仿人跑步機(jī)器人快速跑步研究.pdf

1、近些年來(lái)仿人跑步機(jī)器人逐漸成為國(guó)內(nèi)外的一個(gè)研究熱點(diǎn)。和其它移動(dòng)方式的機(jī)器人相比，仿人跑步機(jī)器人具有速度快、效率高和受環(huán)境限制少、運(yùn)動(dòng)靈活等特點(diǎn)。對(duì)它的研究也可以帶動(dòng)其它相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。因此，仿人跑步機(jī)器人的研究不僅具有重要的學(xué)術(shù)意義，而且有現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用價(jià)值。目前國(guó)際上研究的仿人跑步機(jī)器人的跑步速度還很低，只能是所謂的慢跑機(jī)器人，其中除了元器件等技術(shù)上的原因外，還因?yàn)閷?duì)相關(guān)理論研究的缺乏。因此，本文主要研究仿人跑步機(jī)器人在快速跑步時(shí)產(chǎn)生的新

2、問(wèn)題，從理論上進(jìn)行分析，主要有變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析、跑步步態(tài)規(guī)劃、跑步過(guò)程仿真算法及機(jī)器人跑步運(yùn)動(dòng)的控制等內(nèi)容，具體如下： 一、針對(duì)機(jī)器人跑步的特點(diǎn)，建立了統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)，提出了基于D-H參數(shù)齊次轉(zhuǎn)換矩陣的三維運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。正向運(yùn)動(dòng)學(xué)采用齊次轉(zhuǎn)換矩陣從參考坐標(biāo)系到各個(gè)桿件依次分析：對(duì)于逆運(yùn)動(dòng)學(xué)，為了配合跑步步態(tài)規(guī)劃，根據(jù)機(jī)器人質(zhì)心和雙腳的軌跡，由運(yùn)動(dòng)約束建立一組非線性方程組，通過(guò)Newton-Raphson迭代方法求得

3、各個(gè)關(guān)節(jié)角度、角速度和角加速度的數(shù)值解。仿真結(jié)果表明這種方法求解速度快、精度高，克服了以往把機(jī)器人質(zhì)心固定在髖關(guān)節(jié)的缺點(diǎn)，可應(yīng)用于機(jī)器人快速跑步實(shí)時(shí)規(guī)劃中。 二、基于笛卡兒坐標(biāo)和歐拉四元數(shù)建立了仿人跑步機(jī)器人變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型。針對(duì)機(jī)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(dòng)力學(xué)方程，推導(dǎo)了從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的轉(zhuǎn)變條件，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人變拓?fù)湎到y(tǒng)的全局自動(dòng)仿真。這種動(dòng)力學(xué)方程由微分方程和代數(shù)約束方

4、程組成，其優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)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(dòng)力學(xué)方程，建模速度快、精度高。最后基于拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程推導(dǎo)了機(jī)器人落地腳和地面發(fā)生碰撞時(shí)支撐腿關(guān)節(jié)角速度的變化公式。 三、根據(jù)D'Alembert原理推導(dǎo)了機(jī)器人在起跳階段和飛行階段的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性條件；同時(shí)根據(jù)地面支反力的分布情況，推導(dǎo)了機(jī)器人單腳著地時(shí)，不在地面打滑的條件，兩者結(jié)合構(gòu)成了機(jī)器人跑步時(shí)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性條件。 四、在滿足動(dòng)力學(xué)條件和穩(wěn)定性的前