腿型跳躍機(jī)器人起跳階段運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、腿型跳躍機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個前沿課題,其起跳過程是一個多變量、變約束、欠驅(qū)動、非線性的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)耦合過程,這為其關(guān)節(jié)空間起跳運(yùn)動控制問題的研究帶來了很大的技術(shù)難度。本文以雙關(guān)節(jié)腿型跳躍機(jī)器人為研究對象,對其起跳階段進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析,并研究了其在起跳階段關(guān)節(jié)空間的運(yùn)動規(guī)劃問題。
  首先,在分析各種腿型跳躍生物生理結(jié)構(gòu)與運(yùn)動特征的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并制作出了一種由電機(jī)和彈簧耦合驅(qū)動的腿型跳躍機(jī)器人,并抽象建立了一種表達(dá)

2、機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)的機(jī)構(gòu)簡化模型。將腿型跳躍機(jī)器人起跳階段劃分為站立相和欠驅(qū)動相,利用坐標(biāo)系相對轉(zhuǎn)動的方向余弦矩陣并結(jié)合矩陣運(yùn)算法則,建立了機(jī)器人在起跳過程中各構(gòu)件質(zhì)心與總質(zhì)心的位置、速度和加速度模型,揭示了機(jī)器人各質(zhì)心空間運(yùn)動與結(jié)構(gòu)參數(shù)和關(guān)節(jié)空間運(yùn)動之間的耦合關(guān)系。
  其次,在腿型跳躍機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型的基礎(chǔ)上,通過質(zhì)點(diǎn)系的達(dá)朗貝爾原理,建立了腳掌處地面反力的力學(xué)模型,并分析得到了機(jī)器人進(jìn)入起跳欠驅(qū)動相的判斷條件??紤]關(guān)節(jié)彈性和腳掌

3、處地面反力的影響,分析了機(jī)器人在起跳階段中的動能、勢能和非保守廣義力,采用Lagrange方法建立了機(jī)器人在起跳站立相和欠驅(qū)動相的動力學(xué)方程,并研究了腿型跳躍機(jī)器人起跳欠驅(qū)動相時腳尖處產(chǎn)生的二階非線性運(yùn)動約束。
  再則,在機(jī)器人起跳階段運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)研究的基礎(chǔ)上,分析了機(jī)器人的起跳離地條件,得到了質(zhì)心運(yùn)動的邊界值條件,采用可變四次多項(xiàng)式插值方法首先規(guī)劃出了機(jī)器人的質(zhì)心運(yùn)動軌跡。從機(jī)器人質(zhì)心空問的速度水平上進(jìn)行了逆運(yùn)動學(xué)分析,求解

4、出了機(jī)器人起跳站立相關(guān)節(jié)空間的運(yùn)動軌跡。當(dāng)機(jī)器人處于起跳的欠驅(qū)動相時,在機(jī)器人質(zhì)心空間的加速度水平上,將欠驅(qū)動相產(chǎn)生的動力學(xué)運(yùn)動約束融入到了逆運(yùn)動學(xué)求解過程中,完成了機(jī)器人在起跳欠驅(qū)動相關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃。
  最后,依照規(guī)劃出的關(guān)節(jié)空間運(yùn)動軌跡,分別進(jìn)行了虛擬樣機(jī)和實(shí)物樣機(jī)的起跳實(shí)驗(yàn),將所得相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和處理。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和對比分析結(jié)果表明了機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性,驗(yàn)證了本文建立的相關(guān)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)理論模型的正確性,說明了從質(zhì)

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