一类欠驱动步行机器人运动学动力学分析及控制算法研究

论文摘要

本论文的研究工作得到国家高科技研究发展计划(863计划)资助,课题名称为“欠驱动步行机器人运动学分析与控制算法研究”(2006AA04Z251)。论文旨在对欠驱动双足步行机器人动力学建模、运动学描述、行走速度和稳定性控制方面进行研究,设计欠驱动步行机器人由不稳定步态过渡到稳定步态的控制策略以及由低速行走切换到高速稳定行走的控制策略;尝试建立稳定行走的最优轨迹生成法则和欠驱动步行机器人在不同速度间切换的控制法则,扩大欠驱动机器人模型在相空间中稳定行走域的范围,为原型机的控制器及其驱动机构的设计提供理论依据。全文主要内容概括如下:比较了两种平面欠驱动双足机器人的运动学动力学特性,分析了有膝关节欠驱动机器人的大腿小腿协调摆动的稳定步态及相平面中的极限环,着重对三维欠驱动机器人进行动力学建模。对混合动力系统有限时间轨迹跟踪控制进行研究,利用轨迹跟踪的策略来实现欠驱动步行机器人行走步态的稳定性控制,并对控制系统的鲁棒性加以讨论。通过分析重力对欠驱动机器人动力学特性影响,推导其行走速度和重力作用的关系,然后采取基于势能补偿的控制算法实现了不同速度下机器人的稳定行走,通过速度切换控制算法实现了机器人在不同行走速度下的平稳过渡。通过对采用控制算法后机器人系统的性能以及控制过程中整个系统能量变化的分析与评价,验证控制算法的有效性。最后,对全文进行了总结。

论文目录

• 提要
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.2 国内外发展现状及存在问题
• 1.2.1 欠驱动双足机器人国内外研究现状
• 1.2.2 欠驱动双足机器人建模与控制的国内外研究现状
• 1.2.3 国内外研究存在问题
• 1.3 本文主要内容及章节安排
• 第2章 欠驱动双足机器人模型与动力学分析
• 2.1 引言
• 2.2 欠驱动机器人建模的发展
• 2.3 两种欠驱动双足机器人的模型的比较与分析
• 2.3.1 有膝关节的欠驱动机器人的建模
• 2.3.2 两种欠驱动双足机器人的稳定行走的分析与对比
• 2.4 三维双足机器人建模
• 2.4.1 三维欠驱动机器人模型的提出
• 2.4.2 三维欠驱动机器人模型的假设
• 2.4.3 三维欠驱动机器人动力学-运动学方程
• 2.4.4 降维简化基本原理及建模合理性验证方法介绍
• 2.5 欠驱动机器人足部结构的分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 欠驱动双足机器人轨迹跟踪控制
• 3.1 引言
• 3.2 最小能耗参考轨迹的生成原理
• 3.3 双足机器人最小能耗参考轨迹生成
• 3.3.1 被控双足模型的选取
• 3.3.2 最优轨迹生成
• 3.4 轨迹跟踪控制算法
• 3.4.1 角度不变控制
• 3.4.2 轨迹跟踪控制算法
• 3.5 仿真实验
• 3.5.1 轨迹跟踪的鲁棒性分析
• 3.5.2 不同坡度路面的稳定行走
• 3.6 本章小结
• 第4章 欠驱动双足机器人速度切换控制算法设计
• 4.1 引言
• 4.2 被控双足模型的选取与控制器基本原理
• 4.3 基于势能补偿的速度控制
• 4.4 速度切换控制算法
• 4.4.1 控制算法的设计
• 4.4.2 仿真实验
• 4.5 速度切换控制中能量的转换
• 4.6 本章小结
• 第5章 全文总结
• 5.1 本文的研究背景与研究目标
• 5.2 本文完成的主要工作及结论
• 5.3 需要进一步研究的问题
• 参考文献
• 附录
• 附录1
• 附录2
• 附录3
• 附录4
• 攻读硕士学位期间参与的项目和发表的文章
• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT