教学双足行走机器人的研究

论文摘要

双足行走机器人是最典型的机电一体化数字化装备,是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的智能机器人。它代表了机器人的尖端技术,是当代科技的研究热点之一。目前,国内双足机器人研究与世界先进水平相比还有较大差距,特别是在教学机器人方面的研究更是寥寥无几。为改善这种局面,提高我国高校师生的综合技能,本论文在研制教学双足机器人方面进行了有益的尝试和大胆的实践,设计并制作出了一款适用于高校教学开发使用的小型双足行走机器人。本文详细阐述了双足机器人机构设计和控制系统的研发过程,包括控制系统的硬件电路设计和制作,机器人双足的外形设计与加工,以及双足行走机器人的驱动和控制技术。结合对人类行走步态的研究,规划了双足机器人行走的姿态及轨迹,推导了双足机器人稳定步行的条件,并据此进行了实物实验,实现了稳定的低速静态步行。本论文重点讨论了静态步行的算法设计和仿真,详细分析了基于零力矩点的双足机器人动态步行运动规划方法,根据运动学约束条件计算出各个关节的运动轨迹。使用Matlab软件,以ZMP点的轨迹作为约束条件,进行了前向离线规划试验和ZMP误差补偿试验,实验证明本文所采用的步态规划方法可以满足机器人连续稳定行走的要求。教学双足机器人运动平稳,系统控制精度高,具有良好的教学功能和广阔的应用开发前景。本文针对教学双足行走机器人方面进行了深入的研究,对他人今后进行教学双足机器人的研究提供了一套系统的研究方法,对同行具有借鉴和引导作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 双足机器人综述
• 1.2.1 双足机器人的分类
• 1.2.2 国内外双足机器人的研究概况
• 1.2.3 存在问题及研究方向
• 1.2.4 未来研究展望
• 1.3 课题的研究目的和意义
• 1.4 课题来源、主要研究内容
• 1.5 预期成果
• 第2章 双足机器人的机构设计
• 2.1 机构综合分析
• 2.1.1 本体材料选择
• 2.1.2 本体结构及平稳性
• 2.2 机构功能实现
• 2.2.1 机构设计
• 2.2.2 重心转移
• 2.2.3 关节类型
• 2.3 机构控制分析
• 2.3.1 驱动控制选择
• 2.3.2 驱动元件选型
• 2.4 本章小结
• 第3章 双足机器人的控制系统
• 3.1 控制模块的开发原则
• 3.2 四路电机控制模块
• 3.2.1 MCU
• 3.2.2 电机驱动电路
• 3.2.3 IO口
• 3.2.4 电源
• 3.2.5 通信电路
• 3.3 驱动力（力矩）计算
• 3.4 控制算法描述
• 3.5 本章小结
• 第4章 步态规划方法研究
• 4.1 步态规划
• 4.2.1 步态规划原则
• 4.2.2 步态规划发展
• 4.2 步态规划方法
• 4.3 规划控制分析
• 4.3.1 步态分析
• 4.3.2 步态与步距
• 4.3.3 稳定欲度
• 4.3.4 理想重心轨迹
• 4.4 ZMP步态规划
• 4.4.1 零力矩点
• 4.4.2 ZMP稳定判据
• 4.4.3 ZMP规划方法
• 4.4.4 静态稳定步行
• 4.5 本章小结
• 第5章 机器人的运动规划
• 5.1 规划综合分析
• 5.1.1 系统体系结构
• 5.1.2 离线规划
• 5.2 关节空间轨迹规划
• 5.2.1 轨迹规划
• 5.2.2 关节空间法
• 5.2.3 轨迹生成问题
• 5.2.4 关节插补计算
• 5.3 运动学分析
• 5.3.1 连杆描述
• 5.3.2 雅可比矩阵
• 5.3.3 分解运动速度控制
• 5.3.4 运动学建模
• 5.4 本章小结
• 第6章 仿真及试验结果分析
• 6.1 CAXA虚拟运动仿真
• 6.1.1 虚拟样机技术
• 6.1.2 虚拟动画仿真
• 6.1.3 仿真结果分析
• 6.2 Matlab仿真计算
• 6.2.1 前向离线规划试验
• 6.2.2 ZMP误差补偿试验
• 6.3 物理样机实验
• 6.3.1 关节电机的伺服控制实验
• 6.3.2 机身模块间的协调分析实验
• 6.3.3 悬挂行走的步态调试实验
• 6.3.4 实验结果及数据说明
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 附录 A
• 附录 B