基于气动人工肌肉的双足步行机器人设计及控制策略研究

摘要

上世纪60年代开始，双足机器人开始被各国学者重视并取得了突飞猛进的发展。由于主动机器人各个关节都要进行驱动，因此驱动器的选择至关重要，以往的主动机器人大多以电机进行驱动，虽然位置控制精确，但是步行却与人类步态相差甚远；而气动肌肉具有柔顺、功率/质量比大和力/长度特性与人类肌肉相似等特点，因此本课题采用其作为驱动器。为深入研究气动双足机器人的特性，提高其步行稳定性，本文参照人体下肢骨骼-肌肉模型设计了本课题的气动双足机器人，基于零力矩点法对该机器人进行步行轨迹规划，采用PID与模糊控制相结合的方法进行机器人的控制，最后研制机器人样机对所设计的机器人结构的合理性与步行稳定性进行验证。
　　本文首先对人体下肢肌肉的驱动机理进行研究。根据现有的人体下肢九肌肉模型，并结合人体动力学仿真软件 LifeMOD对人体步行的仿真结果得出各下肢肌肉的力曲线与各关节的角度曲线，并在对人体下肢骨骼-肌肉模型充分研究的基础之上完成了本课题双足机器人的设计。其次，对气动肌肉的动态特性、静态特性和刚度特性进行研究。本文基于机器人尺寸参数进行气动肌肉的选型，并从理论与实验两个方面对气动肌肉的特性进行阐述。第三，对机器人的控制策略进行研究。根据ZMP法进行步态规划，得出各关节期望角度与期望ZMP点，利用PID控制器进行关节角的控制，并利用模糊控制器对踝关节角度进行控制，通过此双闭环控制系统对机器人的步行进行控制。最后，研制机器人样机，利用本文提出的控制方法对其进行步行控制，并实时采集其ZMP点位置和各关节角度，2D步行实验证明，该机器人ZMP点始终位于足地接触区域内且关节角度与人体步行关节角度类似，从而验证了该机器人的步行稳定性，达到了设计要求。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源

1.2 课题研究背景与意义

1.3气动双足机器人国内外研究现状

1.4 本课题的研究目标和研究内容

第2章 人体下肢驱动机理与气动双足机器人结构设计

2.1 引言

2.2 人类下肢驱动机理的研究

2.3 气动双足机器人结构设计

2.4 本章小结

第3章 双足步行机器人气动肌肉特性研究

3.1 引言

3.2 气动肌肉选型

3.3 气动肌肉机理研究

3.4 肌肉性能测量试验

3.5 本章小结

第4章 气动双足步行机器人控制策略研究

4.1 引言

4.2 气动双足机器人控制策略

4.3 气动双足机器人运动学建模

4.4 气动双足机器人步态规划

4.5 气动双足机器人关节控制器的设计

4.6 基于模糊控制的踝关节角度矫正

4.7 本章小结

第5章 气动双足机器人样机研制与步行试验

5.1 引言

5.2 机器人样机研制

5.3 机器人样机试验

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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