仿人机器人行走抗扰控制研究

论文摘要

仿人机器人是最具代表性的先进智能机器人，其技术是当今机器人领域的研究前沿和热点方向之一。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。本文简要给出了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，得到了一个用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。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。最后，本文利用经典随机最优控制对双足机器人行走抗扰控制进行研究，其中包括运动方程线性化，利用经典Kalman滤波对双足机器人运动状态进行估计，基于随机最优控制，仿真结果表明经抗扰控制后，关节的运动精度有明显提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题目的和意义
• 1.2 国内外仿人机器人行走技术的研究现状
• 1.3 国内外仿人机器人步态规划的研究现状
• 1.4 国内外仿人机器人运动控制的研究现状
• 1.4.1 现代控制方法
• 1.4.2 智能控制方法
• 1.5 本论文主要研究内容
• 第2章 仿人机器人的本体结构和数学模型
• 2.1 基本术语
• 2.2 自由度及本体结构配置
• 2.3 数学基础
• 2.3.1 位姿描述
• 2.3.2 齐次坐标与齐次变换
• 2.4 机器人的运动方程
• 2.4.1 机器人正运动方程
• 2.4.2 机器人逆运动方程
• 2.5 机器人的动力学模型
• 2.5.1 单足支撑期的动力学模型
• 2.5.2 双足支撑期的动力学模型
• 2.6 本章小结
• 第3章 仿人机器人步态规划及稳定行走条件
• 3.1 三次样条插值概念
• 3.2 轨迹规划
• 3.2.1 踝关节的轨迹规划
• 3.2.2 髋关节的轨迹规划
• 3.3 关节角度规划
• 3.4 仿人机器人稳定行走条件
• 3.4.1 ZMP的概念
• 3.4.2 ZMP坐标的计算
• 3.4.3 动态稳定行走的ZMP条件
• 3.5 仿真及分析
• 3.5.1 MATLAB仿真
• 3.5.2 踝关节运动轨迹仿真分析
• 3.5.3 髋关节运动轨迹仿真分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 仿人机器人随机最优控制
• 4.1 仿人机器人动力学模型的线性化
• 4.2 线性模型的离散化
• 4.3 经典Kalman滤波
• 4.3.1 基本假设
• 4.3.2 Kalman滤波递推公式
• 4.4 经典随机最优控制
• 4.4.1 有限时间最优调节器
• 4.4.2 无限时间最优调节器
• 4.5 仿真及结果分析
• 4.6 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