本文選題：雙足機器人　切入點：被動行走　出處：《吉林大學(xué)》2016年碩士論文

【摘要】：雙足機器人因其具有與人類相似的運動結(jié)構(gòu),并且能夠拓展延伸人類的活動空間,所以受到了學(xué)者的廣泛關(guān)注。而且經(jīng)過多年的努力,雙足步行機器人無論是在理論研究還是在實體樣機開發(fā)方面都取得了驕人的成績,但是高能耗、低效率、行走步態(tài)不自然限制了它在工程實際中的應(yīng)用。于是學(xué)者們把目光轉(zhuǎn)移到Mc Geer提出的基于被動行走原理的仿人機器人理論上,為雙足機器人的研究打開了新的思路。但是基于被動行走原理的雙足機器人具有行走步態(tài)和行走環(huán)境單一以及穩(wěn)定性差等缺點,因此本文對豐富雙足機器人的行走步態(tài)并提高穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。主要包括以下幾個方面:1)本論文的研究對象是在斜面上完全被動行走的Compass-like圓規(guī)機器人模型。首先利用拉格朗日力學(xué)方法對系統(tǒng)的連續(xù)擺動階段進(jìn)行了動力學(xué)建模,然后進(jìn)行了基于Matlab軟件平臺的仿真及實驗分析,為后續(xù)研究打下基礎(chǔ)。2)利用數(shù)值仿真實驗手段,探究了機器人行走過程中的周期步態(tài)、控制輸入、初始條件之間的關(guān)系。在髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)同時施加模擬重力矩輸入時,成功找到了周期步態(tài)、控制輸入、初始條件之間的定量關(guān)系及表達(dá)式,為可控周期步態(tài)的逆問題研究打開了一條新思路。仿真試驗結(jié)果表明得到的表達(dá)式具有普遍性。同時對髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)獨立驅(qū)動時進(jìn)行了定性分析并給出了一般性結(jié)論。3)采用機械能導(dǎo)數(shù)法,設(shè)計了基于參考軌道能量的控制器。機器人在穩(wěn)定行走過程中,機械能是守恒的,通過數(shù)值擬合發(fā)現(xiàn)了機械能與行走步態(tài)之間的解析式形式,進(jìn)而通過機械能導(dǎo)數(shù)法分別設(shè)計了髖關(guān)節(jié)控制器和踝關(guān)節(jié)控制器。仿真實驗結(jié)果表明,設(shè)計的控制器提高了系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)能力和抗擾能力。4)通過虛擬約束的步態(tài)控制策略,結(jié)合反饋線性化的運動控制方法,設(shè)計了狀態(tài)依賴的有限時間穩(wěn)定控制器,實現(xiàn)了機器人在一步之內(nèi)充分鎮(zhèn)定。因為支撐腿在行走過程中角位移的變化是單調(diào)的,避免出現(xiàn)多值現(xiàn)象,所以令支撐腿作為姿態(tài)變量,選擇擺動腿作為同步姿態(tài)變量,于是虛擬約束中不顯含時間,使系統(tǒng)形成自治系統(tǒng)。仿真實驗結(jié)果表明,對于欠驅(qū)動機器人來說,虛擬約束是一種行之有效的步態(tài)控制策略。
[Abstract]:Biped robot has attracted much attention because of its similar motion structure to human beings and its ability to extend the living space of human beings.After years of effort, biped walking robot has made great achievements in both theoretical research and physical prototype development. However, high energy consumption, low efficiency and unnatural walking gait restrict its application in engineering practice.Therefore, the scholars turn their attention to the humanoid robot theory based on passive walking principle proposed by MC Geer, which opens a new way for the research of biped robot.However, biped robot based on passive walking principle has the shortcomings of single walking gait and walking environment and poor stability, so this paper studies the rich walking gait and improving the stability of biped robot.The research object of this paper is the Compass-like compasses robot model which is completely passive walking on the slope.Firstly, the dynamic modeling of the continuous swing stage of the system is carried out by using Lagrange mechanics method, and then the simulation and experimental analysis based on Matlab software platform are carried out, which lay the foundation for further research. 2) the numerical simulation experiment method is used.The relationship between periodic gait, control input and initial conditions of the robot is discussed.The quantitative relations and expressions of periodic gait, control input and initial condition are found successfully when the simulated weight moment input is applied to the hip and ankle joint at the same time, which opens a new way for the study of the inverse problem of controllable periodic gait.The simulation results show that the expression is universal.At the same time, the qualitative analysis and general conclusion of independent drive of hip and ankle joint are given. 3) the controller based on reference track energy is designed by using mechanical energy derivative method.The mechanical energy of the robot is conserved in the process of steady walking. The analytic form between mechanical energy and walking gait is found by numerical fitting, and then the hip joint controller and the ankle joint controller are designed by the mechanical energy derivative method.The simulation results show that the designed controller improves the adaptability and immunity of the system to the environment. 4) the gait control strategy with virtual constraints is combined with the feedback linearization motion control method.A state dependent finite time stability controller is designed to stabilize the robot in one step.Because the change of angle displacement of supporting leg is monotonous in the course of walking, the phenomenon of multi-value is avoided, so that the support leg is used as attitude variable and swing leg is chosen as synchronous attitude variable, so the virtual constraint does not contain time.To form an autonomous system.Simulation results show that virtual constraint is an effective gait control strategy for underactuated robot.
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP242

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本文編號：1705259