两足步行机器人控制系统设计以及规划方法研究

摘要

双足步行机器人是近年来机器人领域研究的热点之一。本文以两点式步行理论为基础对机器人的运动规划和控制方法进行了讨论，对本实验室自行设计的五自由度平面步行机器人实验平台的控制系统进行了设计，通过实验验证了控制系统的可靠性以及控制方法的可行性。
　　本文首先对两点式步行理论进行了介绍，对其进行了基于倒立摆模型的数学描述，并介绍了其稳定性。随后对蹬地过程进行了特别的讨论，对蹬地过程建立了平面四连杆机构模型，根据此模型对蹬地过程中能量控制进行了讨论，最后又讨论了蹬地能量对步行速度的影响。接下来对机器人步行过程分成了主动蹬地阶段和被动步行阶段，分别进行了步态规划方法的讨论，以及基于状态机的控制方法研究。
　　其次，分析了现有的控制系统结构，并讨论了本实验室机器人样机所需功能和性能要求，设计了基于CAN总线通讯方式的分布式控制系统。根据功能的不同将控制系统划分成五层，分别为人机交互层，感知层，规划与协调层，通讯层以及执行层，并对控制系统的硬件进行了配置。接下来，对控制系统的规划与协调层以及人机交互层程序进行了设计。
　　最后，对机器人样机的控制系统进行了一系列的实验，包括机器人多关节协调控制实验，机器人蹬地控制实验，以及机器人运动规划实验，验证了机器人控制系统的可靠性以及规划算法的可行性。