双足机器人控制系统设计与步态规划

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1、硕士研究生学位论文摘要I摘要由于双足机器人独有的双足步行能力使其具有很好的避障能力，对地形适应能力强，工作效率高，正成为机器人研究领域中的热点。步态规划和步行控制作为双足机器人最核心的技术，直接决定着双足机器人性能的优劣。本文围绕双足机器人步行运动控制，开展双足机器人控制系统研制、步态规划方法研究和步行稳定性分析等工作。为进一步研发智能、自主的双足机器人积累经验。本文以自主研制的双足平面步行机器人作为研究平台。根据机器人的主动驱动方式以及双足步行过程中控制需求完成控制系统的开发，提出基于实时操作系统QNX的

2、分布式控制结构设计，并且基于多线程编程思想完成了驱动程序、通讯程序、数据采集程序等程序的设计与编写，为双足机器人的步行实现提供控制基础。在步态规划方面,首先建立双足机器人连杆模型，给出双足机器人的参考坐标系，运用Denavit-Hartenberg运动学参数表示方法，建立运动学模型并对正逆运动学进行描述、求解，得到各个关节的位置表达式和关节角度的求解公式，为之后的步态规划工作提供必要条件。稳定高效的行走可以通过合理的步态规划来实现。本文根据六自由度双足平面机器人的特点设计了步态模型，然后根据步态模型设定各个

3、关键时刻时的位置参数，最后采用三次样条插值方法对参数进行拟合并基于特定的约束和合理的假设生成光滑的关节轨迹。最后通过仿真实验验证了步态规划方法的有效性和实用性。最后本文对双足机器人的稳定性判定理论进行研究，分析和理论推导得出ZMP与COP之间的关系，并根据此原理完成ZMP采集系统的设计。最后通过实验得到了人行走时ZMP的轨迹，为下一步实现步态稳定性控制奠定理论基础。关键词：双足机器人；控制系统；运动学；步态规划；稳定性；三次样条II摘要硕士研究生学位论文硕士研究生学位论文AbstractIIIAbstrac

4、tBipedrobot,duetogoodabilitytoavoidobstacle,strongabilitytoadapttotheenvironmentandhighefficiency,isbecomingahotissue.Bipedlocomotionandbipedcontrolarethekeyskillforbipedrobot,whichdirectlydeterminethewholeperformanceofthebipedrobot.Themaincontentofthispap

5、erfocusedonthemotioncontrolofthebipedrobot,controlsystem,gaitplanningandstabilityforthebipedrobotwereanalyzed,whichgatherexperiencefordesigninghighintelligentbipedrobot.A6DOFbipedrobotwasdesignedandmadeinourlaboratory.Controlsystemwasdesignedaccordingtothe

6、drivemodeoftherobotandtherequirementduringthewalkingprocess.AdistributedcontrolstructurewasproposedbasedonQNXreal-timesystem.Basedonmulti-threadprogramming,thedriversoftware,communicationprogramanddatacollectionprogramweredesigned,whichprovidedthecontrolba

7、sementforthebipedrobot.Forgaitplanning,linkmodelofthebipedrobotwasestablishedandreferenceframeswasgiven.ThenDenavit-Hartenbergtheorywasusedtoestablishkinematicmodelandexpressionsforthepositionsandanglesofjointswereobtained,whichprovidednecessaryconditionfo

8、rgaitplanning.Basedonthecharacteristicofthe6DOFbipedrobot,theplanningmodelofthegaitwasproposedandseveralkeyparametersofgaitinoneperiodwasdetermined.Thecubicsplinefittingmethodwasusedtofittheparameters.Simulat