基于ZMP的雙足機器人動態步行控制研究

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上傳日期: 2019-12-31

上 傳 者: 易水寒他上傳的所有資料

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標簽:機器人(12505)控制器(5913)

  雙足步行機器人是真正字面意義上或狹義的“機器人”,其研究和發展代表了機器人學的尖端水平。其中最重要的概念是零力矩點(Zero-MomentPoint,簡記ZMP)。本文基于雙足步行機器人ZMP控制與動力學模型,取得了以下主要的研究成果: 首先,本文分析了雙足機器人動態步行過程的運動學特征。即分析雙足步行機器人連桿的位置和姿態與各個關節角之間的關系。包含雙足機器人動態步行的正運動學與逆運動學特性。其中,針對雙足步行機器人的逆運動學問題,使用了解析法與數值法進行求解,并對上述兩種方法進行了對比。 其次,在針對雙足機器人動態步行過程運動學特性的分析基礎上,推導出雙足步行機器人零力矩點(ZMP)的計算公式,該公式稱為ZMP基本方程。ZMP基本方程描述了機器人ZMP與機器人質心之間的關系。在此基礎上,使用拉格朗日方法建立了雙足步行機器人的動力學模型,其中包括單腳支撐階段與雙腳支撐階段的動力學模型。為了方便得到雙足步行機器人的步行模式,使用桌子——小車模型模擬機器人動態步行。使用該等效模型與ZMP基本方程,本文設計了基于ZMP的雙足機器人動態步行模式生成算法。生成步行模式之后,將機器人關節角時間序列帶入機器人動力學模型計算,可以得到關節力矩時間序列。關節驅動器按照力矩時間序列控制關節運動即可實現動態步行。但是,考慮到數值計算等因素導致的誤差累計,本文同時基于桌子——小車模型設計了動態步行穩定控制器,該控制器的作用是通過修正期望ZMP軌跡調節機器人軀干的傾斜角度。 最后,基于本文所設計的雙足步行機器人逆運動學問題求解算法、動態步行模式生成算法與步行穩定控制器所組成的控制系統,采用開放源代碼動力學引擎OpenDynamicEngine進行仿真驗證。首先在三維虛擬環境中建立了雙足步行機器人虛擬樣機模型,其次設計了零重力環境下剛體運動實驗與雙足動態步行實驗。驗證了本文針對雙足步行機器人動態步行所設計的控制方法的有效性。

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