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1、 论文题目：双足机器人步行姿态跟踪控制方法研究 专 业：控制理论与控制工程 硕 士 生：朱道宏 （签名） 指导老师：柴 钰 （签名） 摘 要 双足机器人步行姿态跟踪控制是双足机器人步行稳定性的技术基础。 双足机器人系统要求其系统状态在运动过程中要具有比较好的收敛能力， 因此所设计的控制律应该具有快速的收敛性；由于双足机器人结构的复杂性、强耦合性，造成了无法建立非常精确的数学模型，因此需要对双足机器人进行简化处理，进而对简化模型进行研究；由于双足机器人系统本身及所在的环境中存在着很多无法确定的扰动因素， 因此这就要求所采用的控制方法设计出的姿态跟踪控制律应该具有较强的鲁棒性。 本文针对具有外扰的
2、双足机器人简化模型的动力学模型的特点， 利用终端滑模控制方法研究了双足机器人步行姿态跟踪控制的问题。 首先，根据双足机器人机构特点，建立了能反映其动力学特性的简化模型，利用Denavit-Hartenberg 矩阵法与广义坐标法， 分别对双足机器人的简化模型进行了运动学建模，并利用拉格朗日动力学方程作用在基于广义坐标法的简化连杆模型上，得到了一个便于姿态跟踪控制研究的动力学模型， 为双足机器人姿态跟踪控制的研究打下了理论基础； 其次， 基于 ZMP 稳定性理论， 推导了双足机器人多连杆模型的 ZMP 点的计算公式，并给出了双足机器人满足稳定步行的基本条件， 为步态规划和姿态跟踪控制方法的研究提
3、供了合理的理论依据；再次，通过几何约束和加速度约束的方法，规划了双足机器人前向运动的周期步态，根据双足机器人所满足的约束条件，推导出了髋关节和踝关节，以及各关节角度的轨迹函数，并通过 ZMP 的轨迹情况，判断了双足机器人步行的稳定性，最后通过 matlab 数值仿真实验，说明了所规划方法的合理性；最后，针对具有不确定性干扰的简化双足机器人系统的动力学模型， 设计了全局有限时间非奇异终端滑模跟踪控制器， 实现了在有限时间内对期望轨迹的完全跟踪， 并通过对控制器的进一步改进，基本上消除了系统的抖振, 另外，通过 matlab 仿真实验验证了该控制方法的有效性。 关 键 词 ：双足机器人；动力学模型
4、；终端滑模控制；不确定性干扰；稳定性 研究类型：应用研究 Subject : Research of Walking Attitude Tracking Control Method of Biped Robots Specialty : Control Theory and Control Engineering Name : Zhu Daohong (Signature) Instructor : Chai Yu (Signature) ABSTRACT Walking attitude tracking control of biped robots is technology fund
5、amental for the walking stability of biped robots. Biped robots system require its system status will have better convergence ability in athletic process, so the designed attitude tracking control laws should have more rapid convergence. The complexity and strong coupling of biped robots structure c
6、ause that we cannot create an accurate mathematical model, so we need to simplify the biped robot and study the simplified model. There are many uncertain factors in biped robots system and environment, so the designed attitude tracking control laws for biped robots should have strong robustness. In
7、 this paper, for the dynamic model of the simplified biped robots with uncertain disturbances, the attitude tracking control problem of biped robots is studied based on terminal sliding mode control method. Firstly, according to the characteristics of biped robots structure, a simplified model is es
8、tablished to reflect the dynamic characteristics. We define a kinematic model for the simplified model using Denavit-Hartenberg matrix method and generalized coordinates method, and using Lagrange dynamic equation based on generalized coordinates role in the simplified link model, we obtain a dynami
9、c model convenience in researching attitude tracking control, which provides a theoretical foundation for attitude tracking control research. Secondly, based on the ZMP stability theory, the ZMP calculation formulas is derived for the link model and the basic conditions are given for biped robots st
10、able walking, that provides a reasonable theory basis for researching gait planning and attitude tracking control method. Thirdly, through the geometric constraint and acceleration constraint, we design cycle gait of biped robots forward movement. According to constraint conditions, we deduce trajec
11、tory functions of the hip and ankle joint, as well as joint Angles. Through the ZMP track, the walking stability of biped robots is judged, and matlab simulation results illustrate the rationality of the programming method. Finally, for the dynamic model of the simplified biped robots system with un
12、certain disturbances, we design a global finite-time nonsingular terminal sliding tracking controller and realize complete tracking of the desired trajectory in a limited time. Through the further improvement of controller, the system chattering can be basically eliminated. Additionally, matlab simu
13、lation results verify the effectiveness of the control method. Key words : Biped Robots Dynamic Model Terminal Sliding Mode Control Uncertain Disturbances Stability Thesis : Application Research1 绪论 1 1 绪论 1.1 引言 机器人学科是一门迅速发展的综合性很强的科学，有着极其广泛的研究和应用领域，得到工业、学术界的很高的重视，而双足机器人是机器人研究领域中比较前沿的研究课题之一。双足机器人是集合
14、了计算机、机械、动力学、数学、控制技术等多门学科于一体的交叉学科的产物，是一个国家科技发展水平的重要标志。关于双足机器人控制系统的研究，则是双足机器人研究中重要的核心部分。由于双足机器人系统是一个非线性、具有不确定性的高阶系统，这给控制方法的研究设计提供了一个很好的研究平台，同时也带来了极大的挑战。有关控制方法的研究成果，刘金琨等1研究人员从事了比较系统的介绍和概括。本文是在参考了前人工作的经验之上，进行了双足机器人步行姿态跟踪控制的研究，其目的是使得机器人的步行姿态轨迹能够有效地跟踪设定的理想轨迹。 1.2 机器人研究背景及其研究的意义 一般情况下，我们所提到的机器人主要是指现代机器人。20
15、 世纪中期，在计算机技术、自动化技术的发展，以及原子能开发利用的基础之上，机器人的研究正式拉开了序幕。自从 1946 年第一台数字电子计算机的问世，计算机取得了惊人的进步；1952 年作为自动化技术的发展成果之一， 数控机床的诞生为机器人的开发奠定了基础； 1947 年美国原子能委员会的阿尔贡研究所开发了机械手代替人类在恶劣环境中处理放射性物质；以上这些以及各国经济的发展都为现代机器人的研究奠定了基础。 目前各国在机器人大赛方面的过多关注也进一步推动了机器人的研究和发展。从 1954 年美国人 Devol 申请了工业机器人专利至今已经过去半个多世纪了。它的研究与发展经历说明了：现代机器人是 2
16、0 世纪人类的伟大发明2。 随着计算机技术和人工智能技术的快速发展， 机器人技术的研究越来越趋于成熟，其技术功能已经渗入到科学研究和人类生活的各个领域，其中，关于双足机器人技术的研究更是推动了科学的巨大进步与人们生活水平的不断提高。具有人类行为和功能的双足机器人的研究一直是机器人研究领域的热点课题之一。 双足机器人系统具有强耦合、 非线性特性、 多自由度、 高阶性等非常复杂的特点3,4，这为机器人数学模型的研究，以及控制理论的研究提供了理想的实验平台。在双足机器人的研究中，稳定性一直是双足机器人研究的核心问题。首先，关于双足机器人稳定性的研究中所涉及到的基础原理性问题是至关重要的一步，同时也是研究的难点；此外，双足机器人的稳定性不仅与机
