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双足机器人步态规划研究

作　者: 黄春林
导　师: 张祺
学　校: 广东工业大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 双足机器人三次样条插值粒子群算法步态规划步态优化
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 115次
引　用: 1次
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内容摘要

双足机器人因其灵活的步行能力和类人的行为而具有广泛的应用前景,其步态的稳定性已成为研究热点。步态规划是机器人实现稳定步行的基础和实现类人动作的关键。本文在在收集、整理和分析相关文献资料的基础上,以双足机器人为研究对象,借助RoboCup3D仿真平台,对双足机器人的步态规划进行研究。本文主要工作如下：1.采用三次样条插值算法规划步态。根据关键时刻主要关节的位姿,基于三次样条插值算法,在满足步行环境,几何约束和物理结构的条件下,在径向和侧向平面中,分别规划出踝关节、髋关节在整个步行运动周期内的轨迹。再利用几何关系通过双平面的合成计算得到膝关节、脚掌等双足机器人下肢主要部位的运动轨迹。2.利用粒子群算法对步态参数进行优化,得到稳定裕度大的平滑步态。首先分析了步态参数对步态稳定性的影响,然后根据双足机器人步行过程中单、双足支撑期的特点,分别构造了稳定裕度评估函数,并综合步行特征得到了步态优化的目标函数。最后采用粒子群算法优化步态参数,得到稳定裕度大的步态。3.在MATLAB环境中和RoboCup3D仿真平台上进行实验。在MATLAB环境中规划得到期望的双足机器人各关节步行运动轨迹和稳定裕度大的ZMP轨迹,能够较好满足双足机器人稳定性原则。然后,在RoboCup3D仿真平台中,将已规划好的步态应用到仿真Nao机器人,通过统计仿真Nao机器人步行过程中的相关数据,验证三次样条插值规划方法的有效性和粒子群步态优化算法的优越性。最后进行了总结,说明了本文的主要研究成果,同时对课题中需要改进之处提出了展望。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-9
Contents  9-11
第一章绪论  11-18
  1.1 课题研究的背景和意义  11-12
  1.2 国内外研究现状  12-16
    1.2.1 基于仿生运动学的步态规划研究  12-13
    1.2.2 基于模型的步态规划研究  13-15
    1.2.3 基于能耗优化的步态规划研究  15
    1.2.4 基于智能算法的步态规划研究  15-16
  1.3 本文主要研究内容及章节安排  16-18
第二章双足机器人步行稳定性判据  18-27
  2.1 引言  18
  2.2 双足机器人七连杆模型  18-19
  2.3 步行稳定性判据  19-26
    2.3.1 零力矩点定义  19-24
    2.3.2 稳定步行的条件  24-26
  2.4 本章小结  26-27
第三章双足机器人步态规划  27-48
  3.1 引言  27
  3.2 双足机器人步行过程分析  27-29
  3.3 三次样条插值算法  29-30
  3.4 径向轨迹规划  30-38
    3.4.1 脚掌倾角规划  31-33
    3.4.2 踝关节规划  33-35
    3.4.3 髋关节规划  35-36
    3.4.4 膝关节规划  36-38
  3.5 侧向轨迹规划  38-43
    3.5.1 踝关节规划  39
    3.5.2 髋关节规划  39-42
    3.5.3 膝关节规划  42-43
  3.6 双足机器人ZMP轨迹  43-44
  3.7 仿真实验及结果分析  44-47
    3.7.1 仿真实验  44-46
    3.7.2 规划步态效果图  46-47
    3.7.3 实验结果分析  47
  3.8 本章小结  47-48
第四章双足机器人步态优化  48-55
  4.1 引言  48
  4.2 髋关节轨迹对ZMP的影响分析  48-50
  4.3 目标函数构造  50-51
  4.4 粒子群步态优化算法  51-53
  4.5 实验及结果分析  53-54
  4.6 本章小结  54-55
第五章基于RoboCup3D平台的仿真实验  55-66
  5.1 引言  55
  5.2 RoboCup3D实验平台  55-57
  5.3 Nao机器人结构  57-60
  5.4 RoboCup3D实验及结果分析  60-65
  5.5 本章小结  65-66
总结  66-68
参考文献  68-72
攻读学位期间发表的论文  72-74
致谢  74

双足机器人步态规划研究

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