类人猿机器人双足步行及步行方式动态转换运动控制研究

摘要

为了解决仿人双足步行机器人对于复杂地面环境的适应能力比较差，吴伟国教授于1999年提出了一种具有多种移动方式的类人猿机器人。与仿人双足步行机器人相比，仿生于类人猿动物的类人猿机器人由于具有多种移动方式和步行方式转换机能，对复杂地势具有良好的环境适应性和移动灵活性，在未来的空间技术、国防、军事等方面具有很大的应用潜力，其研究具有重要的实际意义。
　　本文是在仿人机器人步行理论的基础上，对类人猿机器人“GoRoBoT”进行了双足步行、步行方式转换和起立运动的研究。为了实现双足稳定动步行，本文采用了余弦可变ZMP(ZeroMomentPoint)运动轨迹。由基于可变ZMP和三维倒立摆的动力学原理，推导出了单脚支撑期内和步行方式转换期间机器人的质心运动轨迹方程；并采用三次样条曲线来保证机器人在双脚支撑期质心加速度的连续性，从而由规划得到了光滑的质心运动轨迹。在此基础上，由逆运动学求解得到连续运动的各关节轨迹。
　　基于上述的理论，在仿真软件ADAMS的环境下对类人猿机器人“GoRoBoT”仿真实现了双足前向稳定动步行，双足上下台阶，步行方式动态转换过程，从而验证了本文的步行样本生成方法的正确性和合理性；通过仿真得到的关节力矩曲线、着地脚的地面反力曲线等仿真结果验证了机器人步行和步行方式转换的能力。
　　本文在分析类人猿机器人步行方式转换的基础上，通过力矩控制来进行起立运动控制研究，采取摆动双臂来调整起立，运用试行错误的方法，获得了在不同着地位置下的多组起立样本及其控制参数，通过对成功样本及控制参数的泛化获得了通用的样本生成器及控制器，并利用MATLAB与ADAMS对未经历的四足着地位置进行起立控制仿真，验证了通用样本生成器和控制器的正确性。

目录

类人猿机器人双足步行及步行方式转换运动控制研究

类人猿机器人双足步行及步行方式转换运动控制研究

RESEARCH ON BIPED WALKING AND DYNAMIC WALKING MODES SHIFTING CONTROL FOR A GORILLA ROBOT

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

仿人机器人研究现状

类人猿机器人研究现状

仿人机器人研究内容和方法

1.3 步行方式转换的研究现状

1.4 分析与总结

1.5 本课题研究的主要内容

第2章 类人猿机器人“GoRoBoT”系统

2.1 具有多种移动方式的类人猿机器人概念

2.2 “GoRoBoT”机构及其特点

2.3 基于实际机器人机构简化模型

2.4 “GoRoBoT”软硬件系统构成

“GoRoBoT”软件系统构成

“GoRoBoT”硬件系统构成

2.5 本章小结

第3章 双足步行及步行方式转换的运动分析

3.1 双足动步行的条件分析

3.2 运动学分析

双足步行的约束条件

由D-H法建立双足步行的坐标系

逆运动学求解

由D-H法建立步行方式转换的坐标系

3.3 本章小结

第4章 双足步行及步行方式转换的轨迹规划

4.1 轨迹规划理论基础

4.2 双足前向步行时的步态规划

双足前向步行时质心规划

双足前向步行时游脚规划

双足前向步行双脚支撑期质心规划

4.3 上下台阶时的质心轨迹生成

4.4 步行方式转换时的质心轨迹

4.5 样本生成的程序设计

4.6 连续运动样本生成实例

4.7 本章小结

第5章 连续运动及起立运动控制仿真研究

5.1 仿真环境

ADAMS仿真软件简介

“GoRoBoT”机器人的三维虚拟样机的仿真

5.2 连续运动仿真

连续运动仿真的参数

连续运动仿真结果分析

5.3 基于试行错误和样本方法的起立运动控制研究

控制仿真系统的设计

控制仿真成功样本

起立运动仿真结果分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

附录1

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致谢