基于虚拟样机技术的双足步行机器人设计与研究

北京邮电大学硕士学位论文基于虚拟样机技术的双足步行机器人设计与研究姓名：余朝举申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：魏世民20090214基于虚拟样机技术的双足步行机器人设计与研究作者：余朝举学位授予单位：北京邮电大学相似文献(4条)1.学位论文郑丽娜基于重心的双足步行机器人步态规划及稳定性控制设计与研究2008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，国内外研究者们已针对双足步行机器人的稳定行走问题进行了大量研究。本文重点研究了三个问题，即：双足步行机器人下肢的运动学和动力学模型的建立；机器人的步态规划与仿真；机器人模糊控制系统的设计与仿真。论文主要工作如下：首先分析双足步行机器人结构特点，对自由度配置和本体结构进行设计；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学的建模，为后续的步态规划奠定基础；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。然后分析双足步行机器人步态规划的基本原则和方法，确定采用基于重心的的模仿法对机器人静态步行进行步态规划。分析传统两步规划法的不足，对其进行改进，使机器人步态更加灵活和稳定。针对行走的三种步态分别建立运动学方程，将机器人行走姿态及轨迹转化为关节转角曲线，基于MATLAB对规划出的结果进行了计算机仿真，表明了规划的合理性与有效性。提出双足步行机器人的ZMP稳定性判据，并以此为依据对已规划的步态进行误差分析，对关节运动曲线进行修正，消除了由于前向运动和侧向运动同时进行而产生的耦合，在保证步行稳定的前提下，使机器入运动更加流畅。最后简要介绍模糊控制的相关理论，通过对ZMP点的分析，指出ZMP点趋于支撑面的中心，则机器人更加稳定，而机器人的踝关节对ZMP点的位置起调节作用，以左踝关节为例，根据模糊理论，设计出机器人稳定性模糊摔制器，并利用MATLAB对其进行模拟。仿真结果表明双足步行机器人能够通过关节的相对转动调节ZMP点的位置，实现机器人的静态步行，并能够保证机器人的稳定。2.学位论文秦爱中基于ZMP的双足步行机器人步态规划研究2005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.本文提出了一个双足步行机器人平台Walker-Ⅰ,在借鉴有关资料的基础上,对其进行了本体结构的设计以及自由度的配置,并借助于三维造型软件实施了本体结构的建模.在比较各种驱动装置优缺点的基础上,选择了精度高、维修简单且易于程序控制和集中控制的舵机S5301(FUTABA)为驱动器.简要给出了进行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学的建模,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,得到了一个便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,并讨论了侧向平面内的步行稳定性.3.学位论文张实仿人机器人行走抗扰控制研究2006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，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。4.学位论文李菁步行机器人系统鲁棒控制器的分析及研究2008机器人的控制问题无论在理论界还是工程界多年来一直备受人们关注。机器人不仅是一个十分复杂的时变、强耦合、高度非线性系统，而且实际上还存在诸多不确定因素，诸如测量误差、摩擦、负载变化、随机扰动及未建模动态等，因此无法得到完整的、精确的机器人系统模型。在机器人轨迹跟踪过程中，也存在系统元件故障引起机器人结构变化及运动轨迹逆解求取的实时性等问题。对于高速、高精度、高性能机器人系统而言，这些不确定因素严重影响其控制品质，为此研究不确定机器人的控制问题具有重要的理论意义和实用价值。鲁棒控制问题则恰恰是其中的焦点问题之一。我们必须面对机器人大量不确定性因素的存在，而鲁棒控制正是以具有不确定性的系统为研究对象的控制技术。因此，研究具有不确定性机器人的鲁棒控制问题就具有十分重要的理论和实践意义。首先，本文针对双足步行机器人进行基础性的研究工作，建立了七连杆步行机器人的简化模型。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学建模。在运动学建模的基础上，基于拉格朗日动力学方程推导双足机器人的动力学方程。接着，系统地梳理了当前机器人技术的几类控制策略，分析比较了各自的有缺点。然后，针对外部干扰难以测量的不确定机器人系统，采用一种改进后的机器人鲁棒控制策略，通过仿真实验验证了所提控制方案的有效性。针对鲁棒控制策略虽然可以保证系统的稳定性，但是不能获得良好的暂态性能，并且不确定性的上界难以获知的缺点，探讨一种基于神经网络的鲁棒控制器。它将鲁棒控制和神经网络结合起来构成自适应控制系统。而在鲁棒自适应控制中加入了PD控制器，可以避免加速度测量，增强速度信号的抗干扰能力，而且通过设计纯粹的前馈项并对其进行离线计算，大大降低实时控制的运算量，故简化了控制结构。最后，文中给出该方向发展趋势与展望。本文链接：：武汉理工大学(whlgdx)，授权号：e5e7115c-6577-44c9-9e31-9de10148bba3下载时间：2010年8月29日