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欠驱动双足机器人行走步态建模与动态行走控制策略研究

作　者: 张佩杰
导　师: 田彦涛
学　校: 吉林大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 欠驱动双足机器人被动行走极限环吸引域
分类号: TP242
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 472次
引　用: 4次
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内容摘要

机构设计与双足步行理论是双足机器人研究的两个主要内容。被动动力学理论是双足机器人研究的一个重要方向,其主要研究意义在于揭示双足行走机构本身的动力学特性,为双足机器人机构设计、行走步态分析与控制算法综合提供新的研究思路。本文研究了欠驱动双足机器人的机械结构设计、参数优化以及动态行走控制策略的设计等问题。根据欠驱动双足机器人的被动行走步态原理,设计了欠驱动双足机器人样机PADW-JLU II,实现了高效率双足欠驱动行走步态。提出了一种新的欠驱动机器人双脚机构,利用弹性元件实现了双脚落地碰撞过程中的机械能储存,减小了地面的反作用力,简化了行走过程中双脚的控制,实现了欠驱动双足机器人样机行走过程中的三维动态平衡。建立了带膝关节的平面四连杆欠驱动机器人被动行走步态的动力学模型,并进行了数值仿真,分析了行走步态中的能量转化过程,揭示了被动行走步态的内在机理,并分析了不同物理参数条件下机器人被动行走步态特性的变化规律。提出了基于时间维信息的极限环表示方法,使被动行走步态极限环能够更清晰地表示行走的动态过程。利用胞映射的方法实现了被动行走步态极限环吸引域的求解,并结合牛顿迭代思想提出了一种新的吸引域求解方法,提高了计算精度,减小了计算量。基于混合系统周期轨道的局部稳定性与全局稳定性定义,以被动行走步态极限环的局部与全局稳定性为指标,实现了欠驱动行走机器人的参数优化。利用极限环行走的概念,设计了欠驱动机器人的比例—微分控制算法,并通过迭代优化控制器的参数,实现了欠驱动机器人的动态行走控制。本论文研究得到了国家高技术研究发展计划(863计划)课题(2006AA04Z251)、国家自然科学基金项目(60974067)、吉林省科技发展计划项目(20070524)的资助。

全文目录

提要  4-9
第1章绪论  9-27
  1.1 引言  9-10
  1.2 双足机器人的驱动与控制  10-13
    1.2.1 双足机器人的研究现状  10-11
    1.2.2 双足机器人的控制方法  11-13
  1.3 欠驱动双足行走机器人  13-16
    1.3.1 欠驱动双足机器人的研究背景  14-15
    1.3.2 欠驱动双足机器人的研究意义  15
    1.3.3 欠驱动双足机器人的主要研究内容  15-16
  1.4 欠驱动行走的研究现状  16-24
    1.4.1 含驱动的半被动行走机器人  17-21
    1.4.2 被动行走机器人的动态控制  21-23
    1.4.3 存在的主要问题  23-24
  1.5 论文主要研究内容与章节安排  24-27
    1.5.1 论文主要研究内容  24-25
    1.5.2章节安排  25-27
第2章欠驱动双足机器人机械结构设计  27-47
  2.1 引言  27-28
  2.2 欠驱动行走机构设计方法  28-34
    2.2.1 欠驱动行走机构的侧向平衡  28-29
    2.2.2 欠驱动机器人的驱动  29-32
    2.2.3 欠驱动机器人的上身设计  32
    2.2.4 欠驱动机器人的脚的设计  32-34
  2.3 PADW-JLU I 型欠驱动机器人设计  34-37
    2.3.1 欠驱动双足机器人原型机设计目标  34-35
    2.3.2 PADW-JLU I 的自由度设置  35
    2.3.3 PADW-JLU I 脚的设计  35-37
    2.3.4 PADW-JLU I 控制系统设计  37
  2.4 PADW-JLU II 欠驱动机器人原型机的设计  37-45
    2.4.1 PADW-JLU II 系统总体结构分析  37-39
    2.4.2 PADW-JLU II 髋关节设计  39-42
    2.4.3 PADW-JLU II 膝关节设计  42-43
    2.4.4 PADW-JLU II 脚的设计  43-45
  2.5 PADW-JLU II 型原型机实验  45-46
  2.6 本章小结  46-47
第3章欠驱动双足步行机器人被动行走步态建模与仿真  47-61
  3.1 引言  47
  3.2 欠驱动双足机器人行走步态模型  47-50
    3.2.1 两点足模型  47-48
    3.2.2 圆规型欠驱动机器人模型  48-50
    3.2.3 三维欠驱动行走步态模型  50
  3.3 带膝关节的四连杆欠驱动双足机器人模型  50-55
    3.3.1 模型描述  50-51
    3.3.2 被动行走步态分析  51-52
    3.3.3 被动行走步态的具体模型  52-55
  3.4 多自由度欠驱动机器人步态模型仿真  55-60
    3.4.1 被动行走步态极限环  55-57
    3.4.2 被动步态的位移曲线  57-58
    3.4.3 被动步态的能量分析  58-59
    3.4.4 基于时间维信息的极限环描述  59-60
  3.5 本章小结  60-61
第4章被动行走步态极限环吸引域估计  61-75
  4.1 引言  61
  4.2 被动行走步态的轨道稳定性  61-65
    4.2.1 被动行走混合动态模型  62-63
    4.2.2 被动行走周期步态  63
    4.2.3 周期稳定性分析  63-64
    4.2.4 周期稳定步态初值求解  64-65
  4.3 被动行走步态的局部稳定性分析  65-67
    4.3.1 被动行走步态的庞卡莱映射  66-67
    4.3.2 基于周期动态的局部稳定性分析  67
  4.4 被动行走步态的吸引域估计  67-70
    4.4.1 周期步态吸引域的性质  68
    4.4.2 胞映射方法  68-70
    4.4.3 胞映射方法的缺点  70
  4.5 二分法计算极限环吸引域  70-74
    4.5.1 二分法的基本原理  70-72
    4.5.2 二维二分法  72-73
    4.5.3 吸引域估计的仿真实验  73-74
  4.6 本章小结  74-75
第5章平面四连杆欠驱动双足机器人参数优化  75-87
  5.1 引言  75
  5.2 欠驱动双足机器人行走步态模型归一化  75-77
    5.2.1 归一化步态模型  76-77
    5.2.2 周期步态初值求解  77
  5.3 欠驱动双足机器人行走步态仿真分析  77-82
    5.3.1 地面倾斜角度的影响  77-79
    5.3.2 质量分布参数的影响  79-81
    5.3.3 长度尺寸的影响  81-82
  5.4 基于局部稳定性的参数优化  82-84
  5.5 基于全局稳定性的参数优化  84-85
  5.6 本章小结  85-87
第6章欠驱动机器人动态行走控制策略设计  87-93
  6.1 引言  87
  6.2 欠驱动机器人的能量控制方法  87-89
  6.3 角度不变控制  89-90
  6.4 基于迭代优化算法的PD 控制  90-92
  6.5 本章小结  92-93
第7章全文总结  93-95
  7.1 本文的研究背景与研究目标  93
  7.2 本文完成的主要工作及结论  93-94
  7.3 需要进一步研究的问题  94-95
附录  95-99
  A 欠驱动双足机器人被动行走步态建模  95-99
    A.1 摆动阶段Ⅰ  95-96
    A.2 膝关节碰撞阶段Ⅱ  96-97
    A.3 摆动阶段Ⅲ  97-98
    A.4 足碰撞阶段Ⅳ  98-99
参考文献  99-108
攻读博士学位期间发表的论文  108-110
攻读博士学位期间参加的科研项目  110-111
致谢  111-112
摘要  112-115
ABSTRACT  115-117

欠驱动双足机器人行走步态建模与动态行走控制策略研究

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