双足机器人步行姿态跟踪控制方法研究

论文摘要

双足机器人步行姿态跟踪控制是双足机器人步行稳定性的技术基础。双足机器人系统要求其系统状态在运动过程中要具有比较好的收敛能力,因此所设计的控制律应该具有快速的收敛性;由于双足机器人结构的复杂性、强耦合性,造成了无法建立非常精确的数学模型,因此需要对双足机器人进行简化处理,进而对简化模型进行研究;由于双足机器人系统本身及所在的环境中存在着很多无法确定的扰动因素,因此这就要求所采用的控制方法设计出的姿态跟踪控制律应该具有较强的鲁棒性。本文针对具有外扰的双足机器人简化模型的动力学模型的特点,利用终端滑模控制方法研究了双足机器人步行姿态跟踪控制的问题。首先,根据双足机器人机构特点,建立了能反映其动力学特性的简化模型,利用Denavit-Hartenberg矩阵法与广义坐标法,分别对双足机器人的简化模型进行了运动学建模,并利用拉格朗日动力学方程作用在基于广义坐标法的简化连杆模型上,得到了一个便于姿态跟踪控制研究的动力学模型,为双足机器人姿态跟踪控制的研究打下了理论基础;其次,基于ZMP稳定性理论,推导了双足机器人多连杆模型的ZMP点的计算公式,并给出了双足机器人满足稳定步行的基本条件,为步态规划和姿态跟踪控制方法的研究提供了合理的理论依据;再次,通过几何约束和加速度约束的方法,规划了双足机器人前向运动的周期步态,根据双足机器人所满足的约束条件,推导出了髋关节和踝关节,以及各关节角度的轨迹函数,并通过ZMP的轨迹情况,判断了双足机器人步行的稳定性,最后通过matlab数值仿真实验,说明了所规划方法的合理性;最后,针对具有不确定性干扰的简化双足机器人系统的动力学模型,设计了全局有限时间非奇异终端滑模跟踪控制器,实现了在有限时间内对期望轨迹的完全跟踪,并通过对控制器的进一步改进,基本上消除了系统的抖振,另外,通过matlab仿真实验验证了该控制方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 机器人研究背景及其研究的意义
• 1.3 双足机器人领域国内外的研究动态及发展
• 1.3.1 国外的研究动态及发展
• 1.3.2 国内的研究动态及发展
• 1.4 双足机器人系统跟踪控制方法介绍
• 1.5 本文主要研究内容
• 1.6 本章小结
• 2 双足机器人结构介绍
• 2.1 引言
• 2.2 关节和自由度配置简要介绍
• 2.3 课题研究的机器人本体结构简介
• 2.4 本章小结
• 3 双足机器人数学模型
• 3.1 引言
• 3.2 数学模型的位姿描述
• 3.2.1 位姿的描述
• 3.2.2 齐次坐标和齐次变换
• 3.3 运动学模型
• 3.4 基于D-H 矩阵法的运动学
• 3.4.1 机器人各关节、刚体块质心的位置
• 3.4.2 机器人各刚体块的角速度，角加速度和移动速度
• 3.5 基于广义坐标法的运动学
• 3.5.1 双足机器人正运动学
• 3.5.2 双足机器人逆运动学
• 3.6 双足机器人的动力学模型
• 3.7 本章小结
• 4 双足机器人稳定步行的条件
• 4.1 引言
• 4.2 零力矩点（ZMP）的介绍
• 4.2.1 零力矩点（ZMP）的含义
• 4.2.2 零力矩点（ZMP）的计算
• 4.3 双足机器人步行的稳定性条件
• 4.4 本章小结
• 5 双足机器人步行姿态轨迹设计
• 5.1 引言
• 5.2 双足机器人步态轨迹规划方法简介
• 5.3 双足机器人步行轨迹设计方案
• 5.4 踝关节与髋关节轨迹设计过程
• 5.4.1 摆动腿踝关节轨迹
• 5.4.2 髋关节轨迹
• 5.5 关节角轨迹
• 5.6 ZMP 轨迹
• 5.7 仿真实验
• 5.8 本章小结
• 6 双足机器人姿态跟踪控制方法设计
• 6.1 引言
• 6.2 双足机器人的终端滑模控制设计
• 6.2.1 系统模型和问题描述
• 6.2.2 终端滑模控制律的设计
• 6.2.3 带饱和函数的终端滑模控制律设计
• 6.3 仿真实验
• 6.4 本章小结
• 7 结论
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录