基于预观控制的仿人机器人步态规划与稳定控制

发布时间：2017-10-24 21:38

  本文关键词：基于预观控制的仿人机器人步态规划与稳定控制

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【摘要】：稳定行走能力是仿人机器人服务人类的必要前提,因此也成为仿人机器人领域内一直备受关注且重点研究的热门课题之一。目前国内外关于仿人机器人稳定行走的研究非常广泛,而预观控制理论根据未来的ZMP(零力矩点)信息对当前的质心状态做出调整,数学模型简单且生成的轨迹平滑,因此是仿人机器人稳定行走研究领域内非常重要的一种方法。但目前基于预观控制理论的稳定行走研究多针对受到扰动时微量调整质心或ZMP轨迹,并不能根据扰动情况调整落脚点,且实时性有待于进一步提高。本文基于预观控制理论,加入抗干扰控制策略,并进一步提高算法的实时性,提出了基于预观控制的仿人机器人行走步态规划与稳定控制方法。首先,针对ZMP跟踪精度与算法实时性相矛盾的问题,本文在使用预观控制理论时,通过减小预观时间来提高质心轨迹生成的实时性;另一方面通过多连杆模型对倒立摆模型进行补偿,弥补因为模型原因带来的ZMP跟踪误差大的问题,解决了ZMP跟踪精度与算法实时性间的矛盾。其次,针对目前基于预观控制理论的研究不能根据扰动情况调整落脚点的问题,本文提出了基于预观控制理论的仿人机器人抗扰动控制策略,当机器人受到外界干扰时,通过使用倒立摆飞轮模型计算外界干扰对机器人ZMP的影响情况来决定是否调整落脚点以适应外界干扰所带来的不稳定因素。此外,针对机器人位置控制所带来的触地冲击力过大的问题,本文提出了仿人机器人柔顺着地控制器,有效减小仿人机器人脚底板触地时的冲击力,进一步增强仿人机器人行走稳定性。最后,建立了基于Adams动力学仿真软件的虚拟样机,并通过仿真验证了多连杆模型补偿的有效性和仿人机器人行走抗扰动控制器的有效性。并进行了BHR-5仿人机器人平台多连杆模型补偿和行走抗扰动实验,进一步验证了基于预观控制的仿人机器人步态规划与稳定控制方法的有效性。
【关键词】：仿人机器人 预观控制 步态规划 稳定控制
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 第1章 绪论9-24
• 1.1 本文研究目的和意义9-11
• 1.2 仿人机器人国内外研究现状11-19
• 1.3 仿人机器人行走稳定控制研究现状19-22
• 1.4 本文主要研究内容22-24
• 第2章 基于预观控制的仿人机器人步态规划24-46
• 2.1 概述24
• 2.2 预观控制器24-34
• 2.2.1 倒立摆模型24-28
• 2.2.2 ZMP的定义与计算28-31
• 2.2.3 预观控制理论31-34
• 2.3 仿人机器人行走步态轨迹生成器34-41
• 2.3.1 ZMP轨迹规划34-36
• 2.3.2 轨迹生成器36-41
• 2.4 仿人机器人倒立摆模型误差补偿控制器41-45
• 2.4.1 仿人机器人多连杆模型ZMP计算41-42
• 2.4.2 倒立摆补偿控制器42-44
• 2.4.3 补偿结果及分析44-45
• 2.5 本章小结45-46
• 第3章 仿人机器人抗扰动控制46-54
• 3.1 概述46
• 3.2 抗扰动控制器46-50
• 3.3 行走稳定控制器50-53
• 3.4 本章小结53-54
• 第4章 仿真与实验54-75
• 4.1 概述54
• 4.2 仿真与实验平台54-58
• 4.2.1 仿真平台构建54-56
• 4.2.2 实验平台简介56-58
• 4.3 仿真验证58-68
• 4.3.1 仿真参数与判定依据58-62
• 4.3.2 基于预观控制的行走仿真验证62-63
• 4.3.3 多连杆模型补偿行走仿真验证63-65
• 4.3.4 抗扰动行走仿真验证65-68
• 4.4 实验验证68-74
• 4.4.1 多连杆补偿后仿人机器人行走实验68-69
• 4.4.2 稳定行走控制器行走实验69-74
• 4.5 本章小结74-75
• 结论与展望75-77
• 参考文献77-84
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单84-85
• 致谢85

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本文编号：1090683