單足彈跳機(jī)器人可變剛度柔性回轉(zhuǎn)髖關(guān)節(jié)及其特性研究.pdf

1、千百萬(wàn)年優(yōu)勝劣汰的生物演進(jìn)使得足式動(dòng)物逐步優(yōu)化完善著身體結(jié)構(gòu)和功能，其腿部的結(jié)構(gòu)使其能夠很好的實(shí)現(xiàn)跑跳運(yùn)動(dòng)。足式機(jī)器人研究以對(duì)動(dòng)物跑跳運(yùn)動(dòng)的研究成果為參照，在腿部結(jié)構(gòu)和功能上進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)，雖已取得了眾多研究成果，但是關(guān)于髖關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)中呈現(xiàn)出的回轉(zhuǎn)柔性及其對(duì)彈跳運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響鮮有涉足，因此本文針對(duì)這一問(wèn)題展開(kāi)研究，以期對(duì)髖關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)柔性在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中的作用進(jìn)行分析并加以利用，借助對(duì)柔性關(guān)節(jié)剛度的調(diào)節(jié)來(lái)改變其彈跳運(yùn)動(dòng)特性。在足式機(jī)器人中，這種特

2、性需通過(guò)可變剛度柔性回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這一特殊的應(yīng)用需求也為關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)以及運(yùn)動(dòng)控制提出了挑戰(zhàn)。
　　針對(duì)可變剛度柔性回轉(zhuǎn)髖關(guān)節(jié)在單足彈跳機(jī)器人中的應(yīng)用研究，利用基于動(dòng)力學(xué)方程的龐加萊映射不動(dòng)點(diǎn)分析方法，針對(duì)基于柔性回轉(zhuǎn)髖關(guān)節(jié)的單足彈跳模型，研究了其在被動(dòng)運(yùn)動(dòng)下的彈跳運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，并通過(guò)對(duì)比自由回轉(zhuǎn)髖關(guān)節(jié)單足彈跳運(yùn)動(dòng)特性分析了髖部柔性回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對(duì)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的影響。繼而基于騰空相逆動(dòng)力學(xué)控制改善了柔性回轉(zhuǎn)髖關(guān)節(jié)單足彈跳的不動(dòng)點(diǎn)分布，并借助建

3、立能量消耗評(píng)價(jià)函數(shù)，研究了柔性回轉(zhuǎn)髖關(guān)節(jié)在彈跳運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)化中的作用。通過(guò)對(duì)典型不動(dòng)點(diǎn)處不同關(guān)節(jié)剛度下的運(yùn)動(dòng)能耗進(jìn)行分析，建立了不動(dòng)點(diǎn)能耗與關(guān)節(jié)剛度的對(duì)應(yīng)，得出了髖關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)剛度對(duì)機(jī)器人彈跳運(yùn)動(dòng)特性的影響。通過(guò)建立機(jī)器人單足彈跳虛擬樣機(jī)進(jìn)行了機(jī)器人彈跳實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證了理論分析結(jié)論的正確性，展示了柔性回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在單足彈跳運(yùn)動(dòng)中的作用，為研究可變剛度柔性回轉(zhuǎn)髖關(guān)節(jié)的特性在單足機(jī)器人樣機(jī)彈跳運(yùn)動(dòng)中的影響提供了指導(dǎo)。
　　繼而，在總結(jié)現(xiàn)有的可變

4、剛度柔性回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)構(gòu)型的基礎(chǔ)上，采用了基于運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)比無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)原理的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)思路，對(duì)傳統(tǒng)的杠桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，將其融合在可變剛度柔性回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)中；針對(duì)足式機(jī)器人應(yīng)用進(jìn)行了小型輕量化設(shè)計(jì)，滿足了其對(duì)關(guān)節(jié)的重量和體積較為嚴(yán)苛的要求，同時(shí)保持了較高的驅(qū)動(dòng)能力。在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和關(guān)節(jié)剛度調(diào)節(jié)采用相對(duì)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)鏈路，降低了其運(yùn)動(dòng)耦合性，在一定程度上簡(jiǎn)化了運(yùn)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，為后續(xù)的單足機(jī)器人彈跳運(yùn)動(dòng)控制奠定了良好的基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的運(yùn)

5、動(dòng)學(xué)分析初步得到了關(guān)節(jié)的剛度輸出特性，并通過(guò)仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　機(jī)器人彈跳中的腿部剛度調(diào)節(jié)通過(guò)關(guān)節(jié)剛度的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)，缺乏行之有效的關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)剛度辨識(shí)做支撐這一目的很難實(shí)現(xiàn)。本文首先引入泰勒展開(kāi)對(duì)可變剛度關(guān)節(jié)中的柔性力矩進(jìn)行線性化近似，通過(guò)進(jìn)行關(guān)節(jié)參數(shù)解耦消除了關(guān)節(jié)剛度調(diào)節(jié)參量在剛度調(diào)整過(guò)程中對(duì)關(guān)節(jié)力矩的影響；利用卡爾曼濾波算法對(duì)關(guān)節(jié)力矩線性表達(dá)系數(shù)進(jìn)行辨識(shí)。結(jié)合對(duì)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及阻尼系數(shù)的辨識(shí)，本文實(shí)現(xiàn)了對(duì)關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)剛度的

6、辨識(shí)，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)其有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上本文采用了基于剛度前饋的控制方法對(duì)關(guān)節(jié)輸出剛度嘗試進(jìn)行了閉環(huán)控制，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了可行性驗(yàn)證，取得了良好的效果。
　　最后，本文建立了可變剛度柔性回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)關(guān)節(jié)的輸出剛度特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，證明了采用變傳動(dòng)比杠桿機(jī)構(gòu)作為關(guān)節(jié)傳動(dòng)核心部件可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)剛度的調(diào)整，繼而對(duì)關(guān)節(jié)剛度辨識(shí)和剛度控制方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，展示了可變剛度柔性回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)髖關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的可行性，驗(yàn)證了其具有