仿人跑步機器人快速跑步研究.pdf

1、近些年來仿人跑步機器人逐漸成為國內外的一個研究熱點。和其它移動方式的機器人相比，仿人跑步機器人具有速度快、效率高和受環(huán)境限制少、運動靈活等特點。對它的研究也可以帶動其它相關學科的發(fā)展。因此，仿人跑步機器人的研究不僅具有重要的學術意義，而且有現實的應用價值。目前國際上研究的仿人跑步機器人的跑步速度還很低，只能是所謂的慢跑機器人，其中除了元器件等技術上的原因外，還因為對相關理論研究的缺乏。因此，本文主要研究仿人跑步機器人在快速跑步時產生的新

2、問題，從理論上進行分析，主要有變拓撲結構動力學、動態(tài)穩(wěn)定性分析、跑步步態(tài)規(guī)劃、跑步過程仿真算法及機器人跑步運動的控制等內容，具體如下： 一、針對機器人跑步的特點，建立了統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)，提出了基于D-H參數齊次轉換矩陣的三維運動學模型。正向運動學采用齊次轉換矩陣從參考坐標系到各個桿件依次分析：對于逆運動學，為了配合跑步步態(tài)規(guī)劃，根據機器人質心和雙腳的軌跡，由運動約束建立一組非線性方程組，通過Newton-Raphson迭代方法求得

3、各個關節(jié)角度、角速度和角加速度的數值解。仿真結果表明這種方法求解速度快、精度高，克服了以往把機器人質心固定在髖關節(jié)的缺點，可應用于機器人快速跑步實時規(guī)劃中。 二、基于笛卡兒坐標和歐拉四元數建立了仿人跑步機器人變拓撲結構動力學模型。針對機器人在起跳階段和飛行階段存在不同約束，分別建立了起跳階段和飛行階段兩種動力學方程，推導了從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的轉變條件，以實現機器人變拓撲系統(tǒng)的全局自動仿真。這種動力學方程由微分方程和代數約束方

4、程組成，其優(yōu)點是通過稍微修改約束方程和雅克比矩陣，就可以方便地建立各自動力學方程，建模速度快、精度高。最后基于拉格朗日動力學方程推導了機器人落地腳和地面發(fā)生碰撞時支撐腿關節(jié)角速度的變化公式。 三、根據D'Alembert原理推導了機器人在起跳階段和飛行階段的動態(tài)穩(wěn)定性條件；同時根據地面支反力的分布情況，推導了機器人單腳著地時，不在地面打滑的條件，兩者結合構成了機器人跑步時動態(tài)穩(wěn)定性條件。 四、在滿足動力學條件和穩(wěn)定性的前