文档介绍：双足机器人系统平衡控制设计
目录
摘要 …Ⅰ
Abstract …Ⅱ
1 绪论 3
课题的研究背景和意义 3
双足机器人的国内外研究状况 4
4
7
欠驱动双足机器人 9
欠驱动双足机器人控制存在的问题 11
本文的研究工作 11
论文的构成 12
2 双足机器人直立平衡控制的模型研究 13
13
模型简化的提出 13
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Matlab仿真模型 18
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3双足机器人系统的能控能观性分析 19
平衡稳定控制目标分析 19
能控制性与能观测性分析 19
20
4 平衡控制策略 21
LQR控制器简介 21
(LQR)基本原理 21
平衡控制的仿真实现 22
小结 23
5仿真实验 24
24
25
27
6结论与展望 28
致谢 28
参考文献 29
附录 32
附录Ⅰ(数学模型推导): 32
附录Ⅱ(仿真模型): 35
附录Ⅲ(Matlab程序语言): 36
1 绪论
课题的研究背景和意义
随着机器人技术的发展和控制理论的逐步成熟,对双足机器人的稳定性问题、双足机器人步行移动及各种仿人动作的研究正受到国际学者们越来越多的普遍关注。基于控制理论、动力学原理及仿生学原理,人们通过对动物和人类的运动行为、控制技巧的研究,提出和发展了一系列复杂运动控制模态及相关算法。近年来,研究集中在机器人的平衡控制、各种动作,例如直立平衡、步行移动和跳跃等。
我们知道,人在保持直立平衡或者是在行走时都需要依靠各个关节来维持身体的姿态及其运动。一般而言,当人们处于站立状态时,全脚掌着地,向前后移动时分别用脚尖与脚跟先着地。同样对机器人,根据机器人脚与地面的接触方式与用力的不同,可分为脚掌触地相、脚跟触地相、脚尖触地相。当系统处于脚掌全触地相时,符合ZMP姿态稳定判据要求;当处于脚跟触地相和脚尖触地相出现了欠驱动翻转情形时,ZMP位于支撑域凸多边形的边界上,ZMP姿态稳定判据便不再适用。脚跟触地相姿态稳定类似于脚尖触地相,本文对脚尖触地相欠驱动姿态进行研究。双足机器人的研究主要分为全脚掌着地与一个点着地的情形。其中全脚掌着地时用ZMP控制[1],一个点着地时相当于人站立时脚尖着地或者脚跟着地的情形,这时踝关节便没有提供驱动力,相当于前驱动—驱动量个数少于自由度个数。
与其它移动机器人(轮式、履带式、爬行式等)相比,双足机器人具有高度的适应性与灵活性。由于双足机器人与地面接触点是离散的,因此可以选择合适的落脚点来适应崎岖的路面,它既可以在平地行走,也可以在复杂的非结构化环境中行走,比如:通过狭窄空间、跨越复杂障碍、在台阶、斜坡和其他不平整地面上行动自如等。更重要的是,人们模仿自身行走方式设计的双足机器人,最适合在人类生活和工作的环境中与人类协同工作,绝不需要专门为其对环境进行大规模的改造。因此,人们对双足机器人寄予了很大的期望:照顾老弱病人的护理人、与人类开展足球比赛的运动员,以及在核电站、深海等危险环境中作业,甚至是与人类一起探索外星的伙伴。最后,也可以通过对双足机器人的研究平台来检验控制理论及控制仿发的有效性、实用性、完整性、延伸性,即对控制理论有着检验和向前走得更远的指示作用。
由于对双足机器人的研究具有十分重大的理论意义和实际价值,世界各国都给予高度重视,先后推出了各自的研究计划。其中,日本在该领域的研究投入力度最大,美、法、德、韩等国也相继启动了各自的研究计划。在国家高技术研究发展计划(863计划)和国家自然科学基金的支持下,我国众多高校和研究机构也将双足机器人的研究和开发列入研究重点。
双足机器人的国内外研究状况
近年来,世界各国的科学家和研究者在双足机器人的稳定性能、步行移动控制、样机研制等方面进行了许多有意义的探索。本节将从双足机器人的研究状况和欠驱动行走双足机器人两个方面,来回顾双足机器人的发展历程。
就机器人的研究历程来看,美国是最早研究的国家,但后来日本将半导体与机械技术结合,从而在机器人这一领域超过了美国,位居世界主流。目前,由日本研究治造的机器人大约占世界的80%。双足机器人的研制开始于这个世纪的六十年代,虽然只有四五十年的历史,然而双足机器人的研究工作进展十分迅速。国内外很多专家人士从事双足机器人的研究,如今已成为机器