基于虚拟样机的小型仿人机器人步态规划与步行控制研究

摘要

仿人机器人指具有人的形状、能够适应人类现有生产生活环境、可以使用人所用的工具进行劳动的一类机器人，其在医疗、军事、服务行业有着广泛的应用前景，是近年控制领域研究的热点。如何实现双足步行稳定是保证其“仿人”特性的基础。本课题以小型仿人机器人虚拟样机为对象，进行步态规划与步行控制两个方面的研究，主要做了以下工作：
　　 设计了机器人物理结构与几何参数，为其下肢配置符合行走条件的自由度。选用Pro/E软件对机器人连杆模块进行装配，随后导入ADAMS软件中，对模型添加相应的约束、驱动与摩擦力，搭建出一个小型仿人机器人虚拟样机模型。
　　 采用基于D-H矩阵法建立了仿人机器人正逆运动学模型，得到连杆姿态与关节角之间的关系；由Lagrange方程法建立了仿人机器人单足支撑期与双足支撑期的运动学模型，获得连杆运动与关节驱动力矩之间的关系。
　　 采用三点式规划法、使用三次样条插值函数对仿人机器人行走周期中的关键点进行插值，结合已求解出的运动学模型，推导出机器人前向与侧向随时间变化时各关节角度的轨迹函数，通过ZMP判据验证规划结果符合动态步行稳定性。利用ADAMS中的近似拟合曲线函数AKISPL，将规划出的轨迹曲线导入关节驱动中，动力学仿真实验表明此步态规划方法有效。
　　 在MATLAB/Simulink工具箱中建立PID控制系统，以规划出的机器人关节角度为控制目标进行联合仿真，实现机器人步行运动的在线控制与优化。数据结果显示机器人步行系统添加了PID控制器后，对关节角的变化达到了较好的跟踪效果。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 仿人机器人的研究现状

1.2.1 国内外仿人机器人研究现状

1.2.2 仿人机器人步态规划研究现状

1.2.3 仿人机器人步行控制研究现状

1.3 本文选题意义与研究内容

第2章 基于虚拟样机的仿人机器人结构设计与模型建立

2.1 引言

2.2 虚拟样机技术

2.2.1 虚拟样机技术简介与特点

2.2.2 虚拟样机软件的选择

2.3 仿人机器人模型机构设计与参数确定

2.4 基于虚拟样机的仿人机器人模型建立

2.4.1 机械建模与模型传递

2.4.2 添加约束、驱动与摩擦力

2.5 本章小结

第3章 仿人机器人数学模型

3.1 引言

3.2 仿人机器人运动学建模

3.2.1 仿人机器人的正运动学建模

3.2.2 仿人机器人的逆运动学建模

3.3 仿人机器人动力学建模

3.3.1 单脚支撑期的动力学建模

3.3.2 双脚支撑期的动力学建模

3.4 本章小结

第4章 基于虚拟样机的仿人机器人步态规划研究

4.1 引言

4.2 步态规划相关概念与准备

4.2.1 步行方式分类及其稳定性研究

4.2.2 姿态约束

4.2.3 三点式规划法

4.2.4 三次样条插值函数

4.3 仿人机器人动态步行规划

4.3.1 前向的步态规划

4.3.2 侧向的步态规划

4.3.3 验证稳定性

4.4 基于ADAMS的步态规划仿真

4.5 本章小结

第5章 基于虚拟样机的仿人机器人步行控制研究

5.1 引言

5.2 控制系统设计

5.2.1 PID控制简介

5.2.2 PID控制系统设计

5.2.3 控制器的参数整定

5.3 ADAMS和MATLAB联合仿真控制

5.4 本章小结

第6章 结论和展望

6.1 论文总结

6.2 后续的研究工作

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文