双足机器人步态规划与步态控制研究

论文摘要

双足机器人是自然不稳定的系统,需要研究者预先设计好稳定性能较好的步态曲线,并进行精密的控制才能保证机器人稳定地行走。多年来,许多学者提出了一系列的模型与算法来解决上述两个问题,也取得了许多标志性的成果,但是随着机器人的机械结构越来越复杂、自由度越来越多,机器人的步态规划和控制的难度日渐增加。因此对双足机器人的步态规划以及步态控制的研究就显得十分重要。本文正是针对上述两个问题进行了研究与学习,主要包括三个方面的内容,分别是基于线性倒立摆的步态规划、基于增强线性倒立摆的步态规划和基于零力矩点(Zero Moment Point, ZMP)与地面压力中心(Center of Pressure, COP)的模糊在线补偿。本文首先介绍了由日本学者提出的线性倒立摆模型,该模型是一种理想模型,利用其动力学方程能够规划出双足机器人的步态,本文在详细阐述线性倒立摆模型的原理以及规划步骤后,进行了双足步态规划。为了验证规划出来的步态数据,文章利用虚拟样机技术对上述步态进行了仿真,并对结果进行了分析。本文的第二个部分主要阐述增强线性倒立摆的基本原理,并在前人的基础上改进了增强线性倒立摆的适应度方程,得到一种更加适用于离线步态规划的方法,并利用这种方法进行了双足步态规划。同时,采用第一部分中用到的虚拟样机进行了仿真,并且就以上两种步态的稳定性、连续性和拟人性进行了分析,得出了线性倒立摆和增强线性倒立摆步态规划的优缺点和在实际应用中应该注意的事项,从而有效地保证了步态数据的可行性和在实际应用中的安全性。本文在第三部分采用一种新思路对机器人步态进行在线控制,目的是保证双足机器人具有良好地抗干扰能力和环境适应能力。在该方法中,首先利用15个传感器实时地地测量机器人的ZMP与COP,分别与给定ZMP和踝关节位置进行比较,得到ZMP误差和COP偏离量,然后对误差进行模糊化,通过模糊控制器来调节机器人的髋膝关节角度,最后,通过虚拟样机仿真证明了该方法具有很好的实用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外双足机器人发展状况
• 1.2.1 欧美日等国家机器人的发展状况
• 1.2.2 国内机器人发展状况
• 1.2.3 机器人未来发展趋势
• 1.3 课题研究意义
• 1.4 论文研究内容
• 第2章 机器人平台以及仿真环境介绍
• 2.1 基于Pro/E的三维建模
• 2.1.1 Pro/E三维建模
• 2.1.2 双足机器人平台
• 2.1.3 地面反力模型的建立
• 2.2 基于Pro/E与Matlab联合仿真平台
• 2.3 小结
• 第3章 基于线性倒立摆的步态规划
• 3.1 步态规划概述
• 3.1.1 在线步态规划
• 3.1.2 离线步态规划
• 3.2 ZMP稳定判据
• 3.3 线性倒立摆模型
• 3.4 线性倒立摆步态规划方法以及步骤
• 3.5 仿真结果与分析
• 3.6 小结
• 第4章 基于增强线性倒立摆步态规划
• 4.1 遗传算法原理简介
• 4.1.1 初始种群的选择
• 4.1.2 终止条件
• 4.2 增强线性倒立摆模型
• 4.3 增强线性倒立摆步态规划步骤
• 4.3.1 利用遗传算法求解参数
• 4.3.2 求解机器人COG轨迹
• 4.3.3 求解步态
• 4.4 实物和虚拟样机仿真结果以及分析
• 4.4.1 基于Matlab与Pro/E的联合仿真结果
• 4.4.2 增强线性倒立摆与线性倒立摆比较分析
• 4.5 小结
• 第5章 基于地面反力和ZMP的在线模糊步态补偿
• 5.1 在线步态补偿概述
• 5.2 模糊控制理论基本原理
• 5.3 控制系统设计
• 5.3.1 机器人地面反力与ZMP测量
• 5.3.2 模糊控制器设计
• 5.3.3 机器人控制系搭建
• 5.4 仿真与结果分析
• 5.5 小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢