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平面型点接触两足跑步运动稳定性分析与控制策略研究

作　者: 彭善跃
导　师: 马宏绪
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 仿人机器人平面型两足机器人点接触跑步运动稳定性分解控制稳定判据
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

仿人机器人具有广阔的应用前景,一直以来受到各方面的高度关注。经过四十多年的发展,取得了众多骄人的研究成果,但就目前发展水平来看,还远未达到人类的期望。一个重要原因就是运动性能较差,主要体现在速度低、能耗大、环境适应性差等方面。为研究仿人机器人的高速高效运动,研究者们提出了点接触两足机器人这一崭新的机器人结构。与仿人机器人相比,点接触两足机器人没有脚掌,只能与地面点接触形成欠驱动系统,因而可以充分利用重力和惯性力,实现高速、高效、动作自然、环境适应性强的步态。本文主要研究平面型点接触两足机器人跑步运动的稳定性以及控制策略问题,主要内容包括:首先对平面型点接触两足机器人的系统模型进行研究。分别基于D-H坐标建立机器人运动学模型,基于Lagrange函数建立单脚支撑期和飞行期的控制系统模型,基于刚性冲击过程建立状态切换模型,从而为后续的研究奠定基础。稳定控制是点接触两足机器人控制难点之一。由于机构特殊,现有仿人机器人稳定判据并不能直接用于点接触两足机器人领域。针对目前已有的点接触两足机器人稳定判据,分析了其各自的特点和存在的问题。然后从仿生学角度研究了人类跑步运动模式,归纳出跑步的仿生学特点,并给出了一个跑步的稳定性描述。点接触两足机器人跑步运动的控制策略是本文研究的重要内容。基于人类跑步运动模式的仿生学研究,通过简化机器人为具有伸缩腿结构的倒立摆模型,提出了分解控制策略,即将机器人的跑步运动分解为竖直速度控制、水平速度控制和姿态控制三个方面单独进行控制,通过等效控制,实现了平面型五连杆机器人稳定的跑步运动。为验证提出的跑步稳定性描述和分解控制策略,搭建了仿真平台。通过仿真平台,建立了平面型点接触两足机器人系统模型,验证了跑步稳定性描述的正确性和分解控制算法的有效性。最后,总结本文所做工作,分析不足之处,并提出今后的研究重点。

全文目录

摘要  8-9
ABSTRACT  9-11
第一章绪论  11-23
  1.1 研究背景及意义  11-13
  1.2 国内外研究现状  13-22
    1.2.1 国内外仿人机器人研究现状  13-17
    1.2.2 国内外点接触机器人研究现状  17-22
  1.3 本文研究的主要内容  22-23
第二章点接触两足机器人系统模型  23-33
  2.1 引言  23
  2.2 点接触两足机器人运动学模型  23-26
    2.2.1 点接触两足机器人模型选择和运动假设  23-24
    2.2.2 点接触两足机器人运动学模型  24-26
  2.3 点接触两足机器人控制系统模型  26-32
    2.3.1 控制系统模型  26-29
    2.3.2 状态切换模型  29-32
    2.3.3 论域  32
  2.4 小结  32-33
第三章点接触两足机器人稳定性研究  33-42
  3.1 引言  33
  3.2 点接触两足机器人跑步稳定判据  33-36
    3.2.1 极限环稳定判据  33-35
    3.2.2 截面映射稳定判据  35
    3.2.3 失衡度稳定判据  35-36
  3.3 人类跑步运动的仿生学研究  36-38
    3.3.1 跑步的步态特征  36-37
    3.3.2 重心的运动规律  37-38
    3.3.3 跑步的技术效率  38
  3.4 跑步运动的稳定性描述  38-41
    3.4.1 倒立摆模型  38-40
    3.4.2 重心的运动区域  40-41
  3.5 小结  41-42
第四章点接触两足机器人跑步控制策略研究  42-52
  4.1 引言  42
  4.2 点接触两足机器人控制策略  42-44
    4.2.1 基于动力学模型的控制策略  42-43
    4.2.2 基于仿生学的控制策略  43-44
  4.3 点接触两足机器人跑步控制策略研究  44-51
    4.3.1 重心运动模式  44-45
    4.3.2 分解控制策略  45-48
    4.3.3 策略的等效运用  48-51
  4.4 小结  51-52
第五章仿真与分析  52-64
  5.1 引言  52
  5.2 仿真平台  52-54
  5.3 倒立摆对称运动的条件  54-58
  5.4 分解控制  58-60
    5.4.1 速度控制  59
    5.4.2 姿态控制  59-60
  5.5 运动区域的稳定  60-61
  5.6 极限环稳定判据验证  61-62
  5.7 跑步技术效率  62-63
  5.8 小结  63-64
第六章总结与展望  64-66
  6.1 全文总结  64-65
  6.2 研究展望  65-66
致谢  66-67
参考文献  67-73
作者在学期间取得的学术成果  73

平面型点接触两足跑步运动稳定性分析与控制策略研究

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