双足机器人的倒立摆模型及其控制研究

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1、山东大学硕士学位论文摘要双足机器人是一门与仿生学、多刚体动力学、多传感器融合技术以及控制工程等多学科褶结合的交叉学科，是机器人研究领域中的一个重要分支。双足行走方式具有高度的灵活性，特别适合于日常环境与人类协作完成各种任务。在康复、日常服务，危险环境作业等领域具有广阔的应用潜力．所以对双足步行机器人行走规划及其控制研究不仅具有很高的学术价值，而且具有相当的现实意义。论文中，我们根据人类的步行过程及人体的生理结构提出了～种简单的双足机器人模型，并进行了步态规划的研究，最终得出了和二级倒立摆模型相似的双足

2、机器人行走模型。然后，在随后的章节中针对这～模型。用二级倒立摆的平衡控制模拟双足机器人在平坦的地面上，脚面抬起高度为0的最小能量消耗的一种行走方式。倒立摆系统的研究具有重要的理论研究和实际应用价值。许多抽象的控制概念如控制系统的稳定性，可控性、系统收敛速度和系统抗干扰能力等，都可以通过倒立摆系统直观的表现出来。倒立摆系统的高阶次、不稳定、多变量．非线性和强耦合等特性使得许多现代控制理论的研究人员～直将它视为研究对象．他们不断从研究倒立摆控制方法中发掘出新的控制方法。并将其应用于航天科技和机器人学等各种

3、高新科技领域．由于它的行为与火箭以及两足机器人行走有很大的相似性，因而对其研究具有重大的理论和实践意义．由于倒立摆系统本身所具有的上述特点，使它成为深入学习、研究和证实各种控制理论有效性的实验系统．由于二级倒立摆和双足机器入行走的相似性，很自然联想到用倒立摆进行双足机器人步态行走的仿真。由于倒立摆装置的成熟性，就可以在倒立摆系统这样一个比较成熟且相对来说是比较简单的模型上进行双足机器人步态行走特性上的模拟仿真工作。。论文将极点配置、LQR理论运用到直线倒立摆的控制中，在实际中对理论进行了进一步的研究工

4、作。把倒立摆系统的动态方程在其工作点附近山东大学硕士学位论文．iiII--!；rI[．．．．[I：[I--一进行线性化，得出其线性化方程，然后运用MATLAB程序对极点配置控制器和LQP．控制器进行了仿真，针对实际系统总结出这两种理论的经验参数，并对两种理论的控制效果进行了对比。鉴于智能控制理论可以直接针对系统非线性模型进行控制。论文中选用CMAC神经网络对二级倒立摆的非线性模型进行控制研究以及改进等相关工作，并实现了相应的仿真工作。关键词；双足机器人，倒立摆，步态规划、CMAC、极点配胃、LQRII

5、山东大学硕士学位论文ABSTRACTThebipedroboticsisacrossdisciplinewhichinvolvesthebionics。multi—rigidbodycomplexdynamics，multi·sensordatafusionandcontrolengineering，Anditisoneofthemostimportantbranches．Thebipedrobotissuitablefordoingcooperationwithhumaninpeople'sever

6、ydaylives。andhasawiderpotentialsubstituteforhumanworksuchashealingservice，houseworkandworkinginhazardconditions．Thercforc，theresearchonthebipedrobothasnotonlythehigheracademicvalue，butalsohascomparativelypracticalsignificance．Inthispaperwedevelopasimple

7、modelofbipedrobot，whichisbasedonthehuman’swalkingcourseandthehuman’sphysicalstructure．Thenwehavetheresearchonthegaitplanningofbipedrobot，andweachievethecomparabilitybetweenthebipedwalkingandthedoubleinvertedPendulum．Inthefollowingchapter，wehavethesimula

8、tionofthebipedwalkingwithoutliftingthefeetontheflatgroundandconsumingenergy,whichusesthebalancingandlocomotionoftheinvertedpendulum．Thestudiesontheinvertedpendulumhavesignificanttheoryandpracticalvalues．Theycallshowmanyabstractco