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基于遗传算法的双足机器人规划及应用研究

作　者: 闵伟伟
导　师: 刘国栋
学　校: 江南大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 双足机器人 路径规划 运动学建模 三维线性倒立摆
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


双足机器人能灵活地适应各种复杂的地面环境，具有灵活的运动方向和速度变化范围，成为机器人研究领域的重要研究内容之一。双足步行是所有行走方式中自动化程度最高的行走方式，目前双足机器人研究的重点是如何使双足机器人能稳定地行走。在对双足机器人步行进行研究时，规划技术是其中最主要的一个部分。不同于移动机器人，双足机器人需要规划出所有关节角在机器人路径上的变化大小。本课题以实验室双足机器人AFU2010为参照，论文的主要工作如下：1.双足机器人环境建模：提出一种将三维环境分层的方法，用两个截面将环境分为高于机器人身高障碍层、低于机器人抬脚高度障碍层和中间障碍层。最上层的障碍物不予考虑，中间层的障碍物为不可逾越的障碍物，最下层的障碍物为双足可以逾越的障碍物。采用这种环境建模方法可以将双足机器人的规划分为两部分。2.双足机器人运动学建模：首先建立机器人全身坐标模型，再以支撑足与地面的接触点为原点建立参考坐标系，再分别建立各个关节的局部坐标系，最后推导出每个局部坐标系在参考坐标系中的变换矩阵，从而实现由机器人关节角求机器人连杆位姿的正运动学建模。再通过几何法求出正运动学模型的逆，即实现了由机器人连杆的位姿求所有关节的关节角的逆运动学建模，再由三维线性倒立摆模型可以得到机器人步行模式。3.足迹规划：首先在环境中随机生成一组从起始位置到目标位置的足迹，再通过遗传算法对足迹进行优化，即可实现双足机器人的足迹规划，由这些足迹可以得到机器人的落脚点，通过步行模式的组合即可实现双足机器人的规划。4.仿真实验：对前面提出的路径规划方法在不同的环境中进行仿真实验，并且对其进行分析，最后将该理论应用到机器人AFU2010系统上，证明该方法的可行性。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-5
目录  5-7
第一章 绪论  7-15
  1.1 双足机器人的研究背景及意义  7
  1.2 双足机器人的发展历史  7-8
  1.3 国内外双足机器人的研究现状  8-13
    1.3.1 国外双足机器人的研究现状  8-10
    1.3.2 国内双足机器人的研究现状  10-11
    1.3.3 双足机器人规划研究现状  11-13
  1.4 本文的主要工作  13-15
第二章 双足机器人环境建模  15-25
  2.1 引言  15
  2.2 双足机器人环境建模的研究进展  15-19
    2.2.1 环境建模方法简介  15-17
    2.2.2 环境建模难点问题  17-18
    2.2.3 环境建模发展趋势  18-19
  2.3 双足机器人环境信息获取  19-21
    2.3.1 障碍物及环境边界检测  19-20
    2.3.2 三维信息匹配  20
    2.3.3 环境模型生成  20-21
  2.4 双足机器人环境地图建模  21-23
  2.5 本章小结  23-25
第三章 双足机器人运动学建模及步行模式规划  25-37
  3.1 引言  25
  3.2 机器人位姿的描述  25-28
    3.2.1 机器人坐标系变换  25-27
    3.2.2 齐次坐标和变换矩阵  27
    3.2.3 D-H 表示法  27-28
  3.3 双足机器人自由度配置  28-29
  3.4 双足机器人运动学模型  29-33
    3.4.1 正运动学模型  29-31
    3.4.2 逆运动学模型  31-33
  3.5 双足机器人步行模式规划  33-36
    3.5.1 三维线性倒立摆模型  33-34
    3.5.2 双腿步行模式规划  34-36
    3.5.3 关节角的计算  36
  3.6 本章小结  36-37
第四章 基于遗传算法的双足机器人足迹规划  37-47
  4.1 引言  37
  4.2 遗传算法  37-40
    4.2.1 遗传算法概述  37-38
    4.2.2 遗传算法的特点和步骤  38-40
  4.3 足迹规划问题描述  40-42
    4.3.1 世界坐标系  40-41
    4.3.2 局部坐标系  41
    4.3.3 局部足迹规划模型  41-42
  4.4 基于遗传算法的双足机器人足迹规划  42-45
    4.4.1 染色体编码  42
    4.4.2 种群初始化  42-43
    4.4.3 适应度函数  43-44
    4.4.4 遗传操作  44-45
  4.6 本章小结  45-47
第五章 双足机器人规划仿真实验及应用  47-55
  5.1 双足机器人参数  47
  5.2 仿真结果及分析  47-52
  5.3 理论应用  52-53
  5.4 本章小结  53-55
第六章 总结与展望  55-57
  6.1 总结  55
  6.2 展望  55-57
致谢  57-59
参考文献  59-61
附录 作者在攻读硕士学位期间发表的论文  61

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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