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仿人机器人运动规划与稳定控制方法研究

作　者: 陈阳祯
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 ZMP 稳定性判据 力/力矩传感器 分段步态规划 稳定可控性
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 82次
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内容摘要


仿人机器人由于其独特的步行运动方式,一直是智能机器人领域中最活跃的研究热点之一。提高其运动能力与环境适应能力是仿人机器人实际应用的前提。本论文以仿人机器人参加乒乓球比赛为任务背景,主要进行仿人机器人步态优化规划与稳定控制问题的研究。首先介绍了仿人机器人平台“KDW-5”的机械结构、控制系统与传感器系统,基于改进的D-H坐标法建立了机器人运动学模型,基于Lagrange方程建立了单脚支撑期的动力学模型。本文给出了利用足底六维力/力矩传感器来检测仿人机器人ZMP位置与支撑状态的方法,然后根据ZMP稳定性判据利用这些信息判定机器人状态的稳定性。通过具体分析机器人完整双足步行过程,将其分为起步、周期行走、收步三个阶段。不同阶段的初始状态、步行参数和终止状态不同,因此采用不同的方法进行步态规划。最后通过实验验证了该算法的有效性。失稳状态下的仿人机器人可以通过其主动关节的运动恢复稳定。本文提出了机器人稳定可控性的概念,并给出了判定方法。最后将其应用于有外力干扰时机器人的稳定控制问题,给出了通过控制迈步步幅恢复稳定的方法。通过仿真验证了该算法的有效性。

全文目录


摘要  9-10
ABSTRACT  10-11
第一章 绪论  11-19
  1.1 研究背景及意义  11-12
  1.2 国内外研究现状  12-17
    1.2.1 国外仿人机器人研究现状  12-14
    1.2.2 国内仿人机器人研究现状  14-15
    1.2.3 仿人机器人步态规划方法研究现状  15-16
    1.2.4 仿人机器人稳定控制问题  16-17
  1.3 本文研究的主要内容  17-19
第二章 仿人机器人系统分析与数学模型建立  19-29
  2.1 仿人机器人系统介绍  19-24
    2.1.1 机械结构介绍  19-21
    2.1.2 控制系统介绍  21-23
      2.1.2.1 控制系统总体设计  21-22
      2.1.2.2 控制系统硬件设计  22-23
    2.1.3 传感系统介绍  23-24
  2.2 仿人机器人运动学模型  24-28
    2.2.1 仿人机器人运动学建模  24-26
    2.2.2 仿人机器人逆运动学求解方法  26-28
  2.3 小结  28-29
第三章 基于足底力/力矩传感器的稳定性检测  29-40
  3.1 引言  29
  3.2 仿人机器人步行稳定性判据  29-32
    3.2.1 ZMP 稳定性判据  29-30
    3.2.2 角动量变化率稳定性判据  30-31
    3.2.3 极限环稳定性判据  31-32
  3.3 基于足底力/力矩传感器的ZMP 测量  32-39
    3.3.1 单脚支撑期ZMP 测量  32-33
    3.3.2 双脚支撑期ZMP 测量  33-34
    3.3.3 单脚支撑期的稳定区域、稳定性判断以及稳定裕度  34
    3.3.4 双脚支撑期的稳定区域、稳定性判断以及稳定裕度  34-36
    3.3.5 支撑姿态判定  36-37
    3.3.6 稳定性检测实验与分析  37-39
  3.4 小结  39-40
第四章 仿人机器人分段在线步态规划方法研究  40-53
  4.1 引言  40
  4.2 仿人机器人步态规划的基本方法  40-43
    4.2.1 人类步行数据法  40-41
    4.2.2 中枢模式发生器法  41-42
    4.2.3 动力学模型法  42-43
  4.3 仿人机器人前向步行运动过程分析  43-45
  4.4 分段在线规划策略  45-49
    4.4.1 周期行走阶段步态规划方法  45-47
    4.4.2 起步阶段步态规划方法  47-48
    4.4.3 收步阶段步态规划方法  48-49
  4.5 仿真与分析  49-52
  4.6 小结  52-53
第五章 仿人机器人稳定控制问题研究  53-66
  5.1 引言  53
  5.2 仿人机器人的稳定可控性判定  53-59
    5.2.1 仿人机器人的稳定性与稳定可控性  53-54
    5.2.2 基于质心角动量守恒的仿人机器人稳定可控性判定  54-59
  5.3 有外力干扰下的仿人机器人的稳定性控制策略  59-62
  5.4 仿真与分析  62-64
  5.5 小结  64-66
第六章 总结与展望  66-68
  6.1 全文总结  66-67
  6.2 研究展望  67-68
致谢  68-69
参考文献  69-73
作者在学期间取得的学术成果  73

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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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