仿生恐龙机器人的步态仿真及系统实现

摘要

仿生四足恐龙机器人具有广阔的文创产业应用前景，其仿生步态控制方法具有重要的研究意义。尽管四足机器人的步态控制方法是近年来的热点问题，但目前尚缺乏有效的仿生恐龙步态控制方法。本文以恐龙为对象，研究其仿生步态的规划和控制及其在仿生恐龙机器人平台上的系统实现。主要工作有如下： 针对恐龙仿生结构，本文采用D-H模型和雅克比矩阵模型完成了运动学建模，并在系统实现中发现了逆运动学求解的问题，并提出了该问题的改进方法，解决了逆运动学解析时提高了系统的稳定性。作为步态控制系统在运行时的基础计算模块，运动学解算模块为步态控制系统提供了轨迹与关节控制信息之间高效稳定的转换。 针对传统的足端轨迹规划在系统实现时遇到的稳定性问题，本文提出了摆动腿相位的设计方法，添加Lift-up和Touch-down时序相位，将足端摆动对系统的冲击控制在较小的范围内，并结合系统底层控制方式，在保证稳定性的同时提升摆动腿在整个摆动过程中的速度。最后搭建了一套仿真系统，并验证了步态控制方法的有效性，仿真模型能够以规划的方式完成行走任务。 基于以上研究成果，本文在仿生恐龙平台上搭建了一套完整的步态控制系统，提出了合理的步态控制系统的实现框架与操作流程，并将步态控制算法由仿真环境成功的转移到了实际的物理系统。在步态控制系统实现的过程中，面临着现实世界中存在的各种干扰和噪声，如传感器数据的误差、电机控制的延迟等，本文针对调试过程中存在的问题，提出了合理的方法进行了解决，保证仿生恐龙能够稳定的行走。 最后，本文从仿生恐龙平台采集数据，设计多组实验并对结果进行对比分析，验证了该系统的有效性。首先对步态控制系统各个模块功能的有效性进行验证，然后分别针对系统出现的问题给出本文所提出的解决方案的效果对比分析。实验结果表明，该系统能够生成多种步态，实现了仿生恐龙的自主稳定行走，为仿生恐龙机器人步态规划提供了有效的控制方法。

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