六自由度双足竞步机器人的结构设计及轨迹跟踪

• 作 者: 朱硕迪
• 机 构: 哈尔滨理工大学
• 出 处: 哈尔滨理工大学
• 发表日期: 2015年期
• 关键词: 双足竞步机器人 运动学模型 动力学模型 步态规划 轨迹跟踪

双足竞步机器人的研究推动了机器人产业的进步及相关学科的发展,并且提高了人类的生活水平。本文对六自由度双足竞步机器人的机械结构、运动学、动力学建模、步态轨迹及其轨迹跟踪控制系统进行了研究。首先,对机器人的材料、驱动进行选择。机器人的髋关节、膝关节、踝关节各配置1个自由度。利用Autocad和Pro-E绘图软件对机器人的髋部平台机构、脚部机构及四种连接件进行二维和三维的设计,并在Pro-E软件下完成机器人的虚拟装配。其次,根据六自由度双足竞步机器人的结构特点,利用广义坐标法建立能反映其运动学和动力学特性的五连杆模型,得到机器人各个关节角的时间函数。在此基础上,利用拉格朗日动力学方程法,得到便于其轨迹跟踪控制研究的动力学模型,为后续控制系统的设计提供便利。再次,结合六自由度双足竞步机器人实际步行情况,基于ZMP理论,给出机器人步态规划的稳定性判断依据。选取机器人步行过程中,摆动脚离地、抬腿最高处、摆动脚与地面接触三个时刻作为其步行过程中三个重要的姿态点,对其进行三点式规划。并通过几何约束和速度、加速度约束,对机器人前向直线运动和前向转弯运动的摆动腿踝关节和髋关节进行步态轨迹规划,再将所规划的直线运动下的轨迹代入到机器人逆运动学方程和ZMP公式中,得到机器人各个关节角的轨迹曲线和ZMP轨迹曲线。通过分析ZMP轨迹曲线,判断机器人在步行过程中是否达到稳定。利用Matlab软件中的Simulink模块进行仿真实验,获得各个关节角的轨迹曲线,并验证其合理性,从而为后文轨迹跟踪控制系统的研究提供期望曲线。最后,选择合适的传感器,使机器人在步行过程中可以时刻检测到地面黑线,并基于前面的研究,针对在不确定干扰环境下的该机器人的五连杆模型的动力学方程,设计了全局快速滑模轨迹跟踪控制器。利用Matlab软件中的Simulink模块进行仿真实验,验证所设计的控制器的合理性,使机器人具备了轨迹跟踪的能力,并且避免了传统滑模控制中常出现的系统抖振现象。