双足准被动步行机器人及控制策略研究
发布时间：2021-05-23 01:56
实现类人的稳定、高效及自然的步态一直是双足步行机器人研究领域的研究目标,被动动态步行为实现高效自然的类人步行、设计更加类人的机器人提供了新的思路。对被动步行的研究有助于更深入的了解人类行走机理,对受损肢体康复也有很大借鉴意义。然而,由于被动机器人对步行初值及外界扰动都极其敏感,其步行稳定性及多样性有待进一步加强,相关的被动动态步行机理及相应的控制策略也有待更深入的研究。本文以研制出具有稳定、高效、自然及多样性步态的准被动双足步行机器人为目标,对动力学建模、基于步行性能及稳定性分析的结构参数优化、结构设计及步行控制策略进行深入研究。建立有躯体、膝关节及踝关节的含双支撑阶段动力学模型。该模型不仅含有双足与地面同时接触的双支撑阶段,且步行阶段划分与人类步行过程类似,步态更自然。针对双支撑阶段动力学系统为含多余坐标的完整系统这一问题,基于虚功原理及拉格朗日第一类方程建立双支撑阶段及摆动阶段的动力学方程;基于角动量定理及微分形式的约束方程建立碰撞阶段的动力学方程。针对系统变量数较多时较难搜索到不动点的问题,提出以摆动腿碰地前瞬间作为庞加莱截面构建庞加莱映射的不动点搜索方法,将系统的独立变量数由5...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：143 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
1.2 被动机器人样机及关键机构研究现状
1.2.1 被动机器人样机研究综述
1.2.2 被动机器人关键机构研究综述
1.3 被动机器人步行性能研究现状
1.3.1 基于结构的步行性能研究综述
1.3.2 基于控制的步行性能研究综述
1.4 被动机器人步行稳定性及控制策略研究现状
1.4.1 基于结构的步行稳定性研究综述
1.4.2 提高机器人步行稳定性的控制策略研究综述
1.5 双足被动动态步行机器人研究的关键问题
1.6 本文的主要研究内容
第2章 含双支撑阶段动力学模型构建及步行性能分析
2.1 引言
2.2 含双支撑阶段动力学模型构建
2.2.1 含双支撑阶段动力学模型步行阶段划分
2.2.2 各阶段动力学模型建立
2.3 基于动力学模型的被动机器人运动特性
2.3.1 以碰前瞬间构建庞加莱截面的不动点求解法
2.3.2 被动机器人的运动特性
2.4 基于单步法的参量化结构参数对步行性能影响分析
2.4.1 步行性能参数的量化
2.4.2 结构参数参量化建模及单步分析法
2.4.3 结构参数对步行性能影响分析
2.5 本章小结
第3章 基于稳定性分析的参量化模型结构参数优化
3.1 引言
3.2 模型步行稳定性分析及参量化模型结构参数优化
3.2.1 步态敏感范数的求解
3.2.2 基于胞映射法的吸引域求解
3.2.3 基于参量化建模的稳定性分析
3.2.4 结构参数优化
3.3 本章小结
第4章 基于最优参数的准被动步行机器人系统设计
4.1 引言
4.2 准被动双足步行机器人结构设计
4.2.1 准被动双足步行机器人结构整体概况
4.2.2 髋关节角平分机构设计
4.2.3 柔性关节设计
4.2.4 膝关节设计
4.2.5 踝关节设计
4.3 机器人三维模型动力学仿真
4.4 准被动双足步行机器人控制系统硬件设计
4.5 本章小结
第5章 基于时不变虚拟约束的控制策略研究
5.1 引言
5.2 髋关节时不变虚拟力约束控制策略
5.2.1 时不变虚拟约束原理
5.2.2 控制策略设计
5.2.3 控制参数对步行性能的影响
5.3 双支撑阶段踝关节时不变拉动控制策略研究
5.3.1 控制策略设计
5.3.2 控制参数对步行性能的影响
5.4 摆动阶段摆动腿踝关节时不变角度控制策略研究
5.4.1 摆动腿碰地前踝关节角度对步行的影响
5.4.2 控制策略设计
5.4.3 控制参数对步行性能的影响
5.5 步行总体控制
5.5.1 步行总体控制方案
5.5.2 抗扰能力验证
5.5.3 调速能力验证
5.6 本章小结
第6章 准被动双足步行机器人实验研究
6.1 引言
6.2 实验系统的建立
6.2.1 实验系统硬件组成
6.2.2 实验系统软件设计
6.3 髋关节虚拟约束力控制策略验证实验
6.4 踝关节时不变拉动控制策略验证实验
6.4.1 控制参数对步行性能的影响
6.4.2 调速能力验证实验
6.4.3 抗扰能力验证实验
6.5 摆动阶段摆动腿踝关节时不变角度控制策略验证实验
6.6 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文
致谢
个人简历
【参考文献】：
期刊论文
[1]Biped walking on level ground with torso using only one actuator[J]. FENG Shuai,Al Yahmadi Amur S.,SUN ZengQi. Science China（Information Sciences）. 2013(11)
[2]Modeling and analysis of passive dynamic bipedal walking with segmented feet and compliant joints[J]. Yan Huang,Qi-Ning Wang,Yue Gao,Guang-Ming Xie. Acta Mechanica Sinica. 2012(05)
[3]Analysis of period doubling bifurcation and chaos mirror of biped passive dynamic robot gait[J]. ZHAO Jie,WU XiaoGuang *,ZANG XiZhe & YAN JiHong State Key Laboratory of Robotics and System,Harbin Institute of Technology,Harbin 150080,China. Chinese Science Bulletin. 2012(14)
[4]半被动双足机器人动态行走的位姿估算[J]. 黄岩,谢广明,杨晓华,王启宁,王龙. 北京大学学报(自然科学版). 2009(04)
[5]平面双足机器人虚拟斜坡行走步态生成算法研究[J]. 李立国,赵明国,张乃尧. 机器人. 2009(01)
[6]Passive walker that can walk down steps:simulations and experiments[J]. Ning Liu Junfeng Li Tianshu Wang School of Aerospace,Tsinghua University,Beijing 100084,China. Acta Mechanica Sinica. 2008(05)
博士论文
[1]双足被动步行机器人性能分析及一种动力输入方法研究[D]. 倪修华.哈尔滨工业大学 2010
[2]欠驱动双足机器人行走步态建模与动态行走控制策略研究[D]. 张佩杰.吉林大学 2010
硕士论文
[1]有膝双足被动步行机器人的运动特性和稳定性研究[D]. 崔伟.哈尔滨工业大学 2013
[2]无膝双足被动机器人的运动特性和稳定性研究[D]. 胡运富.哈尔滨工业大学 2009
本文编号：3202064
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：143 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
1.2 被动机器人样机及关键机构研究现状
1.2.1 被动机器人样机研究综述
1.2.2 被动机器人关键机构研究综述
1.3 被动机器人步行性能研究现状
1.3.1 基于结构的步行性能研究综述
1.3.2 基于控制的步行性能研究综述
1.4 被动机器人步行稳定性及控制策略研究现状
1.4.1 基于结构的步行稳定性研究综述
1.4.2 提高机器人步行稳定性的控制策略研究综述
1.5 双足被动动态步行机器人研究的关键问题
1.6 本文的主要研究内容
第2章 含双支撑阶段动力学模型构建及步行性能分析
2.1 引言
2.2 含双支撑阶段动力学模型构建
2.2.1 含双支撑阶段动力学模型步行阶段划分
2.2.2 各阶段动力学模型建立
2.3 基于动力学模型的被动机器人运动特性
2.3.1 以碰前瞬间构建庞加莱截面的不动点求解法
2.3.2 被动机器人的运动特性
2.4 基于单步法的参量化结构参数对步行性能影响分析
2.4.1 步行性能参数的量化
2.4.2 结构参数参量化建模及单步分析法
2.4.3 结构参数对步行性能影响分析
2.5 本章小结
第3章 基于稳定性分析的参量化模型结构参数优化
3.1 引言
3.2 模型步行稳定性分析及参量化模型结构参数优化
3.2.1 步态敏感范数的求解
3.2.2 基于胞映射法的吸引域求解
3.2.3 基于参量化建模的稳定性分析
3.2.4 结构参数优化
3.3 本章小结
第4章 基于最优参数的准被动步行机器人系统设计
4.1 引言
4.2 准被动双足步行机器人结构设计
4.2.1 准被动双足步行机器人结构整体概况
4.2.2 髋关节角平分机构设计
4.2.3 柔性关节设计
4.2.4 膝关节设计
4.2.5 踝关节设计
4.3 机器人三维模型动力学仿真
4.4 准被动双足步行机器人控制系统硬件设计
4.5 本章小结
第5章 基于时不变虚拟约束的控制策略研究
5.1 引言
5.2 髋关节时不变虚拟力约束控制策略
5.2.1 时不变虚拟约束原理
5.2.2 控制策略设计
5.2.3 控制参数对步行性能的影响
5.3 双支撑阶段踝关节时不变拉动控制策略研究
5.3.1 控制策略设计
5.3.2 控制参数对步行性能的影响
5.4 摆动阶段摆动腿踝关节时不变角度控制策略研究
5.4.1 摆动腿碰地前踝关节角度对步行的影响
5.4.2 控制策略设计
5.4.3 控制参数对步行性能的影响
5.5 步行总体控制
5.5.1 步行总体控制方案
5.5.2 抗扰能力验证
5.5.3 调速能力验证
5.6 本章小结
第6章 准被动双足步行机器人实验研究
6.1 引言
6.2 实验系统的建立
6.2.1 实验系统硬件组成
6.2.2 实验系统软件设计
6.3 髋关节虚拟约束力控制策略验证实验
6.4 踝关节时不变拉动控制策略验证实验
6.4.1 控制参数对步行性能的影响
6.4.2 调速能力验证实验
6.4.3 抗扰能力验证实验
6.5 摆动阶段摆动腿踝关节时不变角度控制策略验证实验
6.6 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文
致谢
个人简历
【参考文献】：
期刊论文
[1]Biped walking on level ground with torso using only one actuator[J]. FENG Shuai,Al Yahmadi Amur S.,SUN ZengQi. Science China（Information Sciences）. 2013(11)
[2]Modeling and analysis of passive dynamic bipedal walking with segmented feet and compliant joints[J]. Yan Huang,Qi-Ning Wang,Yue Gao,Guang-Ming Xie. Acta Mechanica Sinica. 2012(05)
[3]Analysis of period doubling bifurcation and chaos mirror of biped passive dynamic robot gait[J]. ZHAO Jie,WU XiaoGuang *,ZANG XiZhe & YAN JiHong State Key Laboratory of Robotics and System,Harbin Institute of Technology,Harbin 150080,China. Chinese Science Bulletin. 2012(14)
[4]半被动双足机器人动态行走的位姿估算[J]. 黄岩,谢广明,杨晓华,王启宁,王龙. 北京大学学报(自然科学版). 2009(04)
[5]平面双足机器人虚拟斜坡行走步态生成算法研究[J]. 李立国,赵明国,张乃尧. 机器人. 2009(01)
[6]Passive walker that can walk down steps:simulations and experiments[J]. Ning Liu Junfeng Li Tianshu Wang School of Aerospace,Tsinghua University,Beijing 100084,China. Acta Mechanica Sinica. 2008(05)
博士论文
[1]双足被动步行机器人性能分析及一种动力输入方法研究[D]. 倪修华.哈尔滨工业大学 2010
[2]欠驱动双足机器人行走步态建模与动态行走控制策略研究[D]. 张佩杰.吉林大学 2010
硕士论文
[1]有膝双足被动步行机器人的运动特性和稳定性研究[D]. 崔伟.哈尔滨工业大学 2013
[2]无膝双足被动机器人的运动特性和稳定性研究[D]. 胡运富.哈尔滨工业大学 2009
本文编号：3202064
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/3202064.html
