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双足机器人快速步行动力学研究

作 者: 侯月阳
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: 双足机器人 机器人动力学 快速步行 预观控制 ZMP
分类号: TP242.6
类 型: 硕士论文
年 份: 2008年
下 载: 226次
引 用: 1次
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内容摘要


双足机器人的研究发展迅速,双足步行方式也逐渐受到国内外学术界的重视,并且由于双足机器人是先进技术的代表,因此国外很多商业机构为了推广品牌形象,也争相投身该领域。双足步行所包含的范围较大,本文从快速性入手展开对步行理论研究,所做的研究工作如下:本文设计了基于滑轮组原理的绳索驱动机器人关节传动单元,该单元具有高刚性和轻量化的特点,这为双足机器人提供了一种理论可行的传动方式。本文分别推导出解耦的基于传动轴坐标系、驱动轴坐标系的七连杆和九连杆模型迭代牛顿-欧拉动力学方程。补充了机器人稳定步行的修正条件,利用三阶泰勒公式引入舒适度的概念,推导出基于舒适度的多连杆ZMP公式。本文提出一种用于动力学分析的三维弹簧平台—小车模型,通过简化的舒适度ZMP公式推导出弹簧平台—小车模型的运动规律,并以此作为机器人髋关节竖直方向参考轨迹。将机器人的起步动作合理规划为余弦轨迹,设计出考虑加、减速的可变斜率ZMP轨迹,结合预观控制理论生成了二维质心(Center-Of-Mass,COM)轨迹,采用“基于约束三次样条插值函数”规划出平滑的踝关节轨迹。本文建立12自由度机器人的虚拟样机模型,在MATLAB环境下编写了步行样本和动力学计算程序,并导入ADAMS进行验证,实现了步长0.6m、步行周期0.5s的步行仿真,双足机器人步速达到2.088km/h,符合课题预定目标2km/h,说明本文动力学方程和步行样本的正确性,仿真为今后的样机实验打下基础。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪 论  9-21
  1.1 课题来源及研究目的和意义  9-10
  1.2 双足机器人国内外现状及理论研究  10-19
    1.2.1 双足机器人研究现状  10-16
    1.2.2 双足机器人步行理论研究基础  16-19
  1.3 课题主要研究内容  19-21
第2章 双足机器人传动单元设计  21-29
  2.1 引言  21
  2.2 机器人传动单元设计  21-26
    2.2.1 机器人现有传动方式介绍  21-24
    2.2.2 基于滑轮组的传动单元设计思想  24-25
    2.2.3 传动单元性能分析  25-26
  2.3 快速步行机器人的尺寸与自由度的确定  26-28
    2.3.1 快速步行机器人尺寸确定  26-27
    2.3.2 快速步行机器人自由度确定  27-28
  2.4 本章小结  28-29
第3章 双足机器人动力学与稳定性研究  29-48
  3.1 引言  29
  3.2 运动学建模  29-35
    3.2.1 正运动学方程  29-32
    3.2.2 逆运动学求解  32-34
    3.2.3 步态约束条件  34-35
  3.3 牛顿—欧拉动力学方程推导  35-41
    3.3.1 基于传动轴坐标系的七连杆模型牛顿-欧拉动力学  35-38
    3.3.2 基于驱动轴坐标系的七连杆模型矢状面牛顿-欧拉动力学  38-40
    3.3.3 基于驱动轴坐标系的九连杆模型解耦牛顿-欧拉动力学  40-41
  3.4 稳定性研究  41-47
    3.4.1 稳定性条件的修正  42-44
    3.4.2 基于动量矩定理的ZMP公式  44-45
    3.4.3 基于舒适度的ZMP公式  45-47
  3.5 本章小结  47-48
第4章 基于预观控制的快速步行样本生成  48-64
  4.1 引言  48
  4.2 3D弹簧平台—小车动力学模型  48-51
  4.3 竖直方向COM轨迹规划  51-52
  4.4 可变斜率的ZMP轨迹规划  52-53
  4.5 基于预观控制ZMP的水平COM轨迹生成  53-59
  4.6 踝关节轨迹规划  59-61
  4.7 步行样本生成  61-63
  4.8 本章小结  63-64
第5章 双足快速步行仿真  64-70
  5.1 引言  64
  5.2 步行仿真与结果分析  64-69
    5.2.1 侧偏曲线  64-66
    5.2.2 接触力曲线  66
    5.2.3 COM位置、速度、加速度和ZMP位置  66-68
    5.2.4 关节力矩曲线  68-69
  5.3 本章小结  69-70
结论  70-71
参考文献  71-76
攻读学位期间发表的学术论文  76-78
致谢  78

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人 > 智能机器人
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