含有半圓形柔性腿的四足機(jī)器人跳躍步態(tài)研究.pdf

1、含有半圓形柔性腿的機(jī)器人結(jié)合了足式和輪式的優(yōu)點(diǎn)，控制簡(jiǎn)單，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，半圓形柔性腿使得機(jī)器人具有好的動(dòng)力學(xué)特性，魯棒性強(qiáng)，這些優(yōu)點(diǎn)使得該種類型的機(jī)器人受到越來(lái)越多研究者的青睞。針對(duì)這種半圓形柔性腿機(jī)器人的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從靜態(tài)控制和動(dòng)態(tài)控制開(kāi)展工作，靜態(tài)控制的研究工作比較成熟，在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)控制，如奔跑、跳躍等運(yùn)動(dòng)，存在的主要問(wèn)題是機(jī)器人的能量利用效率比較低，并且當(dāng)機(jī)器人高速運(yùn)動(dòng)時(shí)穩(wěn)定性會(huì)變差，因此提高機(jī)器人的能量利用效率和高

2、速穩(wěn)定性是很有必要的，研究表明被動(dòng)行走是改善能量利用效率的有效方法，并且被動(dòng)行走具有一定的抗干擾能力，因此本文以半圓形柔性腿機(jī)器人為研究對(duì)象，分析其被動(dòng)跳躍運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性，在進(jìn)行機(jī)器人的跳躍運(yùn)動(dòng)主動(dòng)控制時(shí)，使其盡可能運(yùn)動(dòng)在被動(dòng)步態(tài)附近，旨在提高機(jī)器人的能量利用效率和高速穩(wěn)定性。
　　首先，基于卡式定理獲得等效彈簧剛度，建立半圓形柔性腿動(dòng)力學(xué)模型，接著介紹了四足機(jī)器人的跳躍步態(tài)，并分析了一個(gè)完整跳躍步態(tài)中四個(gè)運(yùn)動(dòng)相以及切換條件，然后

3、應(yīng)用半圓形柔性腿模型建立四足機(jī)器人平面模型，運(yùn)用拉格朗日方程推導(dǎo)平面模型在被動(dòng)跳躍步態(tài)各運(yùn)動(dòng)相的運(yùn)動(dòng)方程以及各運(yùn)動(dòng)相的轉(zhuǎn)變條件。
　　其次，定義了半圓形柔性腿模型和平面模型在被動(dòng)跳躍運(yùn)動(dòng)時(shí)的龐加萊映射和不動(dòng)點(diǎn)，應(yīng)用牛頓迭代法獲得跳躍步態(tài)下的穩(wěn)定不動(dòng)點(diǎn)?；诜€(wěn)定不動(dòng)點(diǎn)分析了半圓形柔性腿模型高度映射關(guān)系，給出模型的不動(dòng)點(diǎn)分布以及不動(dòng)點(diǎn)的速度、高度變化規(guī)律。針對(duì)平面模型，分析了不同能量水平下的不動(dòng)點(diǎn)分布以及模型跳躍運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，研究

4、了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、相對(duì)軀干半身長(zhǎng)和相對(duì)彈簧剛度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，利用matlab進(jìn)行數(shù)值仿真，證明在合理的初始條件配置下機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的被動(dòng)跳躍運(yùn)動(dòng)并具有一定的抗干擾能力。
　　最后，根據(jù)所獲得的能量映射規(guī)律，建立基于能量水平的控制策略，將實(shí)際機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制在被動(dòng)跳躍步態(tài)的穩(wěn)定不動(dòng)點(diǎn)附近，提高能量利用效率。建立半圓形柔性腿模型的等效SLIP模型和扭簧模型，搭建虛擬仿真平臺(tái)，通過(guò)matlab和adams軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真