论文题目: 基于ZMP的双足步行机器人步态规划研究
论文类型: 硕士论文
论文专业: 机械电子工程
作者: 秦爱中
导师: 马锡琪
关键词: 双足步行机器人,零力矩点,步态规划,线性倒立摆模型,稳定裕量
文献来源: 西北工业大学
发表年度: 2005
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,这种优越性在非结构环境里的表现尤为突出。本文提出了一个双足步行机器人平台Walker-Ⅰ,在借鉴有关资料的基础上,对其进行了本体结构的设计以及自由度的配置,并借助于三维造型软件实施了本体结构的建模。在比较各种驱动装置优缺点的基础上,选择了精度高、维修简单且易于程序控制和集中控制的舵机S5301(FUTABA)为驱动器。 简要给出了进行双足步行机器人建模所必需的齐次变换理论。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了基础。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,得到了一个便于控制的动力学模型。 基于线性倒立摆模型理论推导出前向平面内双足步行机器人能够实现稳定动态步行的ZMP条件,并讨论了侧向平面内的步行稳定性。基于ZMP稳定条件,通过三次样条插值对双足步行机器人的脚步轨迹以及髋关节轨迹进行了参数化规划,在规划中力求满足稳定裕量最大化。结合逆运动学公式,对其它关节角进行了规划。基于Matlab对规划出的结果进行了计算机仿真,并说明规划的合理性与有效性。起步与停步也是双足步行机器人实现稳定行走的一个重要方面,但已有的研究很少涉及,作者对起始步态和停止步态作了深入的讨论。应当指出,如果选择合理的参数,可以通过该步态规划方法获得有障碍物下的行走、非平整地面上的行走以及上下楼梯等特定步行方式下所需要的步态。该规划方法具有良好的适应性,为双足步行机器人的研制提供了理论依据。
论文目录:
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
§1.1 机器人概述
§1.1.1 机器人的定义
§1.1.2 机器人的发展
§1.1.3 机器人技术
§1.2 双足步行机器人
§1.2.1 双足步行机器人的优点
§1.2.2 步行特点与研究意义
§1.3 双足步行机器人研究概况
§1.3.1 国外研究概况
§1.3.2 国内研究现状
§1.4 步态规划与数学模型的研究简介
§1.4.1 步态规划的研究
§1.4.2 数学模型的研究
§1.4.3 行走控制策略的研究
§1.5 本论文主要研究内容
第二章 双足步行机器人的自由度配置与本体结构
§2.1 引言
§2.2 自由度配置及本体结构
§2.2.1 机器人关节类型的选择
§2.2.2 自由度的配置
§2.3 驱动方式的选择
§2.4 舵机的型号与结构参数
§2.5 本章小节
第三章 数学模型研究
§3.1 引言
§3.2 数学基础
§3.2.1 位姿描述
§3.2.2 齐次坐标和齐次变换
§3.2.3 连杆的描述
§3.2.4 连杆坐标系(D-H方法)
§3.3 运动学模型
§3.3.1 机器人运动学研究发展概况
§3.3.2 双足步行机器人的正逆运动学
§3.4 动力学模型
§3.4.1 机器人动力学研究发展概况
§3.4.2 动力学建模
§3.4.2.1 单脚支撑期动力学模型
§3.4.2.2 双脚支撑期动力学模型
§3.5 本章小节
第四章 步态规划与数值仿真
§4.1 步态规划概念
§4.2 稳定动态步行步态规划
§4.2.1 步行周期
§4.2.2 脚部轨迹
§4.2.3 髋关节轨迹
§4.2.4 其它关节轨迹规划
§4.3 ZMP稳定判别准则
§4.3.1 ZMP概念
§4.3.2 ZMP坐标的计算
§4.3.3 前向平面内动态稳定步行的ZMP条件
§4.3.4 侧向平面内动态稳定性讨论
§4.4 仿真结果
§4.5 起始和停止步态
§4.5.1 起始步态
§4.5.2 停止步态
§4.6 本章小结
第五章 总结与展望
§5.1 本论文的主要研究工作
§5.2 进一步的研究工作
参考文献
附录
A.三次样条插值
B.攻读硕士期间获奖情况
C.攻读硕士期间发表论文与参与课题
致谢
发布时间: 2005-06-27
参考文献
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