双足步行机器人的设计与研究

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1、摘要摘要本文对双足步行机器人建立了完整的动力学模型，使机器人能在平面上实现稳定的动态行走。并且对模型的可靠性和实用性进行了仿真计算，结果证实了文中模型的合理性和可行性。首先对所要研究的双足步行机器人进行机构分析，确定其自由度数、自由度分配方案及关节形式等。为了使建立的模型利于计算机控制和编程计算，文章采用了一种递推的Newton-Euler方法来建立机器人的动力学模型，这种方法的特点是利用递推计算的办法来形成力学方程中动力矩阵和关联矩阵的元素，这就使得非常复杂的动力学方程在编程计算的时候显得非常简洁、有效，在这个基础上，提出了基于三次样条插值的步态参数规划方法，对踝关节和髋关节利用此法进行了

2、轨迹规划和仿真，并结合机器人的轨迹规划，推导了各个关节的角度一时间函数，接着给出零力矩点(ZeroMomentPoint)的定义，推导了其求解公式，并讨论了能使双足步行机器人实现连续稳定步行的ZMP轨迹。在双足步行机器人的控制问题上，文章采用的是跟踪式的PID控制法，具体措施是首先把机器人的行走过程按一个很小的时间间隔分成许多时间域，其次把机器人的动力学方程在每个时域里线性化，然后在这个时域内对机器人进行PID控制。其实这种控制方法允许对机器人控制系统的特性参数进行设计，这就更容易使控制系统达到我们的要求；另外，由于在控制系统中采用了变结构环节，用来抵消由于实际机器人的某些力学参数很难精确测

3、量，所带来的对稳定性的负面影响，从而增强了机器人的自适应性。文章最后将此控制方法应用到机器人在单脚支撑期时髋关节的运动，并用Matlab进行了仿真计算，其结果显示，文章所采用的建模方法、步态参数规划和控制措施是合理的、有效的、实用的。·7关键词：双足步行机器人、动力学模型、步态、零力矩点(ZMP)、控制模型江南大学硕士学位论文AbstractIntegratedmechanicsmodelforabipedrobotisconstructedinthispaper,whichmaketherobotCanwalkonplanedynamicallyandsteadily．Simulation

4、computingresultforthebipedisalsopresentedinthepaper，theresultverifiesthatthemethodofmodelingisavailable．Firsttheobjectofthebipedrobotisorientated，theneextedjoint，DOF(degreeoffreedom)areensured，andthestructureisanalyzed．Duringthecm．n'seofmodeling,aspecialNewton—Eulermethodisadopted，thismethodmakeitc

5、onvenientforcontrollingandprogramming．Theprincipiumofthemethodisthatthedynamicalmatrixandcorrelativematrixareformedbyusingaiterativealgorithm，thealgorithmhasveryhighefficiencyduringprogramming,especiallyforsolvingcomplicateddynamicalequation．Basedontheresultthetracksofthefootandhipjointareplannedre

6、latedtoparametersthroughstabilitymarginthroughinverseYdordersplintinterpolation，andthisplanconfirmsthatbigenough．Afterthat，theotherjointanglesarealsogainedkinematicsformulas．ThenZMPisobjectedanddeduced．TorealitiestheZMPgaitofconcatenationstabilizationisdiscussed．Onthecontrollingofbiped，atrailingPID

7、methodisintroduced．Concretestepisthatdividingastepperiodintomanyconsecutivespacebytime，secondly,liningthedynamicequationofrobotineachspace；then,PIDmethodWasuseineveryliningspace．Thismethodattainstheaimofcon