双足步行机器人步态设计及其运动控制研究

论文摘要

双足步行机器人是机器人研究领域的热点,它集机械、电子、计算机、仿生学、自动控制、多传感器及人工智能等多门学科于一体。课题旨在设计一种结构简单的小型双足步行机器人,在此基础上对双足步行机器人的步行机理、步行参数及运动控制进行研究,为设计自主智能双足步行机器人打下基础。论文结合人类下肢关节的结构特点,并对其进行简化,为双足步行机器人下肢配置了10个自由度,经过驱动元件性能的比较与机器人所需转矩的初步估算,选择了转矩为6.80kg·cm的舵机作驱动,然后在Pro/E平台上设计了机器人各关节及其他零部件,并对虚拟模型进行干涉检查与测量,测得机器人总体高为241.5mm,宽为114.5mm。在步态设计的基本原则下,采用基于力学稳定性的步态设计方法,结合人类的行走习惯与特性,设计出直线行走、静态转弯、上楼梯的姿态及各关节的转向,确定了各关节转角的大小并对其进行三次多项式插值,同时对人类原地转体运动进行研究并作反向设想,阐述了机器人没有转体自由度而实现静态转弯的原理,并推导出机器人上楼梯的几何约束条件。通过接口软件Mechanism/Pro将Pro/E下的三维模型导入到ADAMS环境下,然后添加材料、力及约束,建立虚拟样机模型,再将前面的步态设计数据带入虚拟样机并进行步态运动仿真,得到直线行走、静态转弯及上楼梯动作的仿真动画,验证了机构设计与步态设计的正确性与有效性。借助ADAMS的后处理模块,测量出机器人各关节转矩、行走冲击力、零件质心轨迹,并进行分析与运算,说明舵机选择合理,得到机器人整体重心的一维轨迹,然后把重心轨迹数据导入Matlab,经过Matlab的处理,得到双足步行机器人整体重心的参数化方程与空间轨迹。利用现有的加工工具,制作出双足步行机器人原理样机,以PC机为上位机,设计出控制方案及微电脑控制电路,用ATMEGA8515L单片机产生多路PWM波来完成运动控制任务,采用单电源供电方式为机器人供电,叙述了上、下位机间的数据通信协议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 双足步行机器人的研究现状
• 1.2.1 日本的研究现状
• 1.2.2 美国的研究现状
• 1.2.3 其他国家的研究现状
• 1.2.4 国内研究现状
• 1.3 步态设计与运动控制研究
• 1.3.1 步态设计
• 1.3.2 步行运动控制
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 双足步行机器人下肢机构设计
• 2.1 引言
• 2.2 双足步行机构的自由度配置
• 2.3 动力源与控制元件的选择
• 2.3.1 动力源的比较与选择
• 2.3.2 控制元件的选择
• 2.4 机构的总体设计
• 2.4.1 设计要求
• 2.4.2 零部件设计
• 2.4.3 模型的装配与检验
• 2.5 本章小结
• 第3章 双足步行机器人基本步态设计
• 3.1 引言
• 3.2 稳定步行的条件
• 3.2.1 零力矩点（Zero Moment Point）
• 3.2.2 稳定步行的条件
• 3.3 步态设计基本原则与基本方法
• 3.3.1 步态设计基本原则
• 3.3.2 步态设计基本方法
• 3.4 直线行走步态设计
• 3.4.1 人类直线步行的分析
• 3.4.2 行走姿态与ZMP 轨迹的设计
• 3.4.3 各关节转向设计及其转角的插值
• 3.5 静态转弯步态设计
• 3.5.1 人类原地转体的研究
• 3.5.2 静态转弯姿态与机理
• 3.5.3 各关节转向设计及其转角的插值
• 3.6 上楼梯步态设计
• 3.6.1 上楼梯时的几何约束
• 3.6.2 关节转向设计及转角插值
• 3.7 本章小结
• 第4章 双足步行机构虚拟模型的建立与步态仿真
• 4.1 引言
• 4.2 虚拟样机模型的建立
• 4.2.1 三维模型的建立
• 4.2.2 约束与力的建立
• 4.3 虚拟样机步态仿真
• 4.3.1 直线行走步态仿真
• 4.3.2 静态转弯步态仿真
• 4.3.3 上楼梯步态仿真
• 4.4 本章小结
• 第5章 虚拟样机仿真参数的测量与处理
• 5.1 引言
• 5.2 仿真参数的测量与分析
• 5.2.1 直线行走参数的测量与分析
• 5.2.2 上楼梯参数的测量与分析
• 5.2.3 静态转弯质心轨迹的测量
• 5.3 MATLAB 数据处理
• 5.3.1 质心曲线数据处理
• 5.3.2 质心空间轨迹
• 5.4 本章小结
• 第6章 原理样机的制作及运动控制
• 6.1 引言
• 6.2 原理样机的制作
• 6.3 舵机的控制
• 6.4 控制系统
• 6.4.1 控制原理与控制电路
• 6.4.2 供电方式
• 6.4.3 串行通信
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 附录