双足机器人步态规划及动态稳定性研究

论文摘要

仿人机器人是机器人研究领域最高研究成果的代表。它是一门高度交叉的学科,它广泛涉及机械学、电子学、计算机科学、自动控制工程、人工智能、仿生学等多个领域,是目前科学研究最活跃的领域之一。与轮式、履带式和多足式等机器人运动时的稳定支撑不同,步行的稳定性一直是双足步行机器人所要解决的主要技术难点,尤其是快速的动态步行,对稳定性提出了很高的要求。为了解决这一问题,除了结构设计要合理和控制系统优良外,合理的步态规划对于解决这一问题显得尤为关键。因此,步态规划一直是仿人机器人的研究热点之一。本文以上届学长已设计好机构的双足机器人为研究对象,对其进行了步态规划的研究。首先,对双足机器人的运动规划进行了研究,并分别对路径规划方法和步态规划方法进行详细讲述。在对静态步行和动态步行进行分析之后,对双足机器人步行稳定性控制的关键ZMP(零力矩点)理论进行了研究,为后面章节的规划做好准备。同时对于双足机器人两种主要的步行生成模式进行了研究和讨论,选择了基于线性倒立摆模型的步行生成模式。然后,结合设计好的机器人样机的结构尺寸、质量和自由度的配置对仿人机器人的运动学建模方法进行了研究,将双足机器人的运动解耦为前向运动和侧向运动并建立了运动学模型,采用广义坐标法,进行了正逆运动学求解,为后来的步态规划奠定基础。在运动学建模的基础上,基于拉格朗日动力学方程进行机器人的动力学建模,该建模方法在求得各关节角变化信息后可以方便地分析各关节所需的驱动力矩,作为动力学分析和机器人电机选型的依据。最后,基于ZMP稳定性判据采用三次样条函数对机器人进行了完整的步态规划,并将规划重点放在周期性的正常行走阶段。采用更为接近人类步行的改进的两步规划法,使得运动更加流畅自然。在一些合理假设和约束条件下,对机器人的踝关节,髋关节的前向和侧向运动的关键点进行了周期性参数化,力求得到有较大稳定裕度的规划结果,以保证规划的良好稳定性。为了验证步态规划的周期性和准确性,需要通过以上规划得出各个关节转角和其一阶、二阶导数的变化情况。进而代入动力学方程求得各个关节的驱动力矩。最后对机器人的起步和止步阶段进行规划,得到了完整的离线规划。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 双足机器人的特点及国内双足外机器人的研究概况
• 1.2.1 双足步行机器人的特点和研究意义
• 1.2.2 国外机器人发展现状
• 1.2.3 国内机器人发展现状
• 1.3 本论文的主要内容
• 1.4 小结
• 第2章 双足步行机器人的运动规划研究
• 2.1 双足机器人的路径规划研究
• 2.1.1 基于博弈论思想的离线足迹规划
• 2.1.2 基于传感信息融合的在线滚动路径规划
• 2.2 双足机器人的步态规划研究
• 2.2.1 离线步态规划方法
• 2.2.2 在线姿态调整及控制方法
• 2.3 双足机器人的步态稳定性研究
• 2.3.1 静态步行和动态步行
• 2.3.2 ZMP稳定性判据
• 2.3.3 ZMP坐标计算
• 2.4 步行模式生成及控制的研究
• 2.4.1 基于线性倒立摆的步行模式生成及控制
• 2.4.2 基于ZMP的步行模式生成及控制
• 2.5 小结
• 第3章 双足机器人数学模型研究
• 3.1 双足机器人本体机构及其自由度配置
• 3.1.1 本体机构
• 3.1.2 自由度配置
• 3.2 机器人运动学建模
• 3.2.1 双足机器人的正逆运动学
• 3.2.2 侧向运动学模型
• 3.2.3 前向运动学模型
• 3.3 机器人动力学建模
• 3.3.1 单足支撑期动力学模型
• 3.3.2 双足支撑期动力学模型
• 3.4 小结
• 第4章 双足机器人的动态行走离线步态规划
• 4.1 步态规划的分析
• 4.1.1 基本概念
• 4.1.2 完整的步行过程
• 4.1.3 改进的两步规划法
• 4.1.4 行走姿态的规划
• 4.2 动态步行的参数化设计和周期步态的规划
• 4.2.1 步态的参数化设计
• 4.2.2 周期步态的规划
• 4.3 仿真结果
• 4.4 起步和止步的规划
• 4.4.1 起步规划
• 4.4.2 止步规划
• 4.5 小结
• 第5章 结论和展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 研究工作展望
• 参考文献
• 致谢