類豹型四足機(jī)器人高速運(yùn)動(dòng)及其控制方法研究.pdf

1、國內(nèi)圖書分類號(hào)：TP242.3學(xué)校代碼：10213國際圖書分類號(hào)：621密級(jí)：公開工學(xué)博士學(xué)位論文工學(xué)博士學(xué)位論文類豹型四足機(jī)器人高速運(yùn)動(dòng)及其控制方法研究博士研究生：王鑫導(dǎo)師：孫立寧教授副導(dǎo)師：李滿天副教授申請(qǐng)學(xué)位：工學(xué)博士學(xué)科：機(jī)械電子工程所在單位：機(jī)電工程學(xué)院答辯日期：2013年12月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)摘要摘要四足機(jī)器人由于其靈活穩(wěn)定、非連續(xù)支撐的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，使得其能夠勝任諸多傳統(tǒng)輪式機(jī)器人無法完成的工作，具有對(duì)未知非結(jié)構(gòu)環(huán)

2、境的適應(yīng)能力和卓越的靈活運(yùn)動(dòng)特性。一直以來，四足機(jī)器人的研究都成為仿生機(jī)器人研究的一大熱點(diǎn)。然而隨著仿生研究的深入以及對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能要求的提高，四足機(jī)器人的研究逐漸分化為以載重適應(yīng)性和高速靈活性為追求目標(biāo)的兩大研究方向。而由于機(jī)器人的高速奔跑帶來的足地作用力大且接觸時(shí)間短、模型高度非線性且切換頻率高等問題，使得對(duì)于四足機(jī)器人的高速靈活運(yùn)動(dòng)控制提出了更高的要求與挑戰(zhàn)。在該方向的研究勢(shì)必將對(duì)仿生分析、機(jī)器人動(dòng)力學(xué)等諸多方面的研究起到推動(dòng)作

3、用，并且由于其靈活快速的運(yùn)動(dòng)，在軍事、工業(yè)、生活等方面的應(yīng)用也將具有廣闊的前景。本文以獵豹為研究對(duì)象，通過生理學(xué)、形態(tài)學(xué)分析與總結(jié)，在機(jī)器人研究中融入了大量的仿生元素，采用拮抗式驅(qū)動(dòng)的多關(guān)節(jié)腿部模型，建立了具有骨骼肌肉結(jié)構(gòu)的類豹型四足機(jī)器人系統(tǒng)。本文從兩個(gè)層面上對(duì)類豹型四足機(jī)器人的高速奔跑與運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行研究：采用簡(jiǎn)化的被動(dòng)腿部模型，研究分析了利用髖關(guān)節(jié)力矩與著地角度的調(diào)整進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度控制與姿態(tài)調(diào)整；利用融入肌肉特性的多關(guān)節(jié)腿部模型

4、，研究了基于肌肉神經(jīng)刺激與柔性關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的多關(guān)節(jié)腿部協(xié)調(diào)控制方法。通過對(duì)機(jī)體運(yùn)動(dòng)和腿部運(yùn)動(dòng)兩個(gè)層面研究結(jié)果的綜合，構(gòu)建了具有仿生結(jié)構(gòu)的類豹型四足機(jī)器人高速奔跑控制方法，并進(jìn)行了仿真分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了該控制方法的有效性和機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。本文通過對(duì)生物奔跑運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的分析總結(jié)，建立了能夠表征其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的具有被動(dòng)環(huán)節(jié)的原理性研究模型。采用龐加萊映射與牛頓拉夫遜法，進(jìn)行了模型的穩(wěn)定不動(dòng)點(diǎn)分析，根據(jù)能量與運(yùn)動(dòng)速度的變化關(guān)系，建立了基于能量