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随着仿人机器人硬件水平的不断提高,仿人机器人的研究领域不断被拓宽和深入,已经成为了机器人学研究中最受瞩目的课题之一。其中,直立行走的步态规划是仿人机器人技术的基础和重点。针对仿人机器人的关节具有较大灵活性的特点,实现机器人走斜坡、爬楼梯等复杂动作成为仿人机器人步态规划研究中新的课题。
本文以斜坡环境为研究背景,提出了一种基于线性倒立摆模型的走斜坡步态规划的方法。文中以步态规划为主线,以双足仿人机器人、斜坡环境和倒立摆模型为研究对象进行了如下工作与分析。
首先,本文以华南理工大学第一代仿人机器人SCUT-I为研究对象,通过对其机械结构的分析,建立了仿人机器人简化模型,并在此基础上,进行正运动学分析和逆运动学求解。同时,通过动量,角动量以及零力矩点的定义,介绍了包括速度、加速度等“多阶”运动信息的机器人ZMP计算公式,为SCUT-I机器人实现稳定、快速行走提供运动学和动力学的控制基础。
其次,对斜坡进行数学描述以及确定SCUT-I机器人在斜坡中的位姿模式,进一步分析机器人在斜坡模型中的状态及机器人各个关节的空间可行域,建立机器人走斜坡的约束条件。同时介绍了三维线性倒立摆的特性以及基于三维线性倒立摆模型的仿人机器人的步态模式生成,重点介绍了双足支撑期的插入及参数控制。
再次,对仿人机器人步态规划的一般流程进行了介绍,在此基础上,提出了基于三维线性倒立摆模型的SCUT-I仿人机器人走斜坡步态规划的方法,并通过实验规划出机器人走斜坡过程中髋关节和踝关节的时空关系曲线;然后通过各个关节的运动轨迹计算出机器人走斜坡过程中各个时刻的关节角度,实现关节控制,最终保证机器人按规划的轨迹顺利行走。
最后,对于基于倒立摆模型的走斜坡步态规划方法的有效性进行了验证,并对用此方法规划出来的走斜坡步态的稳定性进行了判定。