四足仿生机器人步态规划及行走稳定性研究

论文摘要

本文依托于国家863主题项目《高性能四足仿生机器人原型系统研究》,以提高四足仿生机器人行进稳定性为目标,以四足仿生机器人为研究对象,建立高性能四足仿生机器人的机电控制一体化虚拟样机模型,基于改进的CPG中枢模式发生器,对机器人的典型步态进行规划,并进行运动学及动力学仿真。建立四足机器人稳定性评价理论,将机器人的相关机械参数、步态参数对机器人稳定性的影响进行分析,为今后四足仿生机器人的设计和开发提供有益的规律性指导和高效的辅助设计工具。全文的研究工作主要包括:1.应用动力学仿真软件Adams和科学计算软件Matalb建立参数可调的四足机器人机电控制一体化虚拟样机模型;通过DH描述方法对四足机器人的一条仿生腿进行运动学建模,推导其运动学正解和逆解方程。在腿长等参数的约束下,应用运动学正解进行足部运动空间的分析与优化;应用运动学逆解进行摆线轨迹的足端轨迹规划并进行仿真验证。2.通过分析四足哺乳动物的运动规律,提出基于中枢模式发生器(CPG)的步态生成算法。针对四足机器人步态规划需求,对比直接函数生成法,提出一种网络结构的改进CPG关节数据地址发生器,实现全关节的驱动函数生成,并对机器人启动步态进行设计和改进。3为了衡量机器人步行运动性能,提出用稳定裕度来判断静态步行步态的稳定性,并采用改进的瞬时质心方法来提高稳定裕度的判断精度。通过对临界稳定性条件的分析,讨论占空比和腿型对稳定裕度的影响,仿真验证并提出改进意见。4.针对四足仿生机器人虚拟样机的功能需求,开发基于Adams二次开发的四足机器人辅助设计软件,创新应用即时可调的机械参数、步态参数模型,整合常用功能开发可视化界面,并以实例分析验证软件功能可靠。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源、研究背景及意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究背景及意义
• 1.2 四足步行机器人国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 基于CPG的步态控制研究现状
• 1.4 机器人行走稳定性评价研究现状
• 1.5 论文研究内容及章节安排
• 第二章 四足机器人虚拟样机建模与仿生腿特性分析
• 2.1 四足机器人虚拟样机建模
• 2.1.1 参数化建模步骤
• 2.1.2 机械系统模型建立
• 2.1.3 机械-控制联合仿真平台搭建
• 2.2 仿生腿分析
• 2.2.1 四足仿生机器人简图及腿部自由度计算
• 2.2.2 仿生腿运动学建模
• 2.2.3 仿生腿运动空间分析及腿长优化
• 2.2.4 足端轨迹规划及单腿运动仿真
• 2.3 本章小结
• 第三章 基于中枢模式发生器的步态生成算法
• 3.1 四足步行动物肢体运动规律
• 3.1.1 肢体运动规律
• 3.1.2 步态的定义
• 3.1.3 机器人运动参数与关节驱动函数的关系
• 3.2 CPG控制器设计
• 3.2.1 CPG控制器基本原理
• 3.2.2 CPG关节数据地址发生器
• 3.3 CPG网络结构与膝关节驱动函数生成
• 3.3.1 CPG网络结构设计
• 3.3.2 直接函数法
• 3.3.3 改进的CPG地址发生器
• 3.4 启动步态设计
• 3.5 本章小结
• 第四章 四足机器人整机动态特性分析与优化
• 4.1 四足机器人静态稳定性判定方法
• 4.1.1 行走稳定性判据
• 4.1.2 稳定静态步态分析
• 4.2 全质量质心计算及仿真
• 4.2.1 改进质心瞬时计算法
• 4.2.2 稳定裕度对比
• 4.3 稳定性优化研究
• 4.3.1 临界稳定性分析
• 4.3.2 占空比分析
• 4.3.3 不同腿型的稳定裕度分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 面向用户的四足机器人辅助设计软件
• 5.1 软件需求分析
• 5.1.1 功能需求
• 5.1.2 通用化需求
• 5.2 软件总体方案设计
• 5.2.1 开发方式选择
• 5.2.2 软件功能结构设计
• 5.2.3 软件使用流程设计
• 5.3 功能及界面设计
• 5.3.1 软件主界面
• 5.3.2 机械参数输入界面
• 5.3.3 CPG参数输入界面
• 5.3.4 环境参数设置界面
• 5.3.5 结果后处理界面
• 5.3.6 优化功能界面
• 5.3.7 常用工具箱界面
• 5.4 软件应用实例
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果