仿人機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃及其穩(wěn)定性控制研究.x課件

仿人機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃及其穩(wěn)定性控制研究仿人機(jī)器人除了外形具有人類(lèi)的相似特征外,還具有雙足步行這一區(qū)別于其它機(jī)器人的移動(dòng)方式,該特點(diǎn)使得它受環(huán)境的制約小且靈活性較高。因此仿人機(jī)器人近幾年來(lái)的相關(guān)研究受到各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注。為了提高仿人機(jī)器人的行走穩(wěn)定性,步態(tài)規(guī)劃和穩(wěn)定性研究是仿人機(jī)器人關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題。其中,仿人機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃是步行控制的基礎(chǔ),步行控制是實(shí)現(xiàn)步態(tài)規(guī)劃保證。因此本文以仿人機(jī)器人為研究對(duì)象,采用matlab為仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),系統(tǒng)研究了仿人機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃技術(shù)和步行穩(wěn)定控制方法。本文的內(nèi)容分為以下幾個(gè)方面:1.采用Nao機(jī)器人為對(duì)象,首先根據(jù)其連桿模型建立相應(yīng)的坐標(biāo)系,然后應(yīng)用D-H法則與拉格朗日方法對(duì)其進(jìn)行推導(dǎo),建立了描述相等自由度的正運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的方程,同時(shí)以機(jī)器人腿部關(guān)節(jié)的幾何關(guān)系,用解析法建立了逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程闡述了ZMP的定義,并以此為基礎(chǔ)研究仿人機(jī)器人在步行過(guò)程中的穩(wěn)定條件,得出ZMP穩(wěn)定性判據(jù)。2.在分析傳統(tǒng)的步態(tài)規(guī)劃方法上,根據(jù)仿人機(jī)器人下半身踝、髕、膝關(guān)節(jié)在起步、腳掌離地達(dá)到最大高度、腳掌落地時(shí)的位置,采用三次樣條函數(shù)插值算法分別規(guī)劃仿人機(jī)器人在徑向平面與側(cè)向平面中,踝、髕、膝等主要關(guān)節(jié)的軌跡,得出仿人機(jī)器人直線步行時(shí)的棍狀圖。3.以仿人機(jī)器人直線步行時(shí)單,雙腳支撐期ZMP到穩(wěn)定區(qū)域中心的距離為待優(yōu)化變量,構(gòu)造目標(biāo)函數(shù),利用微粒群優(yōu)化算法對(duì)ZMP軌跡進(jìn)行優(yōu)化,得到在約束條件下具有最大穩(wěn)定裕度的ZMP軌跡。4.在對(duì)步態(tài)優(yōu)化后進(jìn)行了機(jī)器人穩(wěn)定性控制研究,控制對(duì)象為仿人機(jī)器人的踝關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié),對(duì)機(jī)器人ZMP位置影響最大的踝關(guān)節(jié)采用跟蹤其運(yùn)動(dòng)軌跡的控制方法,該方法首先根據(jù)機(jī)器人的步行特點(diǎn)設(shè)計(jì)模糊控制器,然后采用matlab的模糊工具箱進(jìn)行推理計(jì)算,以最終的仿真結(jié)果驗(yàn)證設(shè)計(jì)的模糊控制器的有效性。對(duì)肩關(guān)節(jié)控制采用規(guī)劃雙臂擺動(dòng)軌跡法,該方法首先通過(guò)ZMP位置與偏擺力矩的函數(shù)關(guān)系,算出偏擺力矩的大小,然后通過(guò)規(guī)劃雙臂擺動(dòng)的參數(shù)化軌跡計(jì)算出與偏擺力矩方向相反的雙臂擺動(dòng)力矩,并用此力矩與偏擺力矩的差構(gòu)建目標(biāo)函數(shù),通過(guò)對(duì)此目標(biāo)函數(shù)最小值的尋優(yōu)來(lái)求得能使偏擺力矩最小的雙臂擺動(dòng)軌跡。通