双足机器人步态控制研究.pdf

中国科学技术大学
硕士学位论文
双足机器人的步态控制研究
姓名:刘志川
申请学位级别:硕士
专业:导航、制导与控制
指导教师:梁青
20090501
摘要双足机器人采用单、双足交替支撑的运动方式,拥有很好的灵活性,有着众多其它类型的机器人无法比拟的优点,是最具代表性的先进智能机器人,其技术是当今机器人领域的研究前沿和热点方向之一。与轮式和履带式机器人相比,双足机器人的结构较为复杂,对稳定控制提出了更高的要求。本文参考已有的试验样机参数,在薪⒘怂慊魅诵槟庋N研究双足机器人在步行过程中的特性,在建立了正,逆运动学模型的基础上,采用几何约束法对在平地以及楼梯环境下的双足行走步态进行了规划,通过对关键点轨迹的规划,计算出各个关节的运动轨迹参数,导入到虚拟样机中实现开环双足行走。本文选择双足机器人的两髋中心以及踝关节作为关键点,提出了采用摆线拼接的方式来拟合上楼梯行走中摆动腿踝关节的轨迹,在抡嬷惺迪至上楼梯双足步行,得到了双足行走过程中的一些参数。如何在步行过程中保持稳定性是双足行走的一大难题,步态参数的在线优化是实现双足机器人平稳行走的关键。鉴于双足机器人有着高阶,强耦合,欠驱动的动力学特性,本文在研究了人在行走过程中零力矩点恢煤王坠亟诮度之间的关系之后,设计了一个步行稳定模糊控制器。通过对踝关节角度的调整使得奈恢镁×吭独胫С徘虮咴担佣纳撇叫形榷ㄐ浴W詈笤狹:戏抡嬷醒橹ち四:刂破鞯挠行浴关键词双足步行虚拟样机步态规划:刂
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第绪论引言自上世纪中期在美国诞生了第一台工业机器人——圆坐标之后。机器人迅速进入到社会生活的方方面面,在制造业更是大显身手,人们研究和制造了众多类型的机器人,其中双足机器人便是重要的一个分支。与其它类型的机器人相比,双足机器人有着众多无法比拟的优点。主要体现在三个方面:首先,双足步行机器人都能够适应各种地面且具有较高的逾越障碍的能力,能够方便的上下台阶,即通过不平整、不规则或较窄的路面,它的移动“盲区苄 F浯嗡悴叫谢魅说哪芎暮苄 R蛭8没魅丝删哂卸懒⒌哪源装置,因此在设计时就可以充分考虑其能耗问题。机器人力学计算也表明,足式机器人的能耗通常低于轮式和履带式。最后双足步行机器人具有广阔的工作空间。由于行走系统的占地面积小,而活动范围很大,所以为其配置的机械手提供了更大的活动空间,同时也可使机械手臂设计得较为短小紧凑。双足行走是生物界难度最高的步行动作,但其步行性能却是其它步行结构所无法比拟的。所以,双足步行机器人的研制趋势必要求并促进机器人结构的革命性的变化同时有力推进机器人学及其它相关学科的发展。双足机器人采用单、双足交替支撑的运动方式,因此拥有很好的灵活性,但同时令保持稳定性成为一大难题。由于双足机器人结构的复杂性,所以要实现双足机器人的合理步行动作,必须要对其进行步态规划,即根据步行环境情况和步态参数要求以及保证稳定步行约束条件的前提下,确定机器人行走过程中其各组成部分运动轨迹在时序和空间上的一种协调关系。目前对双足机器人得研究主要有两种基本研究思路,基于仿生学原理和基于动态控制原理的研究【¨。这两种不同的研究思路在双足机器人的步态设计和规划中都有广泛应用,基于仿生学的双足步态研究,主要是通过分析人类步行运动,研究双足步行的基本原理,将得到的一些基本步态特征运用到双足机器人的步行控制中。基于动态控制的研究思路是从各个关节力矩的控制方面考虑双足机器人的步态控制,通过研究刚性连杆结构的动力学特征对各个关节施加驱动力矩带动机器人步行运动。在这个研究思路下,又有基于模型和非模型两种步态规划和控制策略。研究双足步行机器人的原因和目的,主要有以下几个方面:希望研制出双足步行机构,使它们能在许多结复杂环境中行走,以代替人进行作业或延伸和扩大第滦髀
双足机器人制作的研究人类的活动领域;希望更多地了解和掌握人类的步行特性,并利用这种特性为人类服务,例如:人造假肢;双足步行系统具有非常丰富的动力学特性,在这方面的研究可以拓宽力学及机器人学的研究方向;另外,双足步行机器人还可以作为一种智能机器