经典倒立摆模型在双足步行机器人系统中的应用

论文摘要

机器人技术是电子、机械、人工智能等各个领域新技术的结晶,双足步行机器人的研究作为机器人学的一个分支,无疑对机器人研究的技术和思想提出了更高的要求。由于双足步行机器人良好的灵活性,更能适应各种环境的要求,逐渐成为当今机器人研究的重点领域。在机器人众多的研究方法中,由于倒立摆系统与两足机器人行走有很大的相似性,所以近年来通过倒立摆系统来模拟双足机器人步行,来研究双足机器人系统的稳定性和控制方法,成为双足机器人新的研究方向。本文以双足机器人为研究对象,主要做了一下几方面的工作:首先,回顾和总结了双足步行机器人和倒立摆系统的研究历史和发展现状,对国内外各主要研究机构设计的双足步行机器人进行了分析和对比,并介绍了本文研究的主要内容。其次介绍简化的倒立摆模型在双足步行机器人的运动分析中的应用方法和简化方法,认为倒立摆倾倒时底部位置不变,简化计算和分析的复杂性。然后将双足步行机器人简化成连杆模型,由于机器人径向运动涉及的自由度大都集中在径向平面内,所以可以用平面连杆机构来简化表示机器人并分析机器人的动作,通过D-H方法建立运动学模型,找出重心的表示方法。将这简化模型应用于机器人起立动作的分析,推导出机器人完成起立动作的稳定性条件。用倒立摆模型分析比较双足步行机器人两种侧向步行方法,描述了两种方法的运动规划,讨论非仿生侧步的稳定条件。比较质心轨迹和时间。最后,在一个自制的17个舵机的双足步行机器人的平台上,对起立和两种侧向步行动作进行了实际验证。达到了令人满意的效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 机器人的概述
• 1.2 机器人的发展
• 1.3 双足机器人的特点
• 1.4 双足机器人的研究方法
• 1.5 双足机器人的研究现状
• 1.5.1 国外研究现状
• 1.5.2 国内研究现状
• 1.6 倒立摆系统的研究和现状
• 1.6.1 倒立摆系统
• 1.6.2 倒立摆的研究现状
• 1.7 论文的主要工作
• 第2章 经典倒立摆模型
• 2.1 一级倒立摆简介
• 2.1.1 一级倒立摆物理模型
• 2.1.2 倒立摆的建模方法
• 2.1.3 一级倒立摆的数学建模
• 2.1.4 倒立摆的基本特性
• 2.1.5 倒立摆的应用
• 2.2 倒立摆模型在双足机器人中的简化
• 2.2.1 倒立摆模型的简化方法
• 2.2.2 应用倒立摆模型的优点
• 2.3 本章小结
• 第3章 倒立摆模型在机器人起立动作分析的应用
• 3.1 引言
• 3.2 数学基础
• 3.2.1 位置描述
• 3.2.2 齐次坐标变换
• 3.2.3 连杆的描述
• 3.2.4 连杆坐标系（D-H方法）
• 3.3 起立动作的分析
• 3.3.1 起立过程
• 3.3.2 起立稳定性分析
• 3.3.3 起立动作第二阶段分析
• 3.3.4 起立动作第三阶段分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 倒立摆模型分析机器人侧步动作
• 4.1 被动步行
• 4.2 双足步行的基本概念
• 4.3 侧步方法
• 4.3.1 非仿生侧步步态规划
• 4.3.2 非仿生侧步稳定性分析
• 4.3.3 仿生侧步步态规划
• 4.4 两种侧步方法的比较
• 4.4.1 时间的比较
• 4.4.2 重心轨迹的比较
• 4.5 本章小结
• 第5章 实验研究
• 5.1 实验平台
• 5.2 起立动作的实现
• 5.3 侧步动作的实现
• 5.3.1 仿生侧步的实现
• 5.3.2 非仿生侧步的实现
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 进一步的研究问题
• 6.3 双足机器人的发展展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文