仿人跑步机器人快速跑步研究

论文摘要

近些年来仿人跑步机器人逐渐成为国内外的一个研究热点。和其它移动方式的机器人相比，仿人跑步机器人具有速度快、效率高和受环境限制少、运动灵活等特点。对它的研究也可以带动其它相关学科的发展。因此，仿人跑步机器人的研究不仅具有重要的学术意义，而且有现实的应用价值。目前国际上研究的仿人跑步机器人的跑步速度还很低，只能是所谓的慢跑机器人，其中除了元器件等技术上的原因外，还因为对相关理论研究的缺乏。因此，本文主要研究仿人跑步机器人在快速跑步时产生的新问题，从理论上进行分析，主要有变拓扑结构动力学、动态稳定性分析、跑步步态规划、跑步过程仿真算法及机器人跑步运动的控制等内容，具体如下： 一、针对机器人跑步的特点，建立了统一的坐标系统，提出了基于D-H参数齐次转换矩阵的三维运动学模型。正向运动学采用齐次转换矩阵从参考坐标系到各个杆件依次分析；对于逆运动学，为了配合跑步步态规划，根据机器人质心和双脚的轨迹，由运动约束建立一组非线性方程组，通过Newton-Raphson迭代方法求得各个关节角度、角速度和角加速度的数值解。仿真结果表明这种方法求解速度快、精度高，克服了以往把机器人质心固定在髋关节的缺点，可应用于机器人快速跑步实时规划中。 二、基于笛卡儿坐标和欧拉四元数建立了仿人跑步机器人变拓扑结构动力学模型。针对机器人在起跳阶段和飞行阶段存在不同约束，分别建立了起跳阶段和飞行阶段两种动力学方程，推导了从一种状态到另一种状态的转变条件，以实现机器人变拓扑系统的全局自动仿真。这种动力学方程由微分方程和代数约束方程组成，其优点是通过稍微修改约束方程和雅克比矩阵，就可以方便地建立各自动力学方程，建模速度快、精度高。最后基于拉格朗日动力学方程推导了机器人落地脚和地面发生碰撞时支撑腿关节角速度的变化公式。 三、根据D’Alembert原理推导了机器人在起跳阶段和飞行阶段的动态稳定性条件；同时根据地面支反力的分布情况，推导了机器人单脚着地时，不在地面打滑的条件，两者结合构成了机器人跑步时动态稳定性条件。 四、在满足动力学条件和稳定性的前提下，提出了基于“虚拟腿”的仿人跑步机器人跑步步态规划方法，并通过仿真成功地实现了速度为2.9m／s的跑步动作。在起跳阶段通过“虚拟腿”的动力学方程来确定机器人质心的轨迹，可以使机器人实现飞行动作；在飞行阶段机器人的质心按照自由落体运动。然后通过规划机器人双脚的轨迹和上臂的轨迹就可以确定机器人的跑步步态。采用这种方法，容易满足机器人跑步的动力学和稳定性条件；并可以方便地规划机器人的起步和止步步态；本文对于机器人跑步步态的规划是在三维方向上进行的，充分考虑到前向运动和侧向运动的耦合，克服了以往把机器人质心固定在髋关节的缺点，具有精度高、速度快等优点，适合于机器人快速跑步。 五、在仿人跑步机器人变结构动力学、稳定性和跑步步态规划的基础上，本文提出了对机器人的快速跑步动作进行全局仿真的算法，通过算例，成功实现了机器人从直立静止状态，经过起步、中步和止步步态，最后恢复到直立状态的完整动作。机器人在中步步态下前向跑步速度为2.9m／s，是目前研究中速度最快的，且机器人关节驱动力矩小、功率消耗低。最后，本文采用ADAMS软件建立了机器人的虚拟样机，验证了仿真结果的有效性。 六、提出了对机器人前向跑步速度控制和对机器人关节驱动力矩控制的控制策略。对于机器人跑步速度的控制，采用基于“虚拟腿”的方法，通过调整机器人落地时“虚拟腿”和铅垂线的夹角来进行控制，控制方法简便易行；对于机器人关节力矩的控制，采用基于机器人拉格朗日动力学方程的“阻抗控制”方法，这种方法类似人类在跑步时本能的控制方法，因而具有一定的优越性。以往的研究一般只对机器人关节力矩进行控制，本文对二者同时进行控制，因而具有一定的创新。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的意义和主要内容
• 1.2 国内外仿人机器人的研究现状
• 1.2.1 仿人步行机器人的研究现状
• 1.2.2 仿人跑步机器人的研究现状
• 1.3 相关研究工作
• 1.3.1 仿人跑步机器人结构设计
• 1.3.2 仿人跑步机器人动力学研究
• 1.3.3 仿人跑步机器人步态规划
• 1.3.4 仿人跑步机器人稳定性
• 1.3.5 仿人跑步机器人落地冲击问题
• 1.3.6 仿人跑步机器人控制
• 1.4 论文的章节安排
• 第二章 仿人跑步机器人的结构及运动学分析
• 2.1 引言
• 2.2 仿人跑步机器人的结构
• 2.3 坐标系统的建立及机器人主要参数
• 2.4 仿人跑步机器人的正向运动学分析
• 2.5 仿人跑步机器人的逆运动学分析
• 2.5.1 起跳阶段的逆运动学求解
• 2.5.2 飞行阶段逆运动学的求解
• 2.5.3 非线性方程组数值迭代算法
• 2.6 仿真算例
• 2.7 本章小节
• 第三章 仿人跑步机器人的变结构动力学分析
• 3.1 引言
• 3.2 变结构动力学的基本概念
• 3.2.1 变结构动力学的分类
• 3.2.2 变拓扑结构动力学的基本研究方法
• 3.3 仿人跑步机器人的变拓扑结构动力学分析
• 3.3.1 建立坐标系
• 3.3.2 确定约束方程及雅克比表达式
• 3.3.3 建立起跳阶段和飞行阶段的动力学方程
• 3.3.4 确定不同阶段相互转换的识别方程
• 3.4 仿人跑步机器人变结构动力学方程的求解
• 3.4.1 仿人跑步机器人正向动力学方程的求解
• 3.4.2 仿人跑步机器人逆动力学的求解
• 3.5 仿人跑步机器人落地脚冲击分析
• 3.6 本章小节
• 第四章 仿人跑步机器人的稳定性分析
• 4.1 引言
• 4.2 仿人跑步机器人稳定性分析
• 4.2.1 起跳阶段
• 4.2.2 飞行阶段
• 4.3 机器人在地面打滑现象分析
• 4.3.1 垂直支反力的分布
• 4.3.2 着地脚和地面接触时切向力的分布
• 4.4 本章小节
• 第五章 仿人跑步机器人的跑步步态规划
• 5.1 引言
• 5.2 有关跑步的基本概念
• 5.3 基于“虚拟腿”的仿人跑步机器人中步步态规划
• 5.3.1 “虚拟腿”的概念
• 5.3.2 前向步态规划
• 5.3.3 侧向步态规划
• 5.4 基于“虚拟腿”的仿人跑步机器人起步和止步步态规划
• 5.4.1 起步步态规划
• 5.4.2 止步步态规划
• 5.5 本章小节
• 第六章 仿人跑步机器人仿真算法及控制
• 6.1 引言
• 6.2 仿人跑步机器人跑步过程的仿真算法
• 6.3 仿人跑步机器人的虚拟原理样机建模
• 6.3.1 虚拟原理样机建模技术简介
• 6.3.2 仿人跑步机器人的虚拟原理样机建模
• 6.4 仿人跑步机器人的控制
• 6.4.1 控制方案
• 6.4.2 仿人跑步机器人的阻抗控制
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 论文的创新点
• 7.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果
• 附录A 三次样条曲线插值公式
• 附录B 仿人跑步机器人动力学计算程序