拟人机器人的步态规划仿真研究

清风明月

拟人机器人的步态规划仿真研究
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# w# g) d  \% U5 B" `       摘要:拟人步行机器人与轮式、爬行式和履带式等移动机器人相比,由于支撑脚离散,交替接触地面,所以具有更好的环境适应性。而步态规划是当前影响拟人机器人技术进步的重要课题之一,是成功和有效地实现拟人机器人稳定步行的理论基础和关键技术。在分析拟人机器人自由度配置的基础上,运用三维造型软件建立机器人模型。从拟人机器人运动学和动力学特性出发,对拟人机器人的稳定性步态规划进行了研究,提出了运用不同理论分段规划机器人步态的方法,得到运动轨迹。然后运用虚拟样机仿真,进一步提出了拟人机器人稳定性控制策略和方法。 本文主要研究内容: 1)分析拟人步行过程中对自由度的要求,实现了拟人机器人腿部自由度的合理配置,据此建立了用于描述拟人机器人运动的三维模型,提出了拟人机器人的整体设计方案。 2.)建立了拟人机器人动力学和运动学模型。运用具有普遍性的方法推导得出了拟人机器人运动学模型中各个刚体及其质心的速度、加速度的正解。推导计算了单脚和双脚支撑时的拟人机器人动力学模型正解。 3)根据拟人机器人步行的周期性和ZMP原理,分析传统的步态规划算法,将步态规划分成三个阶段:起步、正常行走、止步。正常行走阶段,...
* M  }4 D, }' F; `6 N      关键词:拟人机器人; 步态规划; 稳定性; 虚拟样机; 遗传算法; 仿真;
1 Z' R$ n$ ]' K- _8 c& C
% E0 u% i( Y, n& i) S) }" d- \全文KDH格式，一个压缩包

& l6 q  ]0 f0 }- F: ^4 {1 O* l- K5 W目录
摘要.......................................................................................................I
8 t3 r6 g$ W4 p" h1 w# \8 }ABSTRACT.............................................................................................II
& S6 e0 R  S* Q0 f# p0 T+ E) A第1章绪论.............................................................................................1
1 r1 E2 T" H. {1.1引言.................................................................................................1
9 I9 @9 K, x$ o: C9 M5 k1.2国内外拟人步行机器人研究状况.......................................................2
1.3课题研究的方向、难点和主要内容.................................................13
第2章拟人机器人本体结构...................................................................15
: _/ A, x9 V* H6 K9 s2.1自由度配置研究..............................................................................15
2.2驱动机构选择..................................................................................21
. I; F" T6 m- z. P  X2.3存在的技术难题..............................................................................22
  q5 P! @4 i; k2.4拟人机器人总体设计.......................................................................23
$ r4 ^) n& b9 N2.5小结...............................................................................................25
第3章拟人机器人机构的数学模型........................................................26
3.1引言...............................................................................................26
3.2运动学模型....................................................................................28
3.3拟人机器人动力学模型..................................................................36
. m; R. G3 w7 V3.4拟人机器人的对称等效模型...........................................................41
3.5小结..............................................................................................41
6 j' u- Q: D; G4 t' k第4章拟人机器人步态规划和稳定性研究............................................42
4.1拟人机器人步态规划.....................................................................42
8 `1 K4 L& |4 C4.2拟人机器人步态规划方法..............................................................42
% `3 t& c$ I! i4.3稳定性研究及控制方法.................................................................47
1 L! Q4 f. X  ~0 V4.4拟人机器人步行步态规划..............................................................52
4.5小结..............................................................................................61
8 g: ?# E; N- o. O6 x第5章基于虚拟样机技术的建模与仿真................................................62
5.1引言..............................................................................................62
5 }; G2 w. I2 d; c5.2虚拟样机技术概述.........................................................................62
! d$ H1 e7 R9 i3 E* t5 t5.3拟人机器人模型建立.....................................................................65
, d' ^, X. _4 [9 @# G& P8 k5.4拟人机器人虚拟模型仿真研究.......................................................68
5.5虚拟样机联合仿真.........................................................................80
4 V  a- m. g, s% J- C% S5.6小结..............................................................................................83
第6章基于模糊逻辑控制的拟人机器人步态优化..................................84
6.1引言..............................................................................................84
' O& e/ }7 \3 A" ~1 S3 H1 ^6.2考虑到外界干扰的稳定性计算........................................................84
6.3 FZMP与支撑多边形关系................................................................86
  Z- f' V2 k' |' d9 z6.4控制策略.......................................................................................86
6.5基于遗传算法的步态控制策略优化................................................88
6.6小结..............................................................................................92
第7章总结与展望................................................................................93
7.1本论文的主要研究工作..................................................................93
2 u2 O9 Y5 Y/ Z9 I  z, W' _7.2有待进一步解决的问题..................................................................93
0 E7 b) b0 ?+ [; M参考文献............................................................................................94
. s5 n* k; R+ I. W. V) l$ d" ~攻读硕士学位期间发表的论文...........................................................102
2 w; J% L% ?0 g致谢.................................................................................................103