双足机器人步态规划及其应用研究

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1、广东工业大学硕士学位论文（工学硕士）双足机器人步态规划及其应用研究陈柏良二O一八年六月分类号：TP242学校代号：11845UDC：621.3密级：学号：2111504133广东工业大学硕士学位论文（工学硕士）双足机器人步态规划及其应用研究陈柏良校内导师姓名、职称：李军副教授学科(专业)或领域名称：控制科学与工程学生所属学院：自动化学院论文答辩日期：2018年5月26日ADissertationSubmittedtoGuangdongUniversityofTechnologyfortheDegreeofMaster（MasterofEngineerin

2、g）ResearchongaitplanninganditsapplicationofbipedrobotCandidate:ChenBoliangSupervisor:AssociateProf.LiJunMay2018SchoolofAutomationGuangdongUniversityofTechnologyGuangzhou，Guangdong，P.R.China，510006摘要摘要双足机器人具有很好的机动性与环境适应能力。然而，双足机器人的步行系统是一个内在的不稳定系统，该步行系统动力学特性非常复杂，包含多个变量，存在强耦合、非线性和变结

3、构等特点，也因此一直是机器人领域研究的热点和难点之一。又由于双足机器人的研究涉及到机械力学、自动化学、计算机学、电子信息学、人工智能、材料学等众多领域。所以，双足机器人的整体研究水平不仅反映了一个国家自动化与智能化的发展状况，而且还代表着一个国家的综合科技实力。因此，研究双足机器人的步态规划和应用具有重要的现实意义。双足机器人的运动学研究，即各关节角变量与其各运动连杆之间的联系，主要包含正运动学与逆运动学两个部分。本文首先介绍了双足机器人的运动学基础，在此基础之上，通过机器人的逆运动学实例推导出各关节的求解过程，并介绍了双足机器人步行稳定性的中常用的判定

4、依据，即零力矩点（ZeroMomentPoint，ZMP）。不论是单脚支撑阶段还是双脚支撑阶段只有当ZMP落在支撑脚的稳定区域，双足机器人才不会发生翻倒情况。双足机器人的步态规划研究，即通过特定的方法得出机器人各关节角度轨迹随着时间变化而呈现规律性。本文采用三维线性倒立摆的方法从前向和侧向两个维度规划处其质心的运动轨迹，再利用质心与各关节运动约束条件从而求得各个关节的角度，进而实现双足机器人的步态规划。通过把相关数据代入，在MATLAB仿真环境中得到了前向步态和侧向步态各关节角轨迹。双足机器人的步态优化研究，即保证双足机器人在步行过程中其稳定裕尽可能大，

5、稳定性尽可能的强，从而实现稳定行走。本文以髋关节的X方向轨迹为函数变量对其余各关节轨迹进行相应表述，并根据ZMP的稳定性约束条件、行走过程中的速度约束条件采用粒子群(ParticleSwarmOptimization，PSO)算法对相关参数进行了优化。根据优化前后的ZMP数据对比，发现其稳定裕提高了，步行稳定性增强了，充分证明了该优化方法的有效性。双足机器人的应用研究，即对特定的双足机器人从硬件结构到控制算法上的实践过程。本文一方面采用实验室中的Alpha1s双足机器人对其进行外接控制器调I广东工业大学硕士学位论文试，调试过程中发现当单个脚步的舵机运动时

6、容易出现扭矩不够导致堵转，可以得出在设计大型双足机器人的时候需要充分考虑电机所在位置的扭矩，防止出现扭矩不够从而产生电机堵转被烧坏的情况。另一方面根据前文介绍的三维线性倒立摆步态规划和PSO优化算法并结合DARwin-OP2的相关参数实现了DARwin-OP2机器人的稳定步行，充分证明了三维线性倒立摆步态规划的可行性。关键词：双足机器人；三维线性倒立摆；ZMP；步态规划；PSO算法；IIABSTRACTABSTRACTBipedrobothasgoodmaneuverabilityandadaptabilitytoenvironment.However,

7、thewalkingsystemofbipedrobotisaninherentunstablesystem.Thedynamiccharacteristicofthewalkingsystemisverycomplex,containsmanyvariables,andhasthecharacteristicsofstrongcoupling,nonlinearandvariablestructure.Soithasbeenoneofthehotanddifficultproblemsinthefieldofrobotresearch.Inadditi

8、on,theresearchofbipedrobotinvolvesmanyfi