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双足机器人的步态规划和步行控制研究

作　者: 卢嘉敏
导　师: 杨宜民
学　校: 广东工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 双足机器人步态规划步态优化步行控制零力矩点
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

双足机器人是当今机器人研究领域最为前沿的课题之一,它集机械、电子、计算机、材料、传感器、控制技术及人工智能等多门学科于一体,是一个国家高科技实力的重要标志。稳定步行是双足机器人最基本的类人行为方式,也是实现其它行为的基础。然而,由于它是一个自由度多、结构复杂、耦合性强的非线性系统,因此,实现稳定步行是双足机器人研究领域的热点和难点之一。步行控制的研究不仅可以为双足机器人的机构设计与优化提供理论指导,而且还将会促进仿生学的研究和应用,使人类更好地破解生命的奥秘,可以更多地了解和掌握人类的步行特性,并利用这种特性为人类服务。因此,本课题研究具有重要的理论意义和应用价值。本文在收集、整理和分析相关文献资料的基础上,对双足机器人的步态规划和步行控制进行了重点研究,主要的研究工作如下：(1)双足机器人运动学分析和稳定性研究首先分析了双足机器人的机构,对机器人各关节进行简化,建立了双足机器人的九连杆模型、世界坐标系和各关节的局部坐标系。基于该连杆模型,推导出了双足机器人的正运动学和逆运动学模型。此外,还介绍了双足机器人的稳定性判据—零力矩点(Zero Moment Point, ZMP)的定义,推导了ZMP的表达式,研究了双足机器人稳定步行需要满足的条件。(2)双足机器人的步态规划及步态优化研究针对传统步态规划方法规划出来的双足机器人步态阶数高、容易出现振荡、ZMP稳定裕度不够大,以及多个步态参数难于优化等问题,提出了一种基于CSI-FSA的步态规划方法。该方法分两步,第一步根据双足机器人的步行要求,采用三次样条插值(Cubic Spline Interpolation, CSI)方法规划出径向和侧向平面内双足机器人的步态,该步态中包含各关键时刻两懿关节中心到支撑腿踝关节的距离参数；第二步以步态中各时刻ZMP到稳定区域中心的距离为参数构建评估步态稳定性的目标函数,采用鱼群优化(Fish Swarm Algorithm, FSA)算法对三次样条插值方法规划的步态中髋关节中心到支撑腿踝关节的距离参数进行优化,使步态的ZMP尽量靠近稳定区域中心。仿真结果表明,与基于遗传算法优化的步态相比,该方法规划的步态ZMP更靠近稳定区域中心,而且步态中各关节的位置轨迹平滑。(3)双足机器人的步行控制研究针对双足机器人跟踪离线规划的步态时出现各关节角度误差和ZMP误差,导致步行稳定性变差的问题,提出了一种基于上半身位姿补偿的步行控制方法。首先分析了上半身位姿对步行稳定性的影响,而支撑腿髋关节为控制上半身位姿的主要关节,故该方法根据ZMP误差由模糊算法求解出补偿上半身位姿误差的髋关节角度校正量,以此减少实际ZMP和期望ZMP之间的误差。仿真结果表明,与使用PID的步行控制方法相比,该方法更好地跟踪了期望ZMP,提高了双足机器人步行的稳定性。最后对本文进行了总结,说明了本文的主要研究成果,同时对本课题中需要改进之处提出了展望。

双足机器人的步态规划和步行控制研究

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