具彈性軀干仿生四足機(jī)器人準(zhǔn)被動(dòng)動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、四足機(jī)器人由于其穩(wěn)定性較好，可以實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)態(tài)步態(tài)，一直是機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。自上世紀(jì)60年代以來(lái)，四足機(jī)器人的研究正逐漸向高性能、高速、重載方向發(fā)展。為了使四足機(jī)器人具有高速運(yùn)動(dòng)能力，一些學(xué)者嘗試以獵豹為參照進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)。在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，獵豹會(huì)利用其彈性軀干的蜷曲與伸展來(lái)提高疾馳速度。由于腿部與軀干直接相連，這一蜷曲與伸展會(huì)對(duì)整體性能產(chǎn)生影響。因此，有必要研究軀干彎曲運(yùn)動(dòng)的作用，這是在進(jìn)行四足機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)有效利用軀干關(guān)節(jié)作用的基礎(chǔ)。目前

2、的四足機(jī)器人大多為剛性的軀干，而一些對(duì)具軀干關(guān)節(jié)的四足機(jī)器人研究則將重點(diǎn)集中于運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)控制，對(duì)軀干關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)基本性能進(jìn)行研究較少。
　　 本文以具有柔性軀干的四足哺乳動(dòng)物為參照，針對(duì)理論模型的缺失建立了具有彈性軀干關(guān)節(jié)的四足模型;提出了可用于軀干關(guān)節(jié)基本性能分析的準(zhǔn)被動(dòng)步態(tài);推導(dǎo)了初始狀態(tài)搜索算法以高效地獲得模型的運(yùn)動(dòng)步態(tài);根據(jù)運(yùn)動(dòng)仿生模擬的需求對(duì)軀干的剛度特性進(jìn)行了分析;研究了具彈性軀干關(guān)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性。
　　 合理

3、的動(dòng)力學(xué)模型是對(duì)軀干關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)。以獵豹為參照，對(duì)其軀干骨骼結(jié)構(gòu)以及連接方式進(jìn)行分析，建立具有彈性軀干的四足動(dòng)力學(xué)模型。結(jié)合軀干形態(tài)變化特征進(jìn)一步對(duì)多彈性軀干關(guān)節(jié)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到一種具有單個(gè)彈性軀干關(guān)節(jié)的平面四足模型。該模型能夠有效地模擬軀干的蜷曲與伸展，避免其它結(jié)構(gòu)造成的研究過(guò)程復(fù)雜化，為進(jìn)行軀干關(guān)節(jié)作用機(jī)理的分析奠定了基礎(chǔ)。
　　 為獲得具彈性軀干關(guān)節(jié)系統(tǒng)的周期運(yùn)動(dòng)，本文分析了該系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的對(duì)稱(chēng)特征，

4、提出了對(duì)稱(chēng)運(yùn)動(dòng)步態(tài)。根據(jù)四足哺乳動(dòng)物運(yùn)動(dòng)中軀干的形態(tài)變化及其驅(qū)動(dòng)肌肉的肌電信號(hào)特征，提出了基于鎖死與解鎖的軀干關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制策略。利用這一策略，可以得到一種新穎的準(zhǔn)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式。該準(zhǔn)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)能夠遵守系統(tǒng)能量守恒準(zhǔn)則，有利于進(jìn)行軀干關(guān)節(jié)基本性能的分析。
　　 相對(duì)于傳統(tǒng)模型，簡(jiǎn)化后的具彈性軀干關(guān)節(jié)模型仍然具有較多的結(jié)構(gòu)及狀態(tài)參數(shù)，難以進(jìn)行人工設(shè)定。為獲得系統(tǒng)的準(zhǔn)被動(dòng)步態(tài)，本文以龐加萊映射為基礎(chǔ)，建立腿部觸地角與對(duì)稱(chēng)指標(biāo)之間的映射關(guān)系

5、，并利用數(shù)值迭代進(jìn)行觸地角搜索。通過(guò)映射值域分析，進(jìn)一步提出腿部觸地角的自動(dòng)搜索策略，極大地提高了求解的效率。
　　 為獲得更接近真實(shí)動(dòng)物的軀干關(guān)節(jié)極限角特征，本文對(duì)軀干剛度特性進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行變換，得到能夠直觀反映腿部運(yùn)動(dòng)對(duì)軀干變化影響的動(dòng)力學(xué)方程。利用這一方程，并結(jié)合四足哺乳動(dòng)物的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，提出了軀干關(guān)節(jié)剛度設(shè)定的基本策略。
　　 最后，基于建立的模型及其對(duì)應(yīng)步態(tài)，本文對(duì)腿部支撐相的持續(xù)時(shí)間及其最大