基于重心的双足步行机器人步态规划及稳定性控制设计与研究

论文摘要

双足步行机器人与轮式、爬行式和履带式等移动机器人相比,有着更好的环境适应性,国内外研究者们已针对双足步行机器人的稳定行走问题进行了大量研究。本文重点研究了三个问题,即:双足步行机器人下肢的运动学和动力学模型的建立;机器人的步态规划与仿真;机器人模糊控制系统的设计与仿真。论文主要工作如下:首先分析双足步行机器人结构特点,对自由度配置和本体结构进行设计;在杆件坐标系下,基于齐次坐标变换理论对双足步行机器人进行了正逆运动学的建模,为后续的步态规划奠定基础;运用拉格朗日动力学方程对简化的机器人模型分别在单、双脚支撑期进行了动力学建模,得到了一个用于控制的动力学模型。然后分析双足步行机器人步态规划的基本原则和方法,确定采用基于重心的的模仿法对机器人静态步行进行步态规划。分析传统两步规划法的不足,对其进行改进,使机器人步态更加灵活和稳定。针对行走的三种步态分别建立运动学方程,将机器人行走姿态及轨迹转化为关节转角曲线,基于MATLAB对规划出的结果进行了计算机仿真,表明了规划的合理性与有效性。提出双足步行机器人的ZMP稳定性判据,并以此为依据对已规划的步态进行误差分析,对关节运动曲线进行修正,消除了由于前向运动和侧向运动同时进行而产生的耦合,在保证步行稳定的前提下,使机器人运动更加流畅。最后简要介绍模糊控制的相关理论,通过对ZMP点的分析,指出ZMP点趋于支撑面的中心,则机器人更加稳定,而机器人的踝关节对ZMP点的位置起调节作用,以左踝关节为例,根据模糊理论,设计出机器人稳定性模糊控制器,并利用MATLAB对其进行模拟。仿真结果表明双足步行机器人能够通过关节的相对转动调节ZMP点的位置,实现机器人的静态步行,并能够保证机器人的稳定。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 机器人的发展
• 1.3 双足步行机器人特点和研究意义
• 1.4 国内外双足步行机器人研究现状
• 1.4.1 国外研究概况
• 1.4.2 国内研究现状
• 1.5 论文主要研究内容
• 第2章 双足步行机器人数学模型研究
• 2.1 引言
• 2.2 双足步行机器人自由度配置及本体结构设计
• 2.2.1 自由度配置
• 2.2.2 本体结构设计
• 2.3 数学基础
• 2.3.1 位姿描述
• 2.3.2 坐标变换
• 2.3.3 齐次坐标变换
• 2.4 双足步行机器人运动学建模
• 2.4.1 双足步行机器人正运动学建模
• 2.4.2 双足步行机器人逆运动学求解
• 2.5 双足步行机器人动力学建模
• 2.5.1 单足支撑期的动力学模型
• 2.5.2 双足支撑期的动力学模型
• 2.6 本章小结
• 第3章 双足步行机器人步态规划
• 3.1 引言
• 3.2 基于重心的改进两步规划法研究
• 3.2.1 基本概念
• 3.2.2 改进的两步规划法
• 3.2.3 人类步行运动步态研究
• 3.3 双足步行机器人步态规划
• 3.3.1 规划机器人姿态及轨迹
• 3.3.2 机器人步态参数的设定
• 3.3.3 运动学方程的求解及仿真实现
• 3.4 关节运动轨迹的修正与仿真
• 3.4.1 双足步行机器人运动稳定性判据
• 3.4.2 误差分析及关节轨迹修正
• 3.4.3 仿真实现
• 3.5 本章小结
• 第4章 双足步行机器人智能控制
• 4.1 引言
• 4.2 模糊控制概述
• 4.3 模糊控制器的基本原理
• 4.3.1 模糊化
• 4.3.2 规则库
• 4.3.3 推理算法
• 4.3.4 去模糊化
• 4.4 双足步行机器人稳定性模糊控制
• 4.4.1 模糊控制系统设计
• 4.4.2 模糊控制系统仿真
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢