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双足机器人行走稳定性控制方法与实验研究

作　者: 李恒楠
导　师: 王立权
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 双足步行机器人 ZMP/COP 检测系统控制策略
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

双足机器人是融合了机械、控制、计算机、材料等多学科技术的一个载体,是仿生学的一个典型例子,它高度的汇集了各相关学科的前沿技术,并将其有机的结合在一起。数十年来,人们对其研究的热情丝毫不减,不仅是因为他能够代表研究者的科研实力与理论水平,而且在对其研究的过程中也积极推动了相关领域的发展。双足机器人在军事、医疗和服务领域都有着广阔的前景。本文研究了双足机器人行走稳定性的控制方法并对其进行了实验研究,主要包括双足机器人步态稳定性判据,步态稳定性检测系统,步态稳定性控制策略等。分析了双足机器人零力矩点ZMP与压力中心点COP之间的相互关系,建立了COP检测原理,并从原理上推导证明了在机器人足底与地面无粘性力和无吸附力的情况下,机器人的COP与ZMP位置相同。所以提出了通过检测COP位置,从而获得ZMP位置的检测方法,并结合机器人ZMP和机器人重心点COG,获得了双足机器人步态稳定性判据。设计并调试了基于PC和Turbo PMAC PCI的双足机器人步态稳定性检测及控制系统,分层阐述了检测系统的硬件组成及控制软件,分析了该系统的硬件性能和相应的软件实现方法。结合仿生的步态控制方法及人在行走时ZMP平稳移动的特性,提出了基于移动可伸缩三维倒立摆模型的双足机器人步态控制策略。通过ZMP点在有效稳定范围内的调整,对足部的踝关节和足趾关节进行力矩限定,同时将伸缩杆的驱动力作为实际多杆模型下各关节驱动补偿力矩,实现了步态补偿控制。在双足机器人HEUBR 1物理样机的实验平台上,完成了机器人步态稳定性的实验。通过对电机数据采集、足底压力值采集和稳定性步态进行的实验,验证了步态稳定性控制方法的可行性。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-19
  1.1 概述  10-11
  1.2 双足步行机器人发展概况  11-18
    1.2.1 国外发展概况  11-15
    1.2.2 国内发展概况  15-17
    1.2.3 双足步行机器人控制技术概述  17-18
  1.3 本文主要研究内容及工作  18-19
第2章双足机器人总体设计  19-29
  2.1 引言  19
  2.2 双足机器人结构设计  19-22
    2.2.1 关节自由度分配  19-20
    2.2.2 机器人关节设计  20-22
    2.2.3 机器人样机三维建模  22
  2.3 双足机器人驱动部件选择  22-28
    2.3.1 电机与传动元件选型  22-24
    2.3.2 传感器元件的选择  24-25
    2.3.3 主控器的选择  25-26
    2.3.4 驱动器的选择  26-28
  2.4 本章小结  28-29
第3章双足机器人稳定性判据分析  29-43
  3.1 引言  29
  3.2 双足机器人ZMP分析  29-37
    3.2.1 ZMP的引入  29-30
    3.2.2 ZMP与支撑多边形  30-31
    3.2.3 二维平面ZMP分析  31-32
    3.2.4 三维空间ZMP分析  32-34
    3.2.5 ZMP的测量方法  34-37
  3.3 双足机器人ZMP/COP分析  37-42
    3.3.1 COP的引入  37
    3.3.2 ZMP/COP分析  37-39
    3.3.3 支撑多边形描述  39-42
  3.4 本章小结  42-43
第4章双足机器人步态检测系统设计  43-54
  4.1 引言  43
  4.2 步态检测系统总体设计  43-45
  4.3 步态检测系统硬件设计  45-52
    4.3.1 上层检测系统  45
    4.3.2 中层检测系统  45
    4.3.3 压力检测系统  45-51
    4.3.4 电机检测系统  51-52
  4.4 本章小结  52-54
第5章双足机器人稳定性步态控制策略  54-62
  5.1 引言  54
  5.2 倒立摆的引入  54-57
    5.2.1 二维倒立摆的引入  54-56
    5.2.2 三维倒立摆的引入  56-57
  5.3 移动可伸缩三维倒立摆模型  57-58
  5.4 双足机器人倒立摆模型的步态控制策略  58-59
  5.5 仿真模型及仿真分析  59-61
  5.6 本章小结  61-62
第6章双足机器人步态实验  62-71
  6.1 引言  62
  6.2 实验软件设置  62-65
  6.3 双足机器人步行实验研究  65-69
  6.4 ZMP检测实验研究  69
  6.5 本章小结  69-71
结论  71-72
参考文献  72-77
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  77-78
致谢  78

双足机器人行走稳定性控制方法与实验研究

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