双足机器人快速步行动力学研究

论文摘要

双足机器人的研究发展迅速,双足步行方式也逐渐受到国内外学术界的重视,并且由于双足机器人是先进技术的代表,因此国外很多商业机构为了推广品牌形象,也争相投身该领域。双足步行所包含的范围较大,本文从快速性入手展开对步行理论研究,所做的研究工作如下:本文设计了基于滑轮组原理的绳索驱动机器人关节传动单元,该单元具有高刚性和轻量化的特点,这为双足机器人提供了一种理论可行的传动方式。本文分别推导出解耦的基于传动轴坐标系、驱动轴坐标系的七连杆和九连杆模型迭代牛顿-欧拉动力学方程。补充了机器人稳定步行的修正条件,利用三阶泰勒公式引入舒适度的概念,推导出基于舒适度的多连杆ZMP公式。本文提出一种用于动力学分析的三维弹簧平台—小车模型,通过简化的舒适度ZMP公式推导出弹簧平台—小车模型的运动规律,并以此作为机器人髋关节竖直方向参考轨迹。将机器人的起步动作合理规划为余弦轨迹,设计出考虑加、减速的可变斜率ZMP轨迹,结合预观控制理论生成了二维质心（Center-Of-Mass,COM）轨迹,采用“基于约束三次样条插值函数”规划出平滑的踝关节轨迹。本文建立12自由度机器人的虚拟样机模型,在MATLAB环境下编写了步行样本和动力学计算程序,并导入ADAMS进行验证,实现了步长0.6m、步行周期0.5s的步行仿真,双足机器人步速达到2.088km/h,符合课题预定目标2km/h,说明本文动力学方程和步行样本的正确性,仿真为今后的样机实验打下基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪 论
• 1.1 课题来源及研究目的和意义
• 1.2 双足机器人国内外现状及理论研究
• 1.2.1 双足机器人研究现状
• 1.2.2 双足机器人步行理论研究基础
• 1.3 课题主要研究内容
• 第2章 双足机器人传动单元设计
• 2.1 引言
• 2.2 机器人传动单元设计
• 2.2.1 机器人现有传动方式介绍
• 2.2.2 基于滑轮组的传动单元设计思想
• 2.2.3 传动单元性能分析
• 2.3 快速步行机器人的尺寸与自由度的确定
• 2.3.1 快速步行机器人尺寸确定
• 2.3.2 快速步行机器人自由度确定
• 2.4 本章小结
• 第3章 双足机器人动力学与稳定性研究
• 3.1 引言
• 3.2 运动学建模
• 3.2.1 正运动学方程
• 3.2.2 逆运动学求解
• 3.2.3 步态约束条件
• 3.3 牛顿—欧拉动力学方程推导
• 3.3.1 基于传动轴坐标系的七连杆模型牛顿-欧拉动力学
• 3.3.2 基于驱动轴坐标系的七连杆模型矢状面牛顿-欧拉动力学
• 3.3.3 基于驱动轴坐标系的九连杆模型解耦牛顿-欧拉动力学
• 3.4 稳定性研究
• 3.4.1 稳定性条件的修正
• 3.4.2 基于动量矩定理的ZMP公式
• 3.4.3 基于舒适度的ZMP公式
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于预观控制的快速步行样本生成
• 4.1 引言
• 4.2 3D弹簧平台—小车动力学模型
• 4.3 竖直方向COM轨迹规划
• 4.4 可变斜率的ZMP轨迹规划
• 4.5 基于预观控制ZMP的水平COM轨迹生成
• 4.6 踝关节轨迹规划
• 4.7 步行样本生成
• 4.8 本章小结
• 第5章 双足快速步行仿真
• 5.1 引言
• 5.2 步行仿真与结果分析
• 5.2.1 侧偏曲线
• 5.2.2 接触力曲线
• 5.2.3 COM位置、速度、加速度和ZMP位置
• 5.2.4 关节力矩曲线
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢