双足机器人步态规划及动态稳定性的研究

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1、万方数据AThesisfortheMasterDegreeinMechanicalDesignandTheoryGaitPlanningandDynamicStabilityStudyofBipedRobotByLiXiaohuiSupervisor：ProfessorWangHongNortheasternUniversityJune2011㈣啾螋舢1㈣蜩万方数据独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果

2、，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢=t思。学位论文作者签名：夕茧观望广、日期：沙竹易目汐日学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：半年口一年口一年半口两年∥学位论文作者签名

3、：老骇缘签字日期：沙，辟6日调导师签名：签字日期：加，f阜／司西日万方数据东北大学硕士学位论文摘要双足机器人步态规划及动态稳定性研究摘要仿人机器人是机器人研究领域最高研究成果的代表。它是一门高度交叉的学科，它广泛涉及机械学、电子学、计算机科学、自动控制工程、人工智能、仿生学等多个领域，是目前科学研究最活跃的领域之一。与轮式、履带式和多足式等机器人运动时的稳定支撑不同，步行的稳定性一直是双足步行机器人所要解决的主要技术难点，尤其是快速的动态步行，对稳定性提出了很高的要求。为了解决这一问题，除了结构设计要合理和

4、控制系统优I曼#1-，合理的步态规划对于解决这一问题显得尤为关键。因此，步态规划一直是仿人机器人的研究热点之一。本文以上届学长已设计好机构的双足机器人为研究对象，对其进行了步态规划的研究。首先，对双足机器人的运动规划进行了研究，并分别对路径规划方法和步态规划方法进行详细讲述。在对静态步行和动态步行进行分析之后，对双足机器人步行稳定性控制的关键ZMP(零力矩点)理论进行了研究，为后面章节的规划做好准备。同时对于双足机器人两种主要的步行生成模式进行了研究和讨论，选择了基于线性倒立摆模型的步行生成模式。然后，结合

5、设计好的机器人样机的结构尺寸、质量和自由度的配置对仿人机器人的运动学建模方法进行了研究，将双足机器人的运动解耦为前向运动和侧向运动并建立了运动学模型，采用广义坐标法，进行了正逆运动学求解，为后来的步态规划奠定基础。在运动学建模的基础上，基于拉格朗日动力学方程进行机器人的动力学建模，该建模方法在求得各关节角变化信息后可以方便地分析各关节所需的驱动力矩，作为动力学分析和机器人电机选型的依据。最后，基于ZMP稳定性判据采用三次样条函数对机器人进行了完整的步态规划，并将规划重点放在周期性的正常行走阶段。采用更为接近

6、人类步行的改进的两步规划法，使得运动更加流畅自然。在一些合理假设和约束条件下，对机器人的踝关节，髋关节的前向和侧向运动的关键点进行了周期性参数化，力求得到有较大稳定裕度的规划结果，以保证规划的良好稳定性。为了验证步态规划的周期性和准确性，需要通过以上规划得出各个关节转角和其一阶、二阶导数的变化情况。进而代入动力学方程求得各个关节的驱动力矩。最后对机器人的起步和止步阶段进行规划，得到了完整的离线规划。关键词：双足机器人，ZMP动态稳定性判据，运动学和动力学，步态规划万方数据东北大学硕士学位论文Abstract

7、GaitPlanningandDynamicStabilityStudyofBipedRobotABSTRACTHumanoidrobotstandsforthehighestresearchresultintherobotfield．Asahighdegreecrossdisciplineitcontainsmechanics，electronic，computerscience，automaticcontrolengineering，artificialintelligence，bionicsandot

8、hertechnologiesandisoneofthehottestresearchfield．Differentfromthestablesupportingofwheeltype，pedrailtype，multipedtypeandotherkindofrobotswhentheyaremoving，stabilizationofhumanoidwalkinghasalwaysbeenthemaintec