腿式跳躍機器人運動規(guī)劃與穩(wěn)定性恢復(fù)研究.pdf

1、腿式跳躍機器人具有很強的移動性、靈活性和地形適應(yīng)性,是移動機器人研究領(lǐng)域中的一個前沿應(yīng)用課題,在家庭服務(wù)、醫(yī)療娛樂、星際探測、軍事偵察、反恐救災(zāi)等領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用前景。
　　 腿式跳躍機器人是一個非線性、多變量、強耦合和變結(jié)構(gòu)的復(fù)雜動力學(xué)系統(tǒng),其驅(qū)動性能約束下的逾障規(guī)劃和動態(tài)平衡問題的研究具有很大的挑戰(zhàn)性。本文以不帶彈性元件、完全電機驅(qū)動的多關(guān)節(jié)腿式跳躍機器人為研究對象,從提高機器人運動能力的角度,結(jié)合驅(qū)動約束條件,對腿式

2、跳躍機器人的動力學(xué)建模、運動規(guī)劃與優(yōu)化、穩(wěn)定性恢復(fù)控制等關(guān)鍵問題進行了研究,并通過仿真實驗和機器人實體試驗進行了驗證。論文的主要工作如下:
　　 (1)腿式機器人跳躍運動的特征量提取
　　 基于生物的跳躍形態(tài)和人體跳躍運動捕捉試驗,從生物力學(xué)、仿生學(xué)和機器人學(xué)的角度分析了影響跳躍運動的主要因素,采用起跳姿態(tài)、廣義負(fù)載和上肢運動三個特征量刻畫機器人的跳躍運動性能。
　　 (2)腿式跳躍機器人的動力學(xué)建模
　　

3、 跳躍運動的騰空相參考基座是浮動基,具有動量矩守恒的非完整約束；站立相的參考基座是固定基,具有完整約束。針對變約束特性,采用Lagrange浮動基方法,推導(dǎo)了跳躍機器人的變約束動力學(xué)模型。
　　 (3)腿式機器人的跳躍逾障運動規(guī)劃
　　 為提高機器人的地形適應(yīng)能力,給出了基于模型綜合與解耦策略的腿式機器人跳躍逾障運動規(guī)劃方法。該方法先將腿式機器人的上身等效為一個具有慣量特性的剛體,根據(jù)跳躍姿態(tài)和障礙物,運用內(nèi)在動力學(xué),

4、規(guī)劃運動綜合模型的跳躍逾障運動；接著基于等效剛體的COM可操作度,運用開環(huán)可操作度優(yōu)化方法進行冗余度分解,規(guī)劃冗余關(guān)節(jié)的運動。
　　 (4)腿式機器人跳躍運動的特征量優(yōu)化
　　 視腿式跳躍機器人為持有末端載荷的冗余機械臂,從力與運動傳遞性能的角度,結(jié)合起跳動力學(xué)約束條件,給出了跳躍運動的特征量優(yōu)化方法。該方法運用慣性匹配方向可操作度優(yōu)化了跳躍運動的三個特征量,通過特征量的優(yōu)化提高了跳躍性能。慣性匹配方向可操作度作為一種動

5、力學(xué)評價指標(biāo),度量了機器人在跳躍任務(wù)下的跳躍高度。
　　 (5)腿式跳躍機器人的穩(wěn)定性恢復(fù)控制
　　 基于驅(qū)動性能約束,給出了落地沖擊力作用下的穩(wěn)定性恢復(fù)控制方法。該方法運用ZMP可操作橢圓規(guī)劃了跳躍步態(tài),當(dāng)機器人有足夠的驅(qū)動能力進行自運動姿態(tài)調(diào)整時,采用ZMP平面映射法進行穩(wěn)定性恢復(fù)；當(dāng)機器人的驅(qū)動能力不足時,通過步態(tài)調(diào)整使機器人重獲穩(wěn)定。
　　 (6)人體運動捕捉與機器人跳躍運動試驗
　　 為了驗證本

6、文所給出方法的有效性,分別構(gòu)建了人體運動捕捉和機器人跳躍運動的試驗平臺。利用三維圖像檢測系統(tǒng),通過人體跳躍運動的捕捉,分析了影響跳躍性能的主要特征因素；研制了兩類跳躍機器人試驗樣機,分別驗證了跳躍運動特征量優(yōu)化方法的有效性,以及落地沖擊下穩(wěn)定性恢復(fù)控制策略的實用性。
　　 本文有關(guān)跳躍機器人的動力學(xué)建模、運動規(guī)劃、運動優(yōu)化以及地面沖擊力作用下的穩(wěn)定性恢復(fù)控制方法,有助于提高機器人的靈活性和運動能力,拓展機器人的應(yīng)用領(lǐng)域,在理論和