双足机器人稳定步态规划及多机器人室内自定位方法研究

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1、硕士学位论文双足机器人稳定步态规划及多机器人室内自定位方法研究RESEARCHONSTABLEGAITPLANNINGOFBIPEDALROBOTANDTHESELF-LOCALIZATIONOFMULTI-ROBOTSININDOORENVIRONMENT余天奇哈尔滨工业大学2016年7月国内图书分类号：TP242学校代码：10213国际图书分类号：621.9密级：公开工学硕士学位论文双足机器人稳定步态规划及多机器人室内自定位方法研究硕士研究生:余天奇导师:徐文福教授申请学位:工学硕士专业:机械电子工程所在单位:深圳研究生院答辩日期:2016年06月授予学

2、位单位:哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP242U.D.C:621.9DissertationfortheMaster’sDegreeofEngineeringRESEARCHONSTABLEGAITPLANNINGOFBIPEDALROBOTANDTHESELF-LOCALIZATIONOFMULTI-ROBOTSININDOORENVIRONMENTCandidate：YuTianqiSupervisor：Prof.XuWenfuAcademicDegreeAppliedfor：Master’sDegreeofEngineeringSpe

3、ciality：MechanicalEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：June,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要随着科技的发展和老龄社会的来临，各种独具特点的服务机器人正加速进入我们的日常生活，双足步行机器人因其与人类酷似的外形和运动特点而备受青睐。不久的将来，双足步行机器人必将作为一个个独立的“人”，与人类朝夕相处，然而，美好憧憬与严峻挑战并存，机器人

4、时代还远未到来,目前主要存在于文学作品和科幻电影中。本文针对室内环境下双足机器人稳定行走与实时自定位的需求，开展了Nao机器人下肢运动学建模、双足行走动力学建模、双足行走步态规划及室内环境下机器人自定位与多机器人运动协调等研究。根据Nao机器人下肢关节结构以及行走特点，建立了双足步行机器人运动学模型和动力学模型，并基于ZMP理论和3D倒立摆模型,对双足行走步态规划方法进行了研究。针对机器人单腿六自由度关节，通过将髋部非标准正交配置的连续三关节构型转换为标准正交配置的关节构型，实现了一种能大大简化封闭逆解求解过程的方法，为类似连续三关节轴线相交但不垂直的封闭逆

5、运动学问题提供了一种通用的解决思路。通过分析人体步行时足底压力中心点CoP变化规律，提出了一种能够实时在线生成机器人沿任意方向稳定行走(直步、侧步、斜步、旋步)的双足步态生成方法，该方法不像传统的方法那样通过预设全局的ZMP参考轨迹，并进行复杂的傅里叶变换和拉普拉斯变化来生成离线步态，而是通过对一个完整单步周期进行参数化建模，在大量减少运算量的同时，还实现了实时在线步态规划。最后通过仿真实验和实物样机实验，对双足步态规划算法有效性进行了验证。针对Nao机器人室内环境下实时自定位并进行自主导航的需求，通过对机器人自带各种传感器进行综合运用，实现了一种基于人工地

6、标和2D相机的双足机器人室内自定位算法，在不借助任何外部辅助设备的情况下实现了一定范围内精度较高的机器人自定位。基于自定位算法，以及路径规划和步态规划结果，实现了单个机器人室内环境下自主导航，并借助于声呐传感器，实现了动态避障。基于单个机器人自主避障与导航，制定多机器人通讯与运动协调机制，实现了多个机器人室内环境下队形编队与避障导航，并通过多机器人综合实验对自定位算法和多机器人运动协调机制进行了验证。关键词：双足机器人；封闭逆解；ZMP准则；步态规划；自定位；多机器人运动协调-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractWiththerapiddeve

7、lopmentofscienceandtechnologyaswellasthecomingofagingsociety,allkindsofservicerobotswithuniquecharacteristicsareappearingintoourdailylife.Amongalltherobots,thebipedwalkingrobotwithhumanresemblesandmovementcharacteristicsstandsoutthemost.Itisnotdifficulttoforeseeinthenearfuturethath

8、umanoidrobotwillactlikeani