单腿跳跃机器人关节空间的轨迹规划及跳跃特性研究

摘要

有跳跃功能的腿式机器人能够极大限度地适应自然条件下复杂的非结构环境，在低重力的太空探索中优势更加明显。因此很有必要对腿型跳跃机器人进行研究。本文以带脚掌的单腿跳跃机器人为研究对象，建立了运动学和动力学模型，分析了跳跃过程中的约束，研究了跳跃全过程中关节空间的轨迹规划问题，分析了跳跃特性，并进行了实验研究。
　　在对袋鼠和人的腿部生理结构分析的基础上，分析了影响生物跳跃运动性能的主要因素及机构运动模型，研究了跳跃机理。确定了腿型跳跃机器人设计准则，完成了腿型跳跃机器人实物样机的结构设计。
　　针对具有脚掌的腿型跳跃机器人，分析了跳跃全过程的运动动作，包括站立相、欠驱动相、腾空相、落地相。在跳跃机器人的机构分析模型上，建立了全局坐标系、局部坐标系和广义坐标，确定了结构参数，利用D-H方法建立了机器人的运动学方程；运用拉格朗日方法建立了腿型机器人跳跃全过程的动力学方程。
　　针对存在脚掌欠驱动的跳跃机器人，提出了基于能耗最小原则的关节空间的轨迹规划方法。在对跳跃全过程约束全面分析的基础上，确定了优化的设计变量、目标函数、优化算法和优化步骤。代入实际模型参数，用MATLAB仿真了关节空间轨迹，且得到了运动学、动力学特性曲线。
　　针对跳跃机器人独有的跳跃特性，分别从跳跃稳定性、动力学、灵巧度方面进行了分析。分析了地面反力、ZMP(zeromoment point)以及绕质心角动量；研究了脚掌转动对跳跃性能的影响、欠驱动关节的动力学耦合特性；给出了常用灵巧度指标以及基于质心运动方向的可操作度。
　　用MATLAB进行了机器人的系统仿真，设计出了具体的控制器，最后进行了跳跃实验。实验结果分析表明：实现了跳跃指标，说明了基于能耗最小原则的轨迹规划方法对带脚掌的腿型跳跃机器人的适用性和正确性。
　　本文研究的成果对带脚掌的腿型跳跃机器人关节空间的轨迹规划研究具有一定的借鉴作用。

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第1章 绪论

1.1 课题的背景及研究意义

1.2腿型跳跃机器人研究现状

1.3 腿型跳跃机器人研究存在的问题

1.4 本课题主要研究内容

第2章 机器人机构模型分析及结构设计

2.1 引言

2.2 跳跃生物的腿部生理结构

2.3影响生物跳跃运动性能的主要因素

2.4跳跃机构模型及机理分析

2.5 机器人结构设计

2.6 本章小结

第3章 腿型跳跃机器人运动学与动力学分析

3.1 引言

3.2 腿型跳跃机器人全过程运动分析

3.3 腿型跳跃机器人运动学分析

3.4腿型跳跃机器人动力学分析

3.5 本章小结

第4章 基于能耗最小准则的关节空间的轨迹规划

4.1 引言

4.2 跳跃全周期过程中的约束

4.3 未知参数求解

4.4 轨迹规划

4.5 数值仿真

4.6 本章小结

第5章 跳跃特性研究

5.1 引言

5.2 稳定性分析

5.3 动力学特性

5.4 灵巧度分析

5.5 本章小结

第6章 控制系统设计与样机实验研究

6.1 引言

6.2 机器人系统仿真

6.3 控制系统设计

6.4 腿型跳跃机器人样机实验

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢