一種帶有可變剛度柔性踝關節(jié)的雙足步行機器人研究.pdf

1、在雙足步行機器人研究領域，研究者一般會參考人類進行設計，因為目前還沒有一款機器人的綜合性能能夠超越人類。人類下肢具有足夠的柔性，不但可以讓人實現(xiàn)流暢、省力的雙足步行，而且可以保護下肢的關節(jié)。人類下肢靈活、節(jié)能、吸收沖擊的特點對于雙足機器人來說，具有十分重要的借鑒意義。
　　目前國內(nèi)外對于柔性關節(jié)的研究已經(jīng)具有一定成果，柔性關節(jié)的結構形式十分多樣，但是現(xiàn)有的柔性關節(jié)設計大多不能很好地應用在雙足機器人系統(tǒng)中。為了研究柔性關節(jié)對雙足機器

2、人步行運動的影響，本文設計了一種新型的可調(diào)剛度柔性關節(jié)，并研制了包含髖關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié)的雙足欠驅動機器人樣機，將柔性關節(jié)應用在了踝關節(jié)上。還設計了欠驅動機器人的周期步行控制器，確保機器人實現(xiàn)穩(wěn)定的步行運動。最后通過仿真和實驗驗證了控制策略的正確性，證實了柔性關節(jié)對機器人步行運動的積極影響。
　　首先，根據(jù)人類下肢的關節(jié)數(shù)和自由度數(shù)確定了機器人的自由度分布；分析主動機器人、被動機器人的優(yōu)缺點確定了驅動方案；設計了6自由度雙足步行

3、機器人的整體機械結構；利用杠桿原理設計了可變剛度柔性關節(jié)的機械結構，對可變剛度柔性關節(jié)的電機扭矩進行了實驗測定。
　　其次，通過分析機器人的足部結構，忽略了足尖擦地的問題，將機器人整體結構簡化為“五桿四驅動”點足模型；運用基于能量的拉格朗日原理，在狀態(tài)空間中建立了單腿支撐動力學模型；基于有接觸力項的拉格朗日方程和虛功原理，在狀態(tài)空間中建立了機器人雙腿支撐動力學模型。
　　第三，基于計算力矩法以及虛擬約束原理，將機器人的時變參

4、數(shù)轉化為時不變參數(shù)，用于參考軌跡的追蹤；基于反饋線性化方法分離出機器人的關節(jié)力矩項，設計了機器人的反饋控制器；利用貝塞爾多項式規(guī)劃了欠驅動機器人的時不變步態(tài)；選擇了極限環(huán)作為機器人的穩(wěn)定性驗證方法，對機器人的周期步行穩(wěn)定性進行了分析。
　　最后，建立了雙足機器人步行實驗平臺，研制了帶有柔性踝關節(jié)的雙足機器人行走樣機，通過在ADAMS中進行可變剛度踝關節(jié)的仿真，分析了可變剛度關節(jié)對機器人步行運動的影響；完成了兩種步行實驗，一種是棋盤