对分上体双足被动行走器的设计与控制方法研究

发布时间：2017-06-21 22:09

  本文关键词：对分上体双足被动行走器的设计与控制方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：传统主动步行机器人通过精确控制行走时的关节角度和身体姿态实现仿人行走,这种控制方式使得机器人步态笨重且能耗过大,成为长期制约机器人发展的难题。而基于被动行走理论设计的机器人可以充分依靠自身的动力学特性,使得行走过程步态自然、能耗低,为步行机器人研究提供了全新的方向。目前对被动行走的研究主要集中在理论研究上,对于模型样机的研究相对较少。因此,本文基于Wisse的带上体被动行走模型研制了一款全新的带上体被动行走机器人样机。首先,本文利用牛顿-欧拉方法推导数学模型,得出模型摆动阶段和碰撞阶段动力学方程。通过动力学仿真改变模型参数,发现参数对模型步态、速度、步长和稳定性有不同影响,为后文样机研制提供了参考。其次,利用伞齿结构的特性设计髋部结构,解决了样机对分上体问题。设计主动驱动下体结构,结合样机系统硬件和软件控制单元,建立了带上体、膝关节和踝关节的被动行走机器人样机。然后,采用步态合成方法得出了机器人行走步态。控制方面根据伺服电机的运动特性提出了电机目标输出角度控制方法,同时结合时间状态轮询机制,实现了机器人行走步态控制。最后,采用Webots进行步态仿真,初步验证了整体设计的可行性。结合仿真结果,通过改进行走参数,实现了物理样机在平地上稳定行走,进一步验证了机器人样机设计的正确性。本文扩充了被动行走理论在模型样机方面的研究。利用伞齿结构解决了样机上体对分问题,降低了机器人的控制难度。采用单驱动器方案实现两个关节同时转动,提高了行走效率,减少了设计成本。提出了基于步态合成的机器人行走步态研究方法,结合电机目标输出角度控制方法与时间状态轮询机制,有效的实现了机器人行走控制,解决了机器人行走控制问题。
【关键词】：被动行走机器人 动力学仿真 对分上体 步态合成 控制方法
【学位授予单位】：重庆邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-17
• 1.1 课题背景目的及意义8-9
• 1.2 被动行走机器人研究现状9-15
• 1.2.1 国外研究现状9-14
• 1.2.2 国内研究现状14-15
• 1.3 本文的研究内容和结构安排15-17
• 第2章 机器人数学模型建立与参数分析17-29
• 2.1 机器人数学模型建立17-23
• 2.1.1 被动行走模型介绍17-19
• 2.1.2 模型动力学方程推导19-23
• 2.2 模型参数分析23-28
• 2.3 本章小结28-29
• 第3章 机器人模型样机设计29-41
• 3.1 样机髋部驱动器的选型29-32
• 3.1.1 伺服电机选型原则29-31
• 3.1.2 髋部伺服电机参数31-32
• 3.2 样机机械结构设计32-36
• 3.2.1 髋部结构设计33-34
• 3.2.2 下体结构设计34-36
• 3.2.3 侧向约束系统设计36
• 3.3 机器人主控制单元设计36-40
• 3.3.1 系统硬件单元设计36-38
• 3.3.2 系统软件单元设计38-40
• 3.4 本章小结40-41
• 第4章 基于步态合成的控制系统设计41-50
• 4.1 机器人行走步态合成41-43
• 4.2 髋部控制方法设计43-45
• 4.2.1 髋部位置控制模型43-44
• 4.2.2 髋部电机目标输出角度控制方法44-45
• 4.3 膝关节与踝关节控制方法设计45-46
• 4.4 控制系统软件框架设计46-48
• 4.5 本章小结48-50
• 第5章 机器人软件仿真及样机实验50-59
• 5.1 基于Webots平台的机器人软件仿真50-55
• 5.1.1 Webots机器人软件仿真平台介绍50-51
• 5.1.2 机器人步态仿真在Webots中的实现51-54
• 5.1.3 仿真结果验证54-55
• 5.2 机器人样机试验55-58
• 5.3 本章小结58-59
• 第6章 总结与展望59-61
• 6.1 全文总结59-60
• 6.2 未来工作展望60-61
• 致谢61-62
• 参考文献62-65
• 攻读硕士学位期间从事的科研工作及取得的成果65

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 方一鸣;李宫胤;李建雄;刘乐;;伺服电机驱动连铸结晶器振动系统建模与分析[J];仪器仪表学报;2014年11期

2 马海啸;龚春英;;负载电流前馈双闭环控制逆变器的研究[J];南京邮电大学学报(自然科学版);2012年03期

3 王启源;阮晓钢;;独轮自平衡机器人双闭环非线性PID控制[J];控制与决策;2012年04期

4 王军锋;唐宏;;伺服电机选型的原则和注意事项[J];装备制造技术;2009年11期

5 黄岩;谢广明;杨晓华;王启宁;王龙;;半被动双足机器人动态行走的位姿估算[J];北京大学学报(自然科学版);2009年04期

6 黄伟忠;宋春华;;永磁交流伺服电机国内外市场概况[J];微特电机;2009年01期

7 张晓东;王兵树;张军伟;;PWM整流器的双闭环控制系统设计与仿真研究[J];电测与仪表;2009年01期

8 ;Passive walker that can walk down steps:simulations and experiments[J];Acta Mechanica Sinica;2008年05期

9 毛勇;王家^，

本文编号：470047