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双臂手移动机器人地面行走的研究

作　者: 姚世斌
导　师: 吴伟国
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 双臂手机器人步态规划稳定性控制动步行 ADAMS仿真
分类号: TP242.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

近年来,移动机器人已成为机器人研究领域的前沿和热点方向之一。随着研究的不断深入,人们要求机器人能够完成一些特殊的任务,面向塔类、空间桁架等不连续介质应用环境提出的多移动方式空间桁架用双臂手移动机器人既能在地面上行走,又能在空间桁架结构中灵活自由的穿行。本论文主要对双臂手机器人地面行走的相关理论进行研究。要实现双臂手机器人稳定的地面行走,涉及的研究领域很广,本文研究其中一些最为基础和关键的问题,主要有数学模型的建立、步行稳定性与约束条件、步态规划与优化、步行控制策略和仿真验证等,具体有:介绍了该机器人的系统构成,包括自由度配置和机械结构部分。在分析了机器人系统的基础上,为实现机器人在地面上的稳定行走,介绍了双臂手机器人的分层控制结构,机器人的控制系统分三层:组织层、协调层和执行层,分别完成任务规划、关节协调运动控制和关节伺服控制任务。推导双臂手机器人期望ZMP(零力矩点)的广义关节坐标表达式,建立地面反力的六维力传感器和一维力传感器测量系统,推导了实际机器人和虚拟样机中的ZMP测量方法。分析各关节运动对ZMP影响,以及ZMP偏差和机器人翻转力矩形成的原因,提出了运用不同理论分段控制机器人稳定性的方法,在单脚支撑期,利用ZMP偏差信息在线补偿支撑脚踝关节;在双脚支撑期,利用阻抗控制来控制机器人脚和地面的接触力。对双臂手机器人地面行走的步态规划进行了深入的研究,根据几何约束条件,提出机器人静态步行的规划方法。为使机器人的静态步行速度加快,在考虑各关节速度、加速度、加加速度和稳定性约束的基础上,利用遗传算法对关节空间中各关键点间的运行时间间隔进行优化。仿真结果验证了该方法规划的机器人轨迹能使机器人快速行走,该方法可推广应用到其他类型机器人轨迹规划上。为拓展机器人的运动能力,规划了机器人上下台阶的关节轨迹。在ADAMS中建立了双臂手机器人的虚拟样机系统,利用Matlab建立实际机器人的控制系统,通过ADAMS/Controls模块建立了ADAMS和Matlab的联合仿真系统。对机器人各关节的PID参数进行了整定,设计了机器人的模糊PID控制器,仿真结果表明,模糊PID控制器的动静态特性均优于传统的PID控制器。在ADAMS中进行了机器人的步行仿真验证,机器人实现了静态步行、周期为10s,步幅为0.3m的动态快速步行和上下台阶运动,得到了各关节驱动力矩曲线和踝关节补偿力矩曲线,验证了步态规划算法和步态补偿方法的正确性,仿真结果还验证了双臂手机器人在地面上的移动能力,为实际的机器人步行实验提供了有效的理论依据和数据依据。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-17
  1.1 课题来源及研究的目的和意义  10
  1.2 机器人国内外现状及理论研究  10-16
    1.2.1 腿式移动机器人的国外研究现状  10-12
    1.2.2 移动机器人的国内研究现状  12-13
    1.2.3 移动机器人的稳定性研究现状  13-15
    1.2.4 机器人步行样本生成研究现状  15-16
  1.3 本论文的主要研究内容  16-17
第2章双臂手机器人系统及模型简介  17-23
  2.1 引言  17
  2.2 机器人自由度的配置及结构  17-18
    2.2.1 机器人的机械结构参数  17-18
    2.2.2 双臂手机器人的构型  18
  2.3 双臂手机器人的分层控制系统  18-20
  2.4 双臂手机器人的运动学模型  20-21
  2.5 本章小结  21-23
第3章双臂手机器人稳定步行的相关理论研究  23-40
  3.1 引言  23
  3.2 ZMP的相关理论  23-32
    3.2.1 ZMP公式的推导  23-25
    3.2.2 ZMP的测量  25-27
    3.2.3 稳定区域与稳定裕度  27-29
    3.2.4 各关节运动对ZMP的影响  29-31
    3.2.5 双臂手机器人稳定步行的补充条件  31-32
  3.3 单足支撑期的稳定控制  32-33
  3.4 着地冲击对机器人稳定性的影响  33-36
  3.5 双足支撑期的阻抗控制  36-39
    3.5.1 阻抗控制原理  36-37
    3.5.2 阻抗控制的仿真分析  37-39
  3.6 本章小结  39-40
第4章双臂手机器人的轨迹规划  40-54
  4.1 引言  40
  4.2 双臂手机器人地面行走的步态描述  40-41
    4.2.1 一个完整步行周期的步态描述  40-41
    4.2.2 双臂手机器人步态的对称性分析  41
  4.3 双臂手机器人的静态步态规划  41-43
  4.4 机器人的时间最优轨迹规划  43-50
    4.4.1 最优时间轨迹规划的数学描述  43-45
    4.4.2 基于遗传算法的时间最优轨迹规划  45-50
  4.5 机器人上下台阶步态规划  50-53
  4.6 本章小结  53-54
第5章机器人控制系统的设计与步行仿真  54-71
  5.1 引言  54
  5.2 双臂手机器人虚拟样机仿真系统的建立  54-57
    5.2.1 虚拟样机的建立  54-55
    5.2.2 联合仿真系统的建立  55-57
  5.3 实际机器人底层模糊控制器的设计  57-62
    5.3.1 PID控制算法简介  57-58
    5.3.2 PID参数的整定  58-59
    5.3.3 自适应模糊控制器的设计  59-62
  5.4 双臂手机器人静态步行仿真  62-64
  5.5 双臂手机器人动态步行仿真  64-67
  5.6 双臂手机器人上下台阶仿真  67-70
  5.7 本章小结  70-71
结论  71-73
参考文献  73-77
攻读学位期间发表的学术论文  77-79
致谢  79

双臂手移动机器人地面行走的研究

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