双足步行机器人步态规划与控制系统研究

论文摘要

双足步行机器人为机械技术、控制技术、信息技术以及计算机技术等多学科交叉运用所得成果里的一个典型,它高度集成了相应学科内优势,使各学科有机地融合为一体。在过去半个多世纪里,双足步行机器人的产生和发展对所组成的领域起着积极地推动作用,它的应用增强了人们在服务、医疗及军事等领域里的作为;这些都是人们如此热衷于双足步行机器人研究的重要原因之一。而其中作为核心的控制系统因其控制对象的非线性、强耦合,信息处理任务的繁重性和处理速度的实时性要求并存等特点,使研究人员对其兴趣不减。本文对双足步行机器人控制系统作如下尝试:首先从课题已完成的人形物理样机本体结构出发,建立相应运动模型,并阐述该双足机器人在前向和侧向平面内的运动特点;在此基础上,利用ZMP判据分析机器人在二维、三维平面内的稳定性,并得出相应ZMP的计算公式和测量方法;接着讨论机器人在前向平面内的步行周期和设计合理步态的依据,并规划了稳定姿态下对应的关键步态,阐述了用三次样条的插值方式来拟合出完整步态的合理性。其次建立了基于Turbo PMAC的机器人控制系统,分别从通讯模块、检测模块、伺服控制模块等方面分析该控制系统的硬件性能和相应的软件实现方法,阐述基于Turbo PMAC的控制系统在双足步行机器人控制中的可行性和优越性。最后运用该系统进行步态实验,实验结果证明该控制系统能有效快速地生成所规划的理论稳定运动步态,使各关节的位置控制精度达到较高水平,同时整个控制系统性能也完全达到既定目标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 双足步行机器人发展概况
• 1.2.1 国外发展概况
• 1.2.2 国内发展概况
• 1.2.3 双足步行机器人控制技术概述
• 1.3 本文研究内容及主要工作
• 第2章 双足步行机器人系统总体设计
• 2.1 引言
• 2.2 双足机器人本体结构设计
• 2.2.1 关节自由度分配
• 2.2.2 关节自由度实现
• 2.2.3 三维样机模型
• 2.3 双足机器人驱动装置设计
• 2.3.1 驱动方式选择
• 2.3.2 电机和传动元件选择
• 2.3.3 驱动器选择
• 2.4 主控器选择
• 2.5 本章小结
• 第3章 双足步行机器人稳定性分析和步态规划
• 3.1 引言
• 3.2 双足步行机器人运动模型
• 3.2.1 前向平面运动模型
• 3.2.2 侧向平面运动模型
• 3.3 双足步行机器人稳定性分析
• 3.3.1 ZMP定义
• 3.3.2 支撑多边形
• 3.3.3 ZMP二维分析
• 3.3.4 ZMP三维分析
• 3.3.5 ZMP测量
• 3.4 双足步行机器人步态规划与生成
• 3.4.1 双足机器人步行周期
• 3.4.2 双足机器人步态规划
• 3.4.3 双足机器人前向运动学逆解
• 3.4.4 双足机器人步态生成
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于Turbo PMAC的控制系统设计
• 4.1 引言
• 4.2 控制系统总体设计
• 4.3 控制系统硬件设计
• 4.3.1 下层系统主控器
• 4.3.2 通讯模块硬件
• 4.3.3 压力检测模块硬件
• 4.3.4 伺服控制模块硬件
• 4.4 控制系统软件设计
• 4.4.1 通讯模块软件
• 4.4.2 压力检测模块软件
• 4.4.3 伺服控制模块软件
• 4.5 本章小结
• 第5章 步态实验
• 5.1 引言
• 5.2 步态实验平台
• 5.3 Turbo PMAC实验工具
• 5.3.1 基于电机数据采集
• 5.3.2 基于变量数据采集
• 5.4 步态实验
• 5.4.1 步态轨迹生成
• 5.4.2 实验结果分析
• 5.5 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