基于CPG的六足仿生机器人步态规划研究

发布时间：2017-10-05 12:10

  本文关键词：基于CPG的六足仿生机器人步态规划研究

  更多相关文章： 中枢模式发生器 Hopf振荡器 六足机器人 步态规划

【摘要】：六足机器人稳定性高、步态形式多样、负载能力强,具有广阔的应用前景。中枢模式发生器(CPG)耦合振荡器模型能自发的生成稳定的周期振荡信号,通过构建拓扑网络,实现多个CPG单元之间的耦合,适合用于六足机器人的步态规划。首先,以非洲红火蚁的身体结构为参照,设计“Hex Ant”六足仿生机器人,从机构学上分析机器人的运动自由度。建立六足机器人运动学模型,并通过MATLAB进行仿真验证。根据各关节的转动角度范围,用MATLAB仿真出足端工作空间,对两条腿的足端工作空间进行分析计算,确定足行程取值范围与足端工作空间的关系。然后,给出了步态规划的基本概念,并确定机器人稳定裕度计算公式;根据支撑足数量和行走方向,规划出九种不同的步态;设定足端轨迹曲线,得到各种步态下六足机器人各关节转角的变化曲线,并根据运动过程中足端轨迹,计算出每种步态的稳定裕度。对同一种步态的不同方案的稳定裕度进行对比分析,确定步态的最优方案。其次,对CPG的生物学控制机理进行分析,将其映射到机器人的步态规划中。确定CPG步态生成的方法步骤。对不同种类的振荡器特性进行比较,选用Hopf振荡器建立CPG模型,研究Hopf振荡器的参数与极限环收敛速度、输出信号的幅值、频率、占空比之间的关系。建立分层式CPG网络结构,上层网络控制腿间协调,下层网络控制腿内关节间协调。上层网络有两种连接方式:全对称网络连接和环状网络连接,在不同的连接方式下,得到不同步态下CPG网络的输出信号,比较不同步态下两种连接方式的优缺点,根据步态类型选择合适的网络连接方式。通过腿间耦合和腿内关节间耦合,实现了步态的协调稳定。最后,搭建机器人实验平台,针对“Hex Ant”机器人三、四、五支撑足步态模式,分别进行了直行、横行、旋转运动共九种步态的运动控制实验,实验结果验证了机器人步态规划与CPG模型的有效性。
【关键词】：中枢模式发生器 Hopf振荡器 六足机器人 步态规划
【学位授予单位】：中国计量大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-16
• 1 绪论16-26
• 1.1 课题背景16-17
• 1.2 六足机器人研究现状17-20
• 1.2.1 国外研究现状17-19
• 1.2.2 国内研究现状19-20
• 1.3 六足机器人步态规划方法研究现状20-21
• 1.4 基于CPG的步态规划研究现状21-25
• 1.5 论文主要研究内容25-26
• 2 六足仿生机器人结构设计与运动学分析26-39
• 2.1 六足仿生机器人结构设计26-29
• 2.1.1 六足仿生机器人结构设计26-28
• 2.1.2 六足机器人机体自由度28-29
• 2.2 六足仿生机器人运动学分析29-36
• 2.2.1 正运动学分析30-34
• 2.2.2 逆运动学分析34-35
• 2.2.3 运动学模型验证35-36
• 2.3 足端工作空间分析36-38
• 2.4 本章小结38-39
• 3 六足机器人步态规划39-56
• 3.1 步态规划概念与稳定性分析39-40
• 3.1.1 步态基本术语39-40
• 3.1.2 稳定性分析40
• 3.2 三支撑足步态规划40-51
• 3.2.1 三支撑足直行步态规划41-44
• 3.2.2 三支撑足横行步态规划44-47
• 3.2.3 三支撑足旋转步态规划47-51
• 3.3 四支撑足步态规划51-53
• 3.4 五支撑足步态规划53-54
• 3.5 不同步态下稳定裕度的比较54-55
• 3.6 本章小结55-56
• 4 基于CPG的六足机器人步态生成56-80
• 4.1 CPG生物控制机理56-57
• 4.2 CPG步态生成设计思路57-58
• 4.3 CPG非线性振荡器模型58-64
• 4.3.1 CPG振荡器选型58-61
• 4.3.2 单个Hopf振荡器参数调整61-64
• 4.4 六足机器人CPG网络拓扑结构64-79
• 4.4.1 CPG网络整体结构64-66
• 4.4.2 腿间耦合66-72
• 4.4.3 腿内关节间耦合72-79
• 4.5 本章小结79-80
• 5 六足机器人样机研制与实验研究80-101
• 5.1 六足机器人系统设计80-87
• 5.1.1 六足机器人样机特性80
• 5.1.2 运动控制系统整体方案80-81
• 5.1.3 硬件系统81-84
• 5.1.4 软件系统84-87
• 5.2 三支撑足步态实验87-91
• 5.2.1 三支撑足直行步态87-88
• 5.2.2 三支撑足横行步态88-90
• 5.2.3 三支撑足旋转步态90-91
• 5.3 四支撑足步态实验91-95
• 5.3.1 四支撑足直行步态91-92
• 5.3.2 四支撑足横行步态92-94
• 5.3.3 四支撑足旋转步态94-95
• 5.4 五支撑足步态实验95-100
• 5.4.1 五支撑足直行步态95-97
• 5.4.2 五支撑足横行步态97-98
• 5.4.3 五支撑足旋转步态98-100
• 5.5 本章小结100-101
• 6 总结与展望101-103
• 6.1 总结101-102
• 6.2 展望102-103
• 参考文献103-107
• 作者简历107

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本文编号：976709