大学毕业论文双足机器人系统平衡控制设计论文.doc

目 录 摘要 …Ⅰ Abstract …Ⅱ 1 绪论 3 1.1 课题的研究背景和意义 3 1.2 双足机器人的国内外研究状况 4 1.2.1国外研究状况 4 1.2.2国内研究状况 7 1.2.3 欠驱动双足机器人 9 1.3 欠驱动双足机器人控制存在的问题 11 1.4 本文的研究工作 11 1.5 论文的构成 12 2 双足机器人直立平衡控制的模型研究 13 2.1.双足机器人的欠驱动姿态 13 2.1.1 模型简化的提出 13 2.1.2双足机器人欠驱动姿态分析 13 2.2物理模型 15 2.3数学模型 16 2.4 Matlab仿真模型 18 2.5小结 18 3双足机器人系统的能控能观性分析 19 3.1 平衡稳定控制目标分析 19 3.2 能控制性与能观测性分析 19 3.3小结 20 4 平衡控制策略 21 4.1 LQR控制器简介 21 4.2线性二次型调节器（LQR）基本原理 21 4.3 平衡控制的仿真实现 22 4.4 小结 23 5仿真实验 24 5.1控制器仿真模型 24 5.2仿真的结果曲线 25 5.3小结 27 6结论与展望 28 致谢 28 参考文献 29 附录 32 附录Ⅰ（数学模型推导）: 32 附录Ⅱ（仿真模型）: 35 附录Ⅲ（Matlab程序语言）: 36 1 绪论 1.1 课题的研究背景和意义 随着机器人技术的发展和控制理论的逐步成熟，对双足机器人的稳定性问题、双足机器人步行移动及各种仿人动作的研究正受到国际学者们越来越多的普遍关注。基于控制理论仿生学原理，人们通过对动物人类运动、控制技巧的研究，提出和发展了一系列复杂运动控制模态及相关算法。近来，研究集中在机器人的各种动作，例如跳跃。由于双足机器人的研究具有重大的理论意义和实际价值，世界各国都予高度重视，推出了各自的研究计划。其中，日本在该领域的研究投入力度最大，美、法、德、韩等国也相继启动了各自的研究计划。在国家高技术研究发展计划(863计划)国家自然科学基金支持下，我国众多高校和研究机构也将双足机器人的研究和开发列入研究重点。近年来，世界各国的科学家和在双足机器人的、步行控制等方面进行了许多有意义的探索。本节将双足机器人和欠驱动行走双足机器人两个方面，来回顾双足机器人的发展历程。 图1-1HODON仿人机器人 .Fig1-1 The HODON Huamoid Robot （2）日本索尼公司 索尼公司于2000年11月公布了娱乐型防人双足机器人SDR-3X，它是Sony Dream Robot的简写。其规格为身高50cm，体宽22cm，重5kg，属于小型化的机器人，共含有24个自由度。SDR-3X能够实现以下几种动作功能：第一，可以达到14m/min的速度行驶，并能朝前后左右四个方向移动；第二，可以实现左右九十度的异步转身；第三：可以在斜面上行走及完成单腿站立；第四，能够在平面上完成仰卧和府卧装填；第五，能完成踢球、跳舞娱乐动作。2003年，索尼公司又推车了必威体育精装版型的SDR型防人机器人，即SDR-4XII防人机器人（如图1-2所示），它是SDR-4X的升级。SDR-4XII身高58cm，体重7kg，一共含有38个自由度。现在，它的名字改称为QRIQ。由于QRIQ的驱动器将电机与控制电路集于一起，并加以空中姿态的一些控制算法，成为一台能在斜面上走动、能跑能跳的双足机器人，给人们带来了乐趣和愉悦。 图1-2索尼仿人机器人SDR-4XII Fig.1-2The Sony Humanoid Robot SDR-4XII （3）日本产业技术综合研究所HPR系列的研制 于一九九八年，日本产业技术综合研究所开始对仿人机器人进行研究，并以本田公司P3为原型，经过五年时间，研制出HRP-2（HPR是Humanoid Robotics Project的简称）。HRP-2身高155cm，体重54kg，含有32个自由度，能达到2千米/小时的行走速度。有特点的是，HRP-2在腰部增加了两个自由度，是其在绊倒时可以像人一样爬起，与本田公司研制的ASMIO相比，身体上部更具有灵活性。同时能实现在不平地面上行走及在空中翻倒与恢复技术。2005年，日本产业综合研究所及川田工业联合研制出了HRP-3防人机器人。该机器人具有防水防尘功能，在10cm/h的雨中也能工作，并且在易滑路面也能以大约0.4m/s的速度行走。目前，HRP项目更致力于应用技术上研究，已经实现与人配合抬桌椅、开铲车等功能。 2.美国研究概况 早在1948年，美国阿贡实验室研制了工业机器手，主要用于一些比较危险的境况，代替人类对危险性材料进行操作，减少工作人员的伤害。后来于一九九八年，麻省理工学院研制出名为COG的仿人机器人，它利用轮子滚动方式行走，该机器人被很多科学家称作是研究智