DMC2410运动控制卡在运动控制中的应用
• 4.5 本章小结
• 5 仿真与实验
• 5.1 VC++和Matlab混合编程的程序设计
• 5.2 BP算法的仿真
• 5.3 四足机器人运动实验
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间从事科学研究及发表论文情况