仿人机器人步行控制研究及仿真

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近年来,仿人机器人逐渐成为机器人研究领域的热点,它集中了电子工程、机械工程、计算机工程、自动控制工程、信息工程以及仿生学和人工智能等多种学科的最新科研成果,是机电一体化最高成就的典型代表。本课题旨在对步行控制进行研究,并设计了仿人机器人仿真对步行控制方法进行验证。主要做了以下几个方面的工作:  首先,回顾和总结了仿人机器人的研究历史及发展现状,对国内外各个主要研究机构开发的仿人机器人进行了对比和分析,阐述了仿人机器人步行控制方法和仿真技术的发展。  其次,对机器人步行控制进行了分析,建立了多基座标系,把机器人步行控制的主要过程看作是多基坐标系的切换过程,并求出了切换矩阵。  再次,使用第二章提出的多基坐标系方法,基于三维线性倒立摆模型对仿人机器人进行了步态规划。首先规划了地面坐标系下机器人质心的运动,然后把机器人单腿运动分为单独支撑、联合支撑和非支撑三个状态。单独支撑状态下的运动从地面坐标系下的运动转换而来,联合支撑和非支撑状态下的运动通过确定边界条件,插入贝塞尔曲线获得。使用ZMP判定原则证明了步态的稳定性。此外,针对跨步阶段运动,也就是摆动腿的运动,影响机器人质心波动的问题,采用了改进的遗传算法对摆动腿的运动进行了优化。  然后,通过ODE物理引擎构建了仿人机器人仿真,对各种常用的机器人传感器进行了仿真,为机器人控制提供反馈支持;嵌入了电机驱动模型,提高了关节驱动的灵活性和可扩展性;此外,还通过对动画同步机制的研究,提高了仿真动画的流畅性。  最后,对基于三维线性倒立摆模型的规划轨迹和基于改进遗传算法的优化步态在机器人仿真上进行实验,验证这两个算法的正确性和有效性,及所设计的仿真的合理性。
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