雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃及動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性研究.pdf

1、仿人機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域最高研究成果的代表。它是一門(mén)高度交叉的學(xué)科，它廣泛涉及機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、自動(dòng)控制工程、人工智能、仿生學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，是目前科學(xué)研究最活躍的領(lǐng)域之一。與輪式、履帶式和多足式等機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定支撐不同，步行的穩(wěn)定性一直是雙足步行機(jī)器人所要解決的主要技術(shù)難點(diǎn)，尤其是快速的動(dòng)態(tài)步行，對(duì)穩(wěn)定性提出了很高的要求。為了解決這一問(wèn)題，除了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要合理和控制系統(tǒng)優(yōu)良外，合理的步態(tài)規(guī)劃對(duì)于解決這一問(wèn)題顯得尤為關(guān)鍵。因此

2、，步態(tài)規(guī)劃一直是仿人機(jī)器人的研究熱點(diǎn)之一。本文以上屆學(xué)長(zhǎng)已設(shè)計(jì)好機(jī)構(gòu)的雙足機(jī)器人為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了步態(tài)規(guī)劃的研究。
　　首先，對(duì)雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃進(jìn)行了研究，并分別對(duì)路徑規(guī)劃方法和步態(tài)規(guī)劃方法進(jìn)行詳細(xì)講述。在對(duì)靜態(tài)步行和動(dòng)態(tài)步行進(jìn)行分析之后，對(duì)雙足機(jī)器人步行穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵ZMP（零力矩點(diǎn)）理論進(jìn)行了研究，為后面章節(jié)的規(guī)劃做好準(zhǔn)備。同時(shí)對(duì)于雙足機(jī)器人兩種主要的步行生成模式進(jìn)行了研究和討論，選擇了基于線性倒立擺模型的步行生成模

3、式。
　　然后，結(jié)合設(shè)計(jì)好的機(jī)器人樣機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量和自由度的配置對(duì)仿人機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模方法進(jìn)行了研究，將雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)解耦為前向運(yùn)動(dòng)和側(cè)向運(yùn)動(dòng)并建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，采用廣義坐標(biāo)法，進(jìn)行了正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，為后來(lái)的步態(tài)規(guī)劃奠定基礎(chǔ)。在運(yùn)動(dòng)學(xué)建模的基礎(chǔ)上，基于拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模，該建模方法在求得各關(guān)節(jié)角變化信息后可以方便地分析各關(guān)節(jié)所需的驅(qū)動(dòng)力矩，作為動(dòng)力學(xué)分析和機(jī)器人電機(jī)選型的依據(jù)。
　　最后，基于Z

4、MP穩(wěn)定性判據(jù)采用三次樣條函數(shù)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了完整的步態(tài)規(guī)劃，并將規(guī)劃重點(diǎn)放在周期性的正常行走階段。采用更為接近人類步行的改進(jìn)的兩步規(guī)劃法，使得運(yùn)動(dòng)更加流暢自然。在一些合理假設(shè)和約束條件下，對(duì)機(jī)器人的踝關(guān)節(jié)，髖關(guān)節(jié)的前向和側(cè)向運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了周期性參數(shù)化，力求得到有較大穩(wěn)定裕度的規(guī)劃結(jié)果，以保證規(guī)劃的良好穩(wěn)定性。為了驗(yàn)證步態(tài)規(guī)劃的周期性和準(zhǔn)確性，需要通過(guò)以上規(guī)劃得出各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角和其一階、二階導(dǎo)數(shù)的變化情況。進(jìn)而代入動(dòng)力學(xué)方程求得各個(gè)關(guān)節(jié)