双足步行机器人系统设计与运动控制及虚拟现实仿真实验研究

摘要

双足步行机器人是一种仿人机器人，是移动式机器人领域中一类重要的仿生系统。双足步行机器人作为一种移动式机器人，它与轮式，履带式机器人相比有许多优点与优越性。由于双足步行机器人的行走具有独特的适应性和拟人性，其行走控制成为当今研究的热点。步行运动模式与运动控制是影响双足步行机器人技术进步的重要问题，也是双足步行机器人成功而有效地实现稳定步行的理论基础和技术关键。本文针对双足步行机器人步行模式生成与步行控制相关问题进行了研究，并在虚拟现实的实验环境中实现了机器人以给定步行模式的行走。主要内容如下： ⑴对双足步行机器人的动力学模型进行了简化，采用平面倒立摆的线性化模型作为双足步行机器人步行模式生成的简化模型。设计了基于倒立摆线性化模型步行模式生成算法，对双足步行机器人前向行走，侧向行走与拐弯行走的腰部重心位置轨迹与速度轨迹进行了规划。对于双足步行具有双脚作支撑期的特点，本文采用了七次多项式插值，分两阶段对具有双脚支撑期的步行运动的腰部运动轨迹进行规划，实现了期望的运动模式。 ⑵针对双足步行机器人腿部逆模型求解问题，提出一种基于小脑模型连接控制网络CMAC的机器人逆运动学控制方法。机器人腿部正运动学模型采用Denavit-Hartenberg方法进行建模，在建立双足步行机器人正运动学模型基础上，设计了基于CMAC的控制系统。系统采用两个CMAC直接控制机器人的腿部运动。两个CMAC逆模型控制器分别逼近步行机器人支撑腿与摆动腿的逆模型，实现了对腰部运动轨迹的跟踪控制。 ⑶采用Open Dynamics Engine(ODE)作为双足步行机器人虚拟现实仿真实验的动力学计算引擎，在虚拟现实环境中建立双足步行机器人的可视化模型，以仿真环境中的双足步行机器人模型为控制对象，通过对机器人腿部各个虚拟关节电机进行角度伺服控制，并对足底ZMP进行检测，实现了双足步行机器人前向行走过程的完整步行模式。包括前向站立，预备，起步，行走，停止等几个阶段。仿真实验结果验证了基于平面倒立摆线性化模型的双足步行机器人步行模式的有效性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题背景及研究意义

1.2国内外研究状况

1.2.1国外研究状况

1.2.2国内研究现状

1.2.3双足步行机器人下肢机构及驱动系统

1.3双足步行机器人步行稳定性原理

1.3.1 Zero Moment Point(ZMP)与步行稳定性

1.3.2 ZMP的计算

1.4双足步行机器人步行研究方法

1.4.1基于仿生学原理的步行控制

1.4.2基于模型的步行控制策略

1.4.3基于非模型的步行控制策略

1.5论文的研究内容与组织结构

第2章双足步行机器人系统设计与建模

2.1引言

2.2双足步行机器人下肢系统设计

2.2.1双足步行机器人关节类型与自由度的确定

2.2.2基于SolidWorks的双足步行机器人腿部结构设计

2.2.3双足步行机器人控制系统设计

2.3双足步行机器人腿部运动学建模

2.3.1 Denavit-Hartenberg方法简介

2.3.2双足步行机器入腿部正运动学模型的建立

2.4本章小结

第3章基于倒立摆线性模型的步行运动模式

3.1引言

3.2三维线性倒立摆模型

3.2.1双足步行机器人倒立摆简化模型

3.2.2三维线性倒立摆模型

3.3基于线性倒立摆模型的步行模式生成

3.3.1步行运动单元

3.3.2步行模式生成算法

3.3.3基于倒立摆线性模型的双足步行模式计算

3.4引入双足支撑阶段的步行模式生成

3.4.1步行模式生成算法流程

3.4.2步行落脚点计算与边界条件的确定

3.4.3腰部运动轨迹生成

3.4.4步行模式的对比仿真实验

3.5本章小结

第4章基于CMAC的机器人腿部逆运动学控制系统

4.1引言

4.2双足步行机器人腿部运动控制问题

4.3 CMAC结构与工作原理

4.3.1 CMAC的结构

4.3.2 CMAC的工作原理

4.4基于CMAC的机器人腿部逆运动学控制系统设计

4.4.1控制系统结构

4.4.2腿部逆模型控制器CMACL和CMACR结构及算法

4.4.3网络学习算法

4.4.4关节角优化算法

4.5逆运动学控制仿真实验

4.5.1基于Matlab Robotics工具箱的腿部模型建立

4.5.2控制系统相关算法流程图

4.5.3控制系统仿真实验结果及分析

4.6本章小结

第5章双足步行机器人虚拟现实行走仿真实验

5.1引言

5.2 Open Dynamics Engine简介

5.2.1 ODE的基本概念

5.2.2 ODE的编程模型

5.3机器人下肢三维可视化模型的建立

5.3.1机器人部件的设定

5.3.2机器人关节类型的确定

5.3.3步行机器人可视化模型

5.4双足步行机器人的伺服控制与ZMP检测

5.4.1关节角度伺服控制

5.4.2足底ZMP点的检测与计算

5.5基于ODE的机器人虚拟现实行走实验

5.5.1三维模拟实验程序设计

5.5.2机器人前向行走虚拟现实仿真实验

5.5.3行走过程的ZMP验证

5.6本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致 谢