本文關(guān)鍵詞：基于CPG的六足仿生機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃研究

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【摘要】：六足機(jī)器人穩(wěn)定性高、步態(tài)形式多樣、負(fù)載能力強(qiáng),具有廣闊的應(yīng)用前景。中樞模式發(fā)生器(CPG)耦合振蕩器模型能自發(fā)的生成穩(wěn)定的周期振蕩信號(hào),通過構(gòu)建拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)多個(gè)CPG單元之間的耦合,適合用于六足機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃。首先,以非洲紅火蟻的身體結(jié)構(gòu)為參照,設(shè)計(jì)“Hex Ant”六足仿生機(jī)器人,從機(jī)構(gòu)學(xué)上分析機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度。建立六足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,并通過MATLAB進(jìn)行仿真驗(yàn)證。根據(jù)各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍,用MATLAB仿真出足端工作空間,對(duì)兩條腿的足端工作空間進(jìn)行分析計(jì)算,確定足行程取值范圍與足端工作空間的關(guān)系。然后,給出了步態(tài)規(guī)劃的基本概念,并確定機(jī)器人穩(wěn)定裕度計(jì)算公式;根據(jù)支撐足數(shù)量和行走方向,規(guī)劃出九種不同的步態(tài);設(shè)定足端軌跡曲線,得到各種步態(tài)下六足機(jī)器人各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的變化曲線,并根據(jù)運(yùn)動(dòng)過程中足端軌跡,計(jì)算出每種步態(tài)的穩(wěn)定裕度。對(duì)同一種步態(tài)的不同方案的穩(wěn)定裕度進(jìn)行對(duì)比分析,確定步態(tài)的最優(yōu)方案。其次,對(duì)CPG的生物學(xué)控制機(jī)理進(jìn)行分析,將其映射到機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃中。確定CPG步態(tài)生成的方法步驟。對(duì)不同種類的振蕩器特性進(jìn)行比較,選用Hopf振蕩器建立CPG模型,研究Hopf振蕩器的參數(shù)與極限環(huán)收斂速度、輸出信號(hào)的幅值、頻率、占空比之間的關(guān)系。建立分層式CPG網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),上層網(wǎng)絡(luò)控制腿間協(xié)調(diào),下層網(wǎng)絡(luò)控制腿內(nèi)關(guān)節(jié)間協(xié)調(diào)。上層網(wǎng)絡(luò)有兩種連接方式:全對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)連接和環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)連接,在不同的連接方式下,得到不同步態(tài)下CPG網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào),比較不同步態(tài)下兩種連接方式的優(yōu)缺點(diǎn),根據(jù)步態(tài)類型選擇合適的網(wǎng)絡(luò)連接方式。通過腿間耦合和腿內(nèi)關(guān)節(jié)間耦合,實(shí)現(xiàn)了步態(tài)的協(xié)調(diào)穩(wěn)定。最后,搭建機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái),針對(duì)“Hex Ant”機(jī)器人三、四、五支撐足步態(tài)模式,分別進(jìn)行了直行、橫行、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)共九種步態(tài)的運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃與CPG模型的有效性。
【關(guān)鍵詞】：中樞模式發(fā)生器 Hopf振蕩器 六足機(jī)器人 步態(tài)規(guī)劃
【學(xué)位授予單位】：中國計(jì)量大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP242
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-16
• 1 緒論16-26
• 1.1 課題背景16-17
• 1.2 六足機(jī)器人研究現(xiàn)狀17-20
• 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀17-19
• 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀19-20
• 1.3 六足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃方法研究現(xiàn)狀20-21
• 1.4 基于CPG的步態(tài)規(guī)劃研究現(xiàn)狀21-25
• 1.5 論文主要研究內(nèi)容25-26
• 2 六足仿生機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析26-39
• 2.1 六足仿生機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)26-29
• 2.1.1 六足仿生機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)26-28
• 2.1.2 六足機(jī)器人機(jī)體自由度28-29
• 2.2 六足仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析29-36
• 2.2.1 正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析30-34
• 2.2.2 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析34-35
• 2.2.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型驗(yàn)證35-36
• 2.3 足端工作空間分析36-38
• 2.4 本章小結(jié)38-39
• 3 六足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃39-56
• 3.1 步態(tài)規(guī)劃概念與穩(wěn)定性分析39-40
• 3.1.1 步態(tài)基本術(shù)語39-40
• 3.1.2 穩(wěn)定性分析40
• 3.2 三支撐足步態(tài)規(guī)劃40-51
• 3.2.1 三支撐足直行步態(tài)規(guī)劃41-44
• 3.2.2 三支撐足橫行步態(tài)規(guī)劃44-47
• 3.2.3 三支撐足旋轉(zhuǎn)步態(tài)規(guī)劃47-51
• 3.3 四支撐足步態(tài)規(guī)劃51-53
• 3.4 五支撐足步態(tài)規(guī)劃53-54
• 3.5 不同步態(tài)下穩(wěn)定裕度的比較54-55
• 3.6 本章小結(jié)55-56
• 4 基于CPG的六足機(jī)器人步態(tài)生成56-80
• 4.1 CPG生物控制機(jī)理56-57
• 4.2 CPG步態(tài)生成設(shè)計(jì)思路57-58
• 4.3 CPG非線性振蕩器模型58-64
• 4.3.1 CPG振蕩器選型58-61
• 4.3.2 單個(gè)Hopf振蕩器參數(shù)調(diào)整61-64
• 4.4 六足機(jī)器人CPG網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)64-79
• 4.4.1 CPG網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)64-66
• 4.4.2 腿間耦合66-72
• 4.4.3 腿內(nèi)關(guān)節(jié)間耦合72-79
• 4.5 本章小結(jié)79-80
• 5 六足機(jī)器人樣機(jī)研制與實(shí)驗(yàn)研究80-101
• 5.1 六足機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)80-87
• 5.1.1 六足機(jī)器人樣機(jī)特性80
• 5.1.2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)整體方案80-81
• 5.1.3 硬件系統(tǒng)81-84
• 5.1.4 軟件系統(tǒng)84-87
• 5.2 三支撐足步態(tài)實(shí)驗(yàn)87-91
• 5.2.1 三支撐足直行步態(tài)87-88
• 5.2.2 三支撐足橫行步態(tài)88-90
• 5.2.3 三支撐足旋轉(zhuǎn)步態(tài)90-91
• 5.3 四支撐足步態(tài)實(shí)驗(yàn)91-95
• 5.3.1 四支撐足直行步態(tài)91-92
• 5.3.2 四支撐足橫行步態(tài)92-94
• 5.3.3 四支撐足旋轉(zhuǎn)步態(tài)94-95
• 5.4 五支撐足步態(tài)實(shí)驗(yàn)95-100
• 5.4.1 五支撐足直行步態(tài)95-97
• 5.4.2 五支撐足橫行步態(tài)97-98
• 5.4.3 五支撐足旋轉(zhuǎn)步態(tài)98-100
• 5.5 本章小結(jié)100-101
• 6 總結(jié)與展望101-103
• 6.1 總結(jié)101-102
• 6.2 展望102-103
• 參考文獻(xiàn)103-107
• 作者簡歷107

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