基于雙足機(jī)器人的倒立擺系統(tǒng)的研究.pdf

1、雙足機(jī)器人是一門(mén)與仿生學(xué)、多剛體動(dòng)力學(xué)、多傳感器融合技術(shù)以及控制工程等多學(xué)科相結(jié)合的交叉學(xué)科，是機(jī)器人研究領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支。雙足行走方式具有高度的靈活性，特別適合于在日常環(huán)境中與人類(lèi)協(xié)作完成各種任務(wù)，在康復(fù)、日常服務(wù)、危險(xiǎn)環(huán)境作業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用潛力。所以對(duì)雙足步行機(jī)器人行走規(guī)劃及其控制的研究不僅具有很高的學(xué)術(shù)價(jià)值，而且具有相當(dāng)?shù)默F(xiàn)實(shí)意義。 本文中，我們根據(jù)人類(lèi)的步行過(guò)程及人體的生理結(jié)構(gòu)提出了一種簡(jiǎn)單的雙足機(jī)器人模型，并

2、進(jìn)行了步態(tài)規(guī)劃的研究，最終得出了和二級(jí)倒立擺模型相似的雙足機(jī)器人行走模型。在隨后的章節(jié)中針對(duì)這一模型，用二級(jí)倒立擺的平衡控制模擬雙足機(jī)器人在平坦的地面上，腳面抬起高度為0的最小能量消耗的一種行走方式。 本文圍繞二級(jí)倒立擺系統(tǒng)，采用LQR-模糊控制方法實(shí)現(xiàn)了倒立擺的控制系統(tǒng)仿真和實(shí)物系統(tǒng)控制問(wèn)題。仿真與實(shí)物實(shí)驗(yàn)均證明本文設(shè)計(jì)的LQR-模糊控制器有很好的穩(wěn)定性和魯棒性。主要研究工作如下： 建立了倒立擺實(shí)物系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)

3、倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行了能控性分析，證明了倒立擺系統(tǒng)是自然不穩(wěn)定系統(tǒng)，但在平衡點(diǎn)是能控的。針對(duì)倒立擺系統(tǒng)，提出了LQR-模糊控制方法，即運(yùn)用最優(yōu)控制方法設(shè)計(jì)最優(yōu)狀態(tài)變量合成函數(shù)，減少了模糊控制器輸入變量的維數(shù)，成功解決了“規(guī)則爆炸”問(wèn)題。分析了量化因子對(duì)控制效果的影響，通過(guò)設(shè)置閾值使量化因子在平衡點(diǎn)附近可以自動(dòng)切換，進(jìn)而提升了模糊控制器的性能品質(zhì)。 利用Matlab/Simulink工具進(jìn)行了二級(jí)倒立擺模糊控制系統(tǒng)的仿真研究。該工具使模