被动踝关节仿人机器人站立平衡控制研究的任务书.docx

被动踝关节仿人机器人站立平衡控制研究的任务书
任务书
一、任务背景
近年来，仿生机器人的发展受到了越来越多的重视。被动式机器人是其中一种重要的类型，它通过被动的力学结构来实现运动，具有结构简单、能耗少、无需额外能源注入等优点，被广泛应用于人工肢体、智能康复等领域。其中，被动踝关节是一个重要的研究对象。掌握被动踝关节的平衡控制技术，对于仿人机器人的稳定行走、站立等动作具有十分重要的意义。
本次任务主要面向被动踝关节仿人机器人站立平衡控制的研究，通过建立数学模型，开发合适的算法，研究被动踝关节的平衡控制方法，以期实现仿人机器人在不同地形、不同外部干扰下的平衡稳定。
二、任务目标
本次任务的主要目标包括：
1、了解被动踝关节的力学原理及特点；
2、建立被动踝关节仿人机器人的数学模型，包括机器人的动力学方程、运动学方程等；
3、分析被动踝关节仿人机器人的平衡控制问题，包括平稳状态的判定、平衡控制算法的开发等；
4、设计被动踝关节仿人机器人的控制系统，包括输入输出设计、控制算法设计、控制器参数的确定等；
5、通过控制仿人机器人进行实验验证，研究不同外部干扰、不同地形下的平衡控制能力。
三、任务内容
1、了解被动踝关节的力学原理及特点
通过文献调研等方式，了解被动踝关节的力学特性，包括其结构特点、运动学特性、动力学特性等；
2、建立被动踝关节仿人机器人的数学模型
以MultibodyDynamics软件为工具，建立机器人的动力学方程和运动学方程，考虑机器人在不同形态下的运动状态，确定其运动学参数和动力学参数，形成被动踝关节仿人机器人的数学模型；
3、分析被动踝关节仿人机器人的平衡控制问题
通过数学模型，分析平衡状态的判定条件，研究平衡控制算法，包括模型预测控制、模糊控制、PID控制等方法，选择合适的算法，对平衡控制问题进行深入研究；
4、设计被动踝关节仿人机器人的控制系统
依据所采用的控制算法，设计被动踝关节仿人机器人的控制系统，包括输入输出的设置、控制器的参数调节、控制器的硬件设计等，使控制系统能够精准、稳定地控制机器人的平衡；
5、通过实验验证研究成果
利用搭建的被动踝关节仿人机器人，进行实验验证，分析不同地形、不同外界干扰下机器人的平衡能力，评估所设计的平衡控制算法的性能，优化成果。
四、任务计划
1、第一周：文献调研，定论任务目标和内容
2、第二周：基础理论学习和MultibodyDynamics软件操作训练
3、第三至四周：建立被动踝关节仿人机器人的数学模型，确定其运动学和动力学参数
4、第五至六周：分析被动踝关节仿人机器人的平衡控制问题，确定平衡控制算法
5、第七至八周：设计被动踝关节仿人机器人的控制器系统，进行参数调整和系统硬件设计
6、第九至十周：通过实验验证研究成果
7、第十一至十二周：撰写任务报告和成果论文，准备答辩
五、预期成果
1、被动踝关节仿人机器人的数学模型，包括动力学方程和运动学方程等，并分析其特点
2、被动踝关节仿人机器人的平衡控制算法，包括控制器参数的确定和实现流程等
3、被动踝关节仿人机器人的控制系统，包括硬件电路和软件实现，能够实现多种平衡控制算法的调节和切换
4、实验验证结果和文献综述成果
5、本次研究的报告和论文
六、参考文献
[1]李林林,宫立达,王亚北.基于被动式控制的多自由度仿人机器人垂直跳跃模拟.沈阳航空航天大学学报,2018,35(2):29-34.
[2]顾芳,肖飞.基于踝关节发力器的人形机器人运动控制.控制工程,2017,24(1):141-145.
[3]高培伦,林永山,丁鹏等.跑步器支持的被动式自旋转腿机器人运动学与动力学分析.哈尔滨工业大学学报,2015,47(12):33-38.
[4]张强,李敏哲.基于改进PID的双腿人形机器人平衡控制.机器人技术与应用,2016,35(4):408-413.