跳跃机器人轨迹规划及控制仿真研究

摘要

跳跃机器人具有运动灵活度高,环境适应力强等优点,可广泛应用于考古探测、星际探索、军事侦察、地质勘探、森林防护、抢险救灾以及反恐救援等地势复杂的情况。近三十年来,对跳跃机器人的研究大都集中于腿型跳跃机器人。这种跳跃机器人仿生度高,运动灵活性好,但是由于其高度非线性和强耦合特性,增加了运动分析和控制的难度。
　　 本文将跳跃机器人抽象成一个平面冗余机器人,分阶段分析了跳跃机器人运动学和动力学特性。通过引入虚拟被动关节,建立了跳跃机器人浮动基模型,利用拉格朗日方法推导了跳跃运动统一的动力学方程,从约束变换角度区分运动的不同阶段,并给出了离地的判断条件。
　　 根据跳跃机器人起跳阶段和落地阶段任务空间的要求,利用可变五次多项式分别规划了跳跃机器人起跳阶段和落地阶段任务空间轨迹。利用梯度投影法求解起跳阶段关节空间轨迹,并从速度可操作性和动能最优方面对关节空间轨迹进行优化。
　　 在分析腾空相跳跃机器人的欠驱动特性基础上,推导了跳跃机器人等效全驱动模型。并利用梯度投影法求解主动关节轨迹。针对求解过程易出现动力学奇异这一问题做出了探讨。
　　 综合运用MATLAB/Simulink和MATLAB/SimMechanics仿真平台,建立了跳跃机器人控制器模型和机构模型,对跳跃机器人进行了关节空间轨迹跟踪控制仿真分析。
　　 利用跳跃机器人浮动基模型,建立了跳跃机器人状态空间模型。采用设计趋近律的方法在任务空间上设计滑模控制器,直接对任务空间轨迹进行控制。在MATLAB/Simulink和MATLAB/SimMechanics仿真环境下对控制系统进行仿真,检验了控制算法的有效性。
　　 本论文的研究工作,对腿式跳跃机器人的建模、轨迹规划和控制具有一定的参考价值。