双足机器人几何建模及运动规划的研究

双足机器人几何建模及运动规划的研究

论文摘要

双足步行是自然界非常完美,而且节省能量的一种行走方式。近年来,双足机器人的研究发展迅速,吸引了各国研究者。由于双足机器人技术复杂,研究成本高,模块化成为这一领域的发展趋势。本文以德国AMTEC公司生产的PowerCube模块为基础,进行双足机器人的步行研究。首先以人类行走模式为蓝本,结合PowerCube模块的实际情况,确定双足机器人的自由度数目和自由度的位置分布。利用三维造型软件Pro/E对PowerCube模块进行三维造型,同时设计相关的连接件。按照相同的自由度数目和不同位置分布方式,设计了三种不同结构的双足机器人,并对其优缺点进行了分析,然后选定其中一种结构作为本文研究的双足机器人结构。在三维模型的基础上,为了数学分析的需要,对实际的双足机器人结构进行合理简化,得出双足机器人的数学模型,对其进行了正运动学和逆运动学分析,推导出双足机器人运动学的正解和逆解计算公式。在步态规划阶段,对双足机器人的步行过程进行分解,把连续的步行运动分解成相应的许多小步,再对每一小步进行规划。在双足机器人数学模型的基础上,把双足机器人抽象成倒立摆,以双足机器人行走过程中ZMP在脚底的位置不发生变化,运用倒立摆模型的运动规律,分计算质心和摆动腿,对双足机器人进行步态规划,推导出各部分的规划函数。以二维倒立摆模型为基础,利用测地线的短程性提出一种新的双足机器人能量优化方法,并对这一方法进行了初步探讨。基于二维倒立摆,构造倒立摆的能量函数,以能量优化为目标把能量函数映射成黎曼曲面,推导出黎曼度量矩阵。在能量曲面上利用测地线的短程性,通过求解测地线微分方程组,得到各控制变量和能量在运动过程中的变化趋势。最后把步态规划函数与本文所设计的具体双足机器人结合起来,得出双足机器人的规划结果,并绘制了相关曲线图。然后,把双足机器人的三维模型导入ADAMS软件,对双足机器人进行运动学仿真,验证了运动学分析和步态规划的有效性。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 双足机器人国内外研究现状
  • 1.2.1 双足机器人国外研究现状
  • 1.2.2 双足机器人国内研究现状
  • 1.2.3 课题的研究意义
  • 1.3 本文的研究工作
  • 第二章 双足机器人结构设计及运动学分析
  • 2.1 双足机器人结构设计
  • 2.1.1 自由度的配制
  • 2.1.2 双足机器人的设计方案
  • 2.1.3 双足机器人结构尺寸
  • 2.2 双足机器人运动学分析
  • 2.2.1 双足机器人的几何模型
  • 2.2.2 双足机器人的正运动学模型
  • 2.2.3 双足机器人的逆运动学模型
  • 本章小结
  • 第三章 双足机器人步态规划
  • 3.1 双足步行的基本概念
  • 3.2 双足机器人步态周期
  • 3.3 双足机器人步态规划的主要方法
  • 3.4 利用ZMP 对双足机器人进行轨迹规划
  • 3.5 双足机器人三维步行模式的生成
  • 3.5.1 计算质心侧向平面内的轨迹规划
  • 3.5.2 计算质心前向平面内的轨迹规划
  • 3.6 摆动腿的轨迹规划
  • 3.6.1 起步阶段摆动腿的轨迹规划
  • 3.6.2 中步阶段摆动腿的轨迹规划
  • 3.6.3 止步阶段摆动腿的轨迹规划
  • 本章小结
  • 第四章 基于测地线的双足机器人能量优化
  • 4.1 黎曼曲面与黎曼度量基础
  • 4.2 黎曼曲面上的黎曼度量
  • 4.3 二维倒立摆的能量优化
  • 4.3.1 建立二维倒立摆的能量曲面
  • 4.3.2 确定测地线的微分方程组
  • 4.3.3 求解测地线微分方程组
  • 本章小结
  • 第五章 双足机器人的运动仿真
  • 5.1 仿真概述
  • 5.2 双足机器人的步态规划结果
  • 5.2.1 双足机器人的具体参数
  • 5.2.2 计算质心的轨迹规划结果
  • 5.2.3 摆动腿的轨迹规划结果
  • 5.3 仿真工具的选择
  • 5.4 双足机器人虚拟模型的建立
  • 5.5 双足机器人的运动学仿真
  • 本章小结
  • 第六章 结论与展望
  • 6.1 结论
  • 6.2 展望
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间发表的学术论文
  • 致谢
  • 相关论文文献

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