雙足機(jī)器人系統(tǒng)平衡控制設(shè)計(jì)論文

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1、重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文雙足機(jī)器人系統(tǒng)直立平衡控制設(shè)計(jì)目錄摘要…ⅠAbstract…Ⅱ1緒論31.1課題的研究背景和意義31.2雙足機(jī)器人的國內(nèi)外研究狀況41.2.1國外研究狀況41.2.2國內(nèi)研究狀況71.2.3欠驅(qū)動雙足機(jī)器人91.3欠驅(qū)動雙足機(jī)器人控制存在的問題111.4本文的研究工作111.5論文的構(gòu)成122雙足機(jī)器人直立平衡控制的模型研究132.1.雙足機(jī)器人的欠驅(qū)動姿態(tài)132.1.1模型簡化的提出132.1.2雙足機(jī)器人欠驅(qū)動姿態(tài)分析132.2物理模型152.3數(shù)學(xué)模型162.4Matlab仿真模型182.5小

2、結(jié)183雙足機(jī)器人系統(tǒng)的能控能觀性分析193.1平衡穩(wěn)定控制目標(biāo)分析193.2能控制性與能觀測性分析193.3小結(jié)204平衡控制策略214.1LQR控制器簡介214.2線性二次型調(diào)節(jié)器（LQR）基本原理214.3平衡控制的仿真實(shí)現(xiàn)224.4小結(jié)2342重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文雙足機(jī)器人系統(tǒng)直立平衡控制設(shè)計(jì)目錄摘要…ⅠAbstract…Ⅱ1緒論31.1課題的研究背景和意義31.2雙足機(jī)器人的國內(nèi)外研究狀況41.2.1國外研究狀況41.2.2國內(nèi)研究狀況71.2.3欠驅(qū)動雙足機(jī)器人91.3欠驅(qū)動雙足機(jī)器人控制存在的問題111.

3、4本文的研究工作111.5論文的構(gòu)成122雙足機(jī)器人直立平衡控制的模型研究132.1.雙足機(jī)器人的欠驅(qū)動姿態(tài)132.1.1模型簡化的提出132.1.2雙足機(jī)器人欠驅(qū)動姿態(tài)分析132.2物理模型152.3數(shù)學(xué)模型162.4Matlab仿真模型182.5小結(jié)183雙足機(jī)器人系統(tǒng)的能控能觀性分析193.1平衡穩(wěn)定控制目標(biāo)分析193.2能控制性與能觀測性分析193.3小結(jié)204平衡控制策略214.1LQR控制器簡介214.2線性二次型調(diào)節(jié)器（LQR）基本原理214.3平衡控制的仿真實(shí)現(xiàn)224.4小結(jié)2342重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文

4、雙足機(jī)器人系統(tǒng)直立平衡控制設(shè)計(jì)5仿真實(shí)驗(yàn)245.1控制器仿真模型245.2仿真的結(jié)果曲線255.3小結(jié)276結(jié)論與展望28致謝28參考文獻(xiàn)29附錄32附錄Ⅰ（數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)）:32附錄Ⅱ（仿真模型）:35附錄Ⅲ（Matlab程序語言）:3642重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文雙足機(jī)器人系統(tǒng)直立平衡控制設(shè)計(jì)1緒論1.1課題的研究背景和意義隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和控制理論的逐步成熟，對雙足機(jī)器人的穩(wěn)定性問題、雙足機(jī)器人步行移動及各種仿人動作的研究正受到國際學(xué)者們越來越多的普遍關(guān)注?；诳刂评碚?、動力學(xué)原理及仿生學(xué)原理，人們通過對動物和人類

5、的運(yùn)動行為、控制技巧的研究，提出和發(fā)展了一系列復(fù)雜運(yùn)動控制模態(tài)及相關(guān)算法。近年來，研究集中在機(jī)器人的平衡控制、各種動作，例如直立平衡、步行移動和跳躍等。我們知道，人在保持直立平衡或者是在行走時(shí)都需要依靠各個(gè)關(guān)節(jié)來維持身體的姿態(tài)及其運(yùn)動。一般而言，當(dāng)人們處于站立狀態(tài)時(shí)，全腳掌著地，向前后移動時(shí)分別用腳尖與腳跟先著地。同樣對機(jī)器人，根據(jù)機(jī)器人腳與地面的接觸方式與用力的不同，可分為腳掌觸地相、腳跟觸地相、腳尖觸地相。當(dāng)系統(tǒng)處于腳掌全觸地相時(shí)，符合ZMP姿態(tài)穩(wěn)定判據(jù)要求；當(dāng)處于腳跟觸地相和腳尖觸地相出現(xiàn)了欠驅(qū)動翻轉(zhuǎn)情形時(shí)，ZM

6、P位于支撐域凸多邊形的邊界上，ZMP姿態(tài)穩(wěn)定判據(jù)便不再適用。腳跟觸地相姿態(tài)穩(wěn)定類似于腳尖觸地相，本文對腳尖觸地相欠驅(qū)動姿態(tài)進(jìn)行研究。雙足機(jī)器人的研究主要分為全腳掌著地與一個(gè)點(diǎn)著地的情形。其中全腳掌著地時(shí)用ZMP控制[1]，一個(gè)點(diǎn)著地時(shí)相當(dāng)于人站立時(shí)腳尖著地或者腳跟著地的情形，這時(shí)踝關(guān)節(jié)便沒有提供驅(qū)動力，相當(dāng)于前驅(qū)動—驅(qū)動量個(gè)數(shù)少于自由度個(gè)數(shù)。與其它移動機(jī)器人(輪式、履帶式、爬行式等)相比，雙足機(jī)器人具有高度的適應(yīng)性與靈活性。由于雙足機(jī)器人與地面接觸點(diǎn)是離散的，因此可以選擇合適的落腳點(diǎn)來適應(yīng)崎嶇的路面，它既可以在平地行走

7、，也可以在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中行走，比如：通過狹窄空間、跨越復(fù)雜障礙、在臺階、斜坡和其他不平整地面上行動自如等。更重要的是，人們模仿自身行走方式設(shè)計(jì)的雙足機(jī)器人，最適合在人類生活和工作的環(huán)境中與人類協(xié)同工作，絕不需要專門為其對環(huán)境進(jìn)行大規(guī)模的改造。因此，人們對雙足機(jī)器人寄予了很大的期望：照顧老弱病人的護(hù)理人、與人類開展足球比賽的運(yùn)動員，以及在核電站、深海等危險(xiǎn)環(huán)境中作業(yè)，甚至是與人類一起探索外星的伙伴。最后，也可以通過對雙足機(jī)器人的研究平臺來檢驗(yàn)控制理論及控制仿發(fā)的有效性、實(shí)用性、完整性、延伸性，即對控制理論有著檢驗(yàn)和

8、向前走得更遠(yuǎn)的指示作用。42重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文雙足機(jī)器人系統(tǒng)直立平衡控制設(shè)計(jì)由于對雙足機(jī)器人的研究具有十分重大的理論意義和實(shí)際價(jià)值，世界各國都給予高度重視，先后推出了各自的研究計(jì)劃。其中，日本在該領(lǐng)域的研究投入力度最大，美、法、德、韓等國也相繼啟動了各自的研究計(jì)劃。在國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)和國家自然科學(xué)基金的支持下