多足机器人步态规划及自适应控制研究

论文摘要

多足机器人以其结构和控制方法相对简单、行走平稳、肢体冗余等特点,具有很强的环境适应性和运动灵活性,使其受到各国研究人员的普遍重视,已经成为机器人研究中一个引人注目的研究领域。但同时多足的特点也导致运动控制复杂,因此研究步态规划及控制成为多足机器人技术发展的关键。本文就多足机器人的步态规划及自适应控制进行了研究,主要内容分为以下几个方面：在多足机器人的机械机构和控制系统方面,对腿部机构进行了三自由度的设计,并建立了分层递阶控制系统,使机器人具备良好的运动性能。在运动控制方面,针对常用的CPG模型的不足,设计了一种能快速自激振荡的CPG模型,并在此基础上,采用计算机数值仿真技术研究了CPG模型的参数特性和动态特性,以使CPG能够很好的控制多足机器人的稳定行走。利用改进的CPG模型对多足机器人进行多足协调控制,并采用运动映射函数简化多足机器人的CPG控制模型。针对CPG控制模型参数特性复杂难以整定的问题,本文利用遗传算法对其进行优化,并对多足机器人的典型步态及步态转换进行分析实验,验证了基于CPG步态规划方法的合理性。为了进一步提高多足机器人在非结构化、未知环境中的自适应能力,本文采用反馈控制与CPG模型结合,分别对牵张反射、姿态反射和障碍反射进行建模,实现了多足机器人在斜面上的稳定行走以及避障运动。并利用多足机器人实物样机进行实验,验证了自适应控制方法的可靠性,满足设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 多足机器人国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 课题的提出
• 1.3.1 存在的问题
• 1.3.2 课题研究意义及目的
• 1.4 论文主要研究内容和论文结构
• 1.4.1 论文主要研究内容
• 1.4.2 论文结构
• 第2章 多足机器人样机设计
• 2.1 多足机器人的本体结构设计
• 2.1.1 多足机器人腿机构设计
• 2.1.2 多足机器人本体结构设计
• 2.1.3 多足机器人自由度分析
• 2.2 多足机器人的控制系统设计
• 2.2.1 控制系统的总体要求
• 2.2.2 控制系统结构
• 2.2.3 控制系统硬件构成
• 2.3 虚拟样机技术
• 2.4 本章小结
• 第3章 多足机器人运动控制方法研究
• 3.1 多足机器人运动控制方法
• 3.2 CPG振荡器模型及其特性分析
• 3.2.1 CPG振荡器数学模型
• 3.2.2 CPG振荡器稳定性分析
• 3.2.3 CPG振荡器数学模型的参数分析
• 3.3 CPG模型及其输出模式分析
• 3.3.1 CPG模型
• 3.3.2 CPG输出模式分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于CPG的步态规划
• 4.1 步态相关定义
• 4.2 基于CPG的多足机器人关节运动设计
• 4.2.1 四足机器人关节运动设计
• 4.2.2 六足机器人关节运动设计
• 4.3 CPG模型参数整定
• 4.3.1 参数整定方法
• 4.3.2 AGA对CPG参数的整定
• 4.4 典型步态分析及仿真
• 4.4.1 四足机器人步态分析及仿真
• 4.4.2 六足机器人步态分析及仿真
• 4.5 步态转换
• 4.6 实物样机步态实验分析
• 4.6.1 典型步态实验
• 4.6.2 步态转换实验
• 4.7 本章小结
• 第5章 多足机器人自适应控制研究
• 5.1 引言
• 5.2 加入反馈的CPG模型
• 5.3 牵张反射
• 5.4 姿态反射
• 5.4.1 机体姿态选取
• 5.4.2 姿态反射的建模
• 5.4.3 姿态反射对平衡位置的调节
• 5.4.4 多足机器人姿态反射仿真
• 5.5 障碍反射
• 5.5.1 机体姿态选取
• 5.5.2 障碍反射的建模
• 5.5.3 障碍反射对幅值的调节
• 5.5.4 多足机器人障碍反射仿真
• 5.6 实物样机自适应控制实验分析
• 5.7 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 问题与展望
• 参考文献
• 致谢