双足机器人的动力学建模与控制

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1、双足机器人的动力学建模与控制大连理工大学硕士学位论文双足机器人的动力学建模与控制姓名:丁称林申请学位级别:硕士专业:一般力学与力学基础指导教师:吴玉良20020301 摘 要本文为一个名叫的双足机器人建立了完整的力学模型和控制模 型,使机器人能 在平面上实现稳定的动态行走。并且对模型的可靠性和实用性进行了仿真计算,结果证实了文中模型的合理性和可行性。这个名为 的机器人 有个自由度,从机械学的角度看,其结构能实现基本的步行动作。 为了使建立的模 型利于计算机控制和编程计算,文章采用了一种递推的? 方法来建立机器人的力学 模型,这种方法的特点是利用递推计算的办法来 形成力学方程中动力矩阵和关联矩

2、阵的元素,这就使得非常复杂的动力学方程 在编程计算的时候显得非常简洁、有效,在这个基础上,文章对步行策略进行 了设计,并得到了实现稳定的动态行走所必须满足的力学条件。在机器人的控制问题上,文章采用的是跟踪式的控制法,具 体措施是首先把机器人的行走过程按一个很小的时间区间分成许多时间域,其 次把机器人的力学方程在每个时间领域里线性化,然后在这个时间域内对机器人进行控制。其实这种控制方法允许对机器人控制系统的特性参数进行设计,这就更容易使控制系统达到我们的要求;另外,还添加一个控制 环节,使其具有一定的鲁棒性,来抵消由于实际机器人的某些力学参数很难精 确测量所带来的对稳定性的负面影响。文章的最后对

3、力学模型和控制用进行了仿真计算,列出一些重要的 计算结果,对稳定性、跟踪误差、响应性能等重要的控制指标进行了分析。其 结果显示,文章所采用的建模方法、行走策略和控制措施是合理的、有效的、 实用的。关键词:双足机器人、力学模型、动态步行、行走策略、控制模型、仿真 计算 ，, .? .耐 : .?,，双足机器人的动力学建模与控制第一章 绪论 机器人是作为现代高新技术的重要象征和发展结果,已经广泛应用于国民生 产的各个领域,并正在给人类传统的生产模式带来革命性的变化,影响着人们 生活的方方面面。虽然机器人的技术现在已日趋成熟,但是有关机器人的定义 却众说纷纭,美国机器人工业协会给出的定义是:“机器人

4、是一种可再编程的多 功能操作机,通过可变的程序流程,以完成多样化的任务”。我国著名的机器人 专家蒋新松给出的定义则相对简洁:“机器人是一种具有拟人功能的机械电子 装置”。不管这些定义如何,但他们都包含了机器人的共性:能模仿人的一些 动作;具有一定的智力、感觉和识别能力;是人造的机器或机械电子 装置。 正常人所能完成的基本动作?步行,其实是一种非常复杂的运动,它需 要的人 全身的骨骼和肌肉进行复杂而巧妙的协调,而人的骨骼系统由块骨 头组成,肌肉系 统包括对肌肉,这是一个很复杂的系统,但是在大脑的指 挥下,人不但完成步行,而 且还能轻而易举完成其他高难度的动作。对于步行 机器人来说,它只需要模仿人

5、在 特殊情况下平地或己知障碍物完成步行动 作,这个条件虽然可以使机器人的骨骼机 构大大降低和简化,但也不是说这个 系统就不复杂了,其步行动作一样是高度自动化的运动,需要控制机构进行 复杂而巧妙地协调各个关节上的动作。 本章简要阐明了机器人的发展历史,双足机器人的研究背景和研究进展, 最后 简要说明了本文所做的工作。?.机器人的发展历史“机器人”是存在于多种语言和文字的新造词,它体现了人类长期以来的 一种 愿望,即创造出一种像人一样的机器人或人造人,以便能够代替人进行各种工作。双足机器人的动力学建模与控制 尽管直到三十多年前,“机器人”才作为专有名词加以引用,然而机器人的 概 念在人类的想象中却

6、已经存在三千年了。早在我国西周时代公元前年 一前年,就流 传有关巧匠堰师献给周穆王一个歌舞机器人艺伎的故事。作为第一批自动化动物之的能够飞翔的木鸟是在公元前年至年间制 成的。公元前世纪,古希腊发明家戴达罗斯用青铜为克里特岛国王迈诺斯塑 造了一个守卫宝岛的青铜卫士塔罗斯。在公元前世纪出现的书籍中,描写过 一个具有类似机器人角色的机械化剧院,这些角色能够在宫廷仪式上进行舞蹈 和列队表演。我国东汉时期公元?年,张衡发明的指南车是世界上最早的机器人雏形。人类历史进入近代之后,出现了第一次工业和科学革命。随着各种自动机 器、动力机和动力系统的问世,机器人开始由幻想时期转入自动机械时期,许 多机械式控制的

7、机器人,主要是各种精巧的机器人玩具和工艺品,应运而生。 公元?年间,瑞士钟表匠德罗斯父子三人,实际制造出三个像真 人样大小的机器人?写字偶人、绘图偶人和弹风琴偶人。它们是由凸轮控 制和弹簧驱动的自动机器,至今还作为国宝保存在瑞士纳切特尔市艺术和历史 博物馆内。同时,还有德国梅林制造的巨型泥塑偶人“巨龙戈雷姆”,目本物理 学家细川半藏设计的各种自动机械图形,法国杰夸特设计的机械式可编程序织 造机等。年,加拿大摩尔设计的能行走的机器人“安德罗丁”,是以蒸汽机 为动力的。这些机器人工艺品,标志着人类在机器人从梦想到现实这一漫长道路上, 前进 了一大步。进入二十世纪之后,机器人已躁动于人类社会和经济的

8、母胎之中,人们含 有几 分不安的期待着它的诞生。他们不知道即将问世的机器人将是个宠儿,还是个怪物。年,捷克剧作家卡雷卡?凯培克在他的梦想情节剧罗萨姆的万能机器人.中,第一次提出了“机器人”这个名词。 各 国对机器人的译法,几乎都从斯洛伐克语“”音译为“罗伯特”如英语 ,日语,俄语, 德语等,只有中国译为“机器人”。年,美国著名科学幻想小说家阿西莫夫在他的小说我是机器人中,提出了有名的“机器人三守则”;机器人必须不危害人类,也不允许它眼看人将受害而袖手旁观 机器人必须绝对 服从人类,除非这种服从有害于人类。机器人必须保护自己不受伤害,除非为了保护人类或者人类命令它 这样做。双足机器人的动力学建模

9、与控制?.双足机器人研究背景机器人技术是电子、机械、人工智能等各个领域新技术的结晶,人形机器 人的 研究作为机器人学的一个分支,无疑对机器人研究的技术和思想提出了更高的要求。它所应该具有的活动能力对力学和机械学提出了挑战;它对控制的 高度灵活的要求使现代控制理论找到了真正的用武之地;它所要具有的智能对 人工智能提出了一个高难度的课题,同时也是对神经学和仿生学的研究成果一次大检验。所以人形机器人的研究是高科技各种成果的综合。人形机器人的研究起源于人的好奇性和一种自我挑战的心理,人们总想制 造出一种跟自己差不多的机器,它可以忠实地供人驱使,为人干活,成为人的 终身保姆。目前的机器人技术和人的这些梦

10、想相比,可能还要一段很长的路要 走。但是我们可以看到现在已经有各种样式的双足机器人问世,它们可以行走 和顺利拐弯,也可以做一做“小动作”。但是如果这种机器人具有很好的控制 性能,还有小巧玲珑的体形,再加上必要的人工智能和学习能力,则它的应用不 仅仅在科研上,它可以进入家庭和服务业,进而代替现在的机器宠物,使这种 “机器人保姆”进入市场。还可以在工业上代替从事一些复杂且没有规律的手 工劳动,在科学探测活动中从事高危险系数或者人无法完成的作业。总之,双 足机器人有着巨大的应用前景和发展潜力。?.国内外的研究概况及发展趋势国外的取足机器人研究早在年代就已经形成了热潮,并且提出了很多非常系统的建模及控

11、制的理论和方法。我国在这方面的研究则比较零星,很多研 究集中在机器人的步态控制上,完整的动力学建模还较少涉及,这有待我们的 进一步努力。在双足机器人的建模研究中,国外许多论文针对不同的自由度提出许多值 得借鉴的思想和方法。从年代发展起来的多体动力学的发展简化了多体系统 【”,有 的建模方法,使所建立起的模型更适合于计算机编程计算和实时控制【 很多工业机器人都是用这种方法建模,这种方法的缺点是力学模型的建立和控 制模型的建立是分开的,所以在把力学模型转化为控制模型时存在相当的难度,由于双足机器人对控制系统的高要求,所以用这种方法对其进行建模的论文很双足机器人的动力学建模与控制 少。到了年代,很多

12、学者都注意了这个问题,于是发展一批适用于双足机器 人的建模方法,.等人在年提出一种直接非线性解耦法 ,这种方法的思想是用经过修正的 方程建立动力学方程并在其上做适当的变换从而得到解耦的控制方 程。等人在年的一篇论文中建立一个个自由度个连杆 的机器人的动力学模型时,提出了用优化的有关理论来建立模型的方法,这种 方法主要是针对步态的优化,然后把所建立的优化方程直接用计算机进行仿真 计算,从而得到机器人的特性参数。随着这些方法的发展, 双足机器人的模型 也越来越复杂,从简单单自由度被动式机器人到拥有多达个自由度的主动式 机器人都已经问世,其中后者基本上可以完成走、转向、小跑等动作。在控制 系统的设计

13、上也发展了很多有特色的方法,计算法一由力学方程得到控制方 程,这种方法要求详细知道系统的结构参数,否则不能有很好的效果,它经常 和控制法、控制法结合在一起使用;鲁棒性控制法?其控制系统参数 有高度的低敏感性、抗干扰性。当无法确切知道系统的结构参数时,这种方法 可以有相当的准确性和稳定性。自适应控制法一这种方法在机器人的关节和 脚上加上一些传感器,根据传感器的数据调整关节和脚上的力和力矩以达到实 时控制。国内的研究中比较系统的建模理论很少,但在步态研究和控制研究却也不 冷,并且很有创新,如张克等人提出的用小波神经网络来控制双足机器人的步 态。,还有柳洪义等人在机器人脚触地所带来的冲击进行较为详细

14、的研究【?。 总之,现在的双足机器人正在和人工智能、计算机、新材料等高技术领域 相结合。随着机构和控制复杂度的提高,其建模方法除了理论上的不断完善之 外,也越来越依靠许多很有名的多体系统计算与仿真软件,如、 其控制系统正朝着自治的方向发展,为制造更加人性化和智能化的 和;机器人打下坚实的基础。 下面的几个图是不同自由度数的双足步行机器人的原理图。图.只有 一个自由度? ,其行走就靠髋关节上的哪个转动自 由度的相对运动来实现,其结构相当简单,但也能实现动态步行【】,图.有 两个自由度,其向前运动是靠髋关节来实现的,而机器人的抬腿运动是通过附 加在脚上的液压缸的伸缩运动来达到目的。图.所示的模型有

15、四个自由度, 由于其自由度比较多,并且布置比较合理,所以与前两者相比,显得更加人性 化和灵活,能实现各种速度的步行动作,还有一定程度上的抗干扰能力和越障 水平,因为在两条腿的踝部各增加了一个侧向自由度,所以机器人能够实现通 过这个自由度的活动来达到动态步行的目的。图.有九个自由度,在给出的 四个模型中,这种步行机的结构与人最接近,腰部上面的摇杆是做动平衡用的, 这种机器人行走的时候必须使步行动作和摇杆的动作巧妙地配合,才能实现 动 态步行。与前面的模型相比,这种模型能够实现更加复杂和稳定的步行动作。 双足机器人的动力学建模与控制但是作为比较接近人本身结构的图.所示的模型,其实也有一个弱点, 就

16、是在其行走的时候,上体必须按照某种规律的摆动,否则就不能实现动态步 行,但是由于上体在摆动,所以机器人的上体就不利于进一步地进行结构上的 扩展如给机器人加上手臂等,而限制了机器人的用途。另外这种机器人的上 且图. 步行机图.图. 步行机 体摆动部分由于质量比较大,所以摆动起来显得很笨重,这就限制了机器人 高速步行的可行性。本文所设计的机器人就弥补了这两个缺点,能够实现各种速度的取足机器人的 动力学建模与控制步行,又能保持上体的稳定性,而其自由度仅为个,这就给计算和控制带来 方便。图.步行机?.本文的主要工作 本文提出了一种利于编程计算的双足机器人力学建摸方法一一基于 ?方法的递推计算建模法,在这个基础上,提出了一种变结构的跟 踪控制方案,由于双足机器人的单脚支撑期和双脚支撑期是两个显