多种环境下仿人机器人二足步行方法研究

论文摘要

仿人机器人研究是一个热门的研究领域,近年来取得了许多优秀的成果。但目前仿人机器人离实际应用还有很大的距离,其中一个重要的原因是仿人机器人还不能在人类复杂的生活环境下灵活稳定的行走。本文主要针对华南理工大学智能计算机实验室自主研制的一个具有的24自由度的仿人机器人进行讨论,通过对仿人机器人机构、数学模型、步态稳定性等方面进行深入研究,提出了仿人机器人在平地、斜坡、楼梯等多种环境的步态规划方法。论文的主要工作及创新成果如下：1.根据人体结构比例给出了仿人机器人机构设计方案,为了使所设计的机器人能够模拟人的动作,参考人的各个关节运动范围,定义了机器人各个关节角的运动范围。并针对仿人机器人的步行机构特点,对步行模型进行了简化,忽略了侧向运动的影响,建立了仿人机器人在前向平面内的数学模型。2.基于力学稳定性原理,规划出仿人机器人平地行走、斜坡行走、上下楼梯运动等基本动作的关键点轨迹,采用三次样条插值函数拟合出平滑的关节运动轨迹曲线,利用逆运动力方程求出各关节的运动轨迹。然后,利用动力学模型计算出仿人机器人的ZMP轨迹,通过判断ZMP轨迹是否处于稳定区域来获得稳定的步行运动轨迹。3.利用OpenGL和3DS MAX建立仿人机器人三维实时仿真平台,通过模拟真实环境中的受力、碰撞等物理约束,实现对斜坡、楼梯等多种环境的模拟。最后,在仿真系统中实现仿人机器人平地行走、斜坡行走、上下楼梯等基本动作的仿真,并验证了本文中的步态规划算法的可行性与稳定性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 国内外仿人机器人研究现状
• 1.2.1 国外仿人机器人的研究概况
• 1.2.2 国内仿人机器人的研究概况
• 1.2.3 仿人机器人研究的发展方向
• 1.3 论文各部分的主要内容
• 第二章 仿人机器人本体机构设计
• 2.1 引言
• 2.2 本体机构设计
• 2.2.1 机器人基本参数
• 2.2.3 执行机构装配
• 2.3 各关节的运动约束
• 2.4 本章小结
• 第三章 仿人机器人仿真平台实现
• 3.1 引言
• 3.2 仿人机器人三维仿真技术
• 3.2.1 OpenGL技术
• 3.2.2 3DS MAX建模技术
• 3.2.3 3ds文件读取和显示接口
• 3.2.4 三维场景的全方位观察技术
• 3.2.5 碰撞检测技术
• 3.2.6 环境作用力的OpenGL实现
• 3.3 仿真平台的设计与实现
• 3.3.1 仿真平台的总体设计
• 3.3.2 仿真平台服务端设计
• 3.3.3 仿真平台客户端设计
• 3.3.4 仿真平台测试
• 3.4 本章小结
• 第四章 仿人机器人数学建模
• 4.1 引言
• 4.1.1 位姿描述
• 4.1.2 齐次变换
• 4.1.3 D-H约束
• 4.2 仿人机器人运动学建模
• 4.2.1 仿人机器人正运动学建模
• 4.2.2 仿人机器人逆运动学建模
• 4.3 仿人机器人动力学建模
• 4.3.1 仿人机器人模型简化
• 4.3.2 动力学模型
• 4.4 本章小结
• 第5章 仿人机器人步态规划与稳定性分析
• 5.1 步态规划的基本概念
• 5.2 步态规划方法
• 5.2.1 基于仿生学的步态规划
• 5.2.2 基于稳定性的步态规划
• 5.2.3 基于能量优化的步态规划
• 5.2.4 基于神经网络的步态规划
• 5.2.5 其它行走控制方法
• 5.3 仿人机器人步态规划稳定性分析
• 5.3.1 零力矩点和重心投影点
• 5.3.2 仿人机器人步态稳定性条件
• 5.4 本章小结
• 第六章 多种环境下仿人机器人步态规划
• 6.1 人类步行周期分析
• 6.2 仿人机器人平地步行的步态规划
• 6.2.1 平地步行运动轨迹
• 6.2.2 平地步行运动步态规划算法及流程
• 6.2.3 平地步行运动仿真实验
• 6.3 仿人机器人上斜坡运动的步态规划
• 6.3.1 上斜坡运动轨迹
• 6.3.2 上斜坡运动步态规划算法及流程
• 6.3.3 上斜坡运动仿真实验
• 6.4 仿人机器人上下楼梯运动的步态规划
• 6.4.1 上下楼梯运动轨迹
• 6.4.2 上下楼梯运动步态规划算法及流程
• 6.4.3 上下楼梯运动仿真实验
• 6.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢