双足步行机器人自学习控制方法研究

论文摘要

双足机器人是一门与仿生学、多刚体动力学、多传感器融合技术以及控制工程等多学科相结合的交叉学科,是机器人研究领域中的一个重要分支。双足行走方式具有高度的灵活性,与轮式、爬行式和履带式等移动机器人相比,有着更好的环境适应性,在日常服务、危险环境作业等领域具有广阔的应用潜力。所以对双足步行机器人行走规划及其控制研究不仅具有很高的学术价值,而且具有相当的现实意义。论文中,我们根据人类的步行过程及人体的生理结构提出了一种简单的双足机器人模型。在杆件坐标系下,基于齐次坐标变换对双足步行机器人进行了正逆运动学的建模,为后续的步态规划奠定了基础。在步态规划问题上,采用零力矩点方法分析了仿人步行的稳定条件。基于规划的稳定性判别依据,采用多项式拟合的方法来计算出仿人机器人在行走过程中的行走轨迹。对规划结果进行了计算机仿真,并说明了规划的合理性和有效性。接着介绍了支持向量机,支持向量回归机以及模糊逻辑的相关知识。基于实际机器人系统中样本数据含有的不确定性和模糊信息的特征,在传统支持向量回归机的基础上,引入模糊逻辑的方法,提出了一种三维支持向量回归机的学习方法。通过模糊逻辑来提高支持向量回归机在学习过程中处理不确定性信息的能力。通过学习能效优化控制器的实验数据,构成了机器人的在线能效控制器。通过三维支持向量回归机方法能很好的解决于实际系统中样本数据含有的不确定性和模糊信息的学习问题。仿真实验表明,该算法的精确性和鲁棒性都很好明显优于传统支持向量回归机。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 国外仿人机器人研究发展现状
• 1.3 国内仿人机器人研究发展现状
• 1.4 本文主要工作
• 第二章 双足机器人系统结构与数学模型及稳定性分析
• 2.1 引言
• 2.2 机器人的结构
• 2.3 数学基础
• 2.3.1 位姿描述
• 2.3.2 齐次坐标与齐次变换
• 2.4 运动学模型
• 2.4.1 正运动学建模
• 2.4.2 逆运动学建模
• 2.5 步行稳定性分析
• 2.5.1 零力矩点（ZMP）的定义
• 2.5.2 稳定步行条件
• 2.5.3 ZMP计算
• 2.6 本章小结
• 第三章 双足机器人步态规划及仿真
• 3.1 引言
• 3.2 步态规划的方法
• 3.3 总体步态规划
• 3.4 轨迹规划
• 3.4.1 脚掌轨迹规划
• 3.4.2 踝关节轨迹规划
• 3.4.3 髋关节轨迹规划
• 3.4.4 膝关节轨迹规划
• 3.5 MATLAB仿真
• 3.6 本章小结
• 第四章 支持向量机和模糊逻辑
• 4.1 引言
• 4.2 支持向量机
• 4.2.1 超平面分类与最优间隔超平面
• 4.2.2 软间隔分类器
• 4.2.3 SVM和核函数
• 4.3 回归支持向量机
• 4.3.1 线性回归机
• 4.3.2 非线性回归机
• 4.4 模糊理论基础
• 4.4.1 模糊数学简介
• 4.4.2 模糊集的定义
• 4.4.3 模糊集的表示
• 4.4.4 模糊隶属度函数（模糊化）和解模糊化（逆模糊化）
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于TD-FSVR的双足机器人学习控制系统
• 5.1 引言
• 5.2 三维模糊支持向量回归机模型
• 5.2.1 三维回归平面
• 5.2.2 三维模糊核函数
• 5.2.3 TD-FSVR隶属度函数及核函数的设计
• 5.3 TD-FSVR模型优化
• 5.3.1 模糊优化目标函数的定义
• 5.3.2 优化问题求解
• 5.4 基于TD-FSVR的机器人控制系统及仿真
• 5.4.1 控制系统
• 5.4.2 仿真
• 5.5 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文
• 攻读学位期间参加的课题
• 致谢