含有半圆形柔性腿的四足机器人跳跃步态研究

摘要

含有半圆形柔性腿的机器人结合了足式和轮式的优点，控制简单，环境适应能力强，半圆形柔性腿使得机器人具有好的动力学特性，鲁棒性强，这些优点使得该种类型的机器人受到越来越多研究者的青睐。针对这种半圆形柔性腿机器人的研究，国内外学者主要从静态控制和动态控制开展工作，静态控制的研究工作比较成熟，在进行运动的动态控制，如奔跑、跳跃等运动，存在的主要问题是机器人的能量利用效率比较低，并且当机器人高速运动时稳定性会变差，因此提高机器人的能量利用效率和高速稳定性是很有必要的，研究表明被动行走是改善能量利用效率的有效方法，并且被动行走具有一定的抗干扰能力，因此本文以半圆形柔性腿机器人为研究对象，分析其被动跳跃运动的动态特性，在进行机器人的跳跃运动主动控制时，使其尽可能运动在被动步态附近，旨在提高机器人的能量利用效率和高速稳定性。
　　首先，基于卡式定理获得等效弹簧刚度，建立半圆形柔性腿动力学模型，接着介绍了四足机器人的跳跃步态，并分析了一个完整跳跃步态中四个运动相以及切换条件，然后应用半圆形柔性腿模型建立四足机器人平面模型，运用拉格朗日方程推导平面模型在被动跳跃步态各运动相的运动方程以及各运动相的转变条件。
　　其次，定义了半圆形柔性腿模型和平面模型在被动跳跃运动时的庞加莱映射和不动点，应用牛顿迭代法获得跳跃步态下的稳定不动点。基于稳定不动点分析了半圆形柔性腿模型高度映射关系，给出模型的不动点分布以及不动点的速度、高度变化规律。针对平面模型，分析了不同能量水平下的不动点分布以及模型跳跃运动时的动态特性，研究了转动惯量、相对躯干半身长和相对弹簧刚度等结构参数对系统性能的影响规律，利用matlab进行数值仿真，证明在合理的初始条件配置下机器人可以实现稳定的被动跳跃运动并具有一定的抗干扰能力。
　　最后，根据所获得的能量映射规律，建立基于能量水平的控制策略，将实际机器人的运动控制在被动跳跃步态的稳定不动点附近，提高能量利用效率。建立半圆形柔性腿模型的等效SLIP模型和扭簧模型，搭建虚拟仿真平台，通过matlab和adams软件进行联合仿真，验证控制方法的合理性。在含有半圆形柔性腿的四足机器人实验平台上实现起步运动和基本跳跃运动的控制，进一步验证了将机器人控制在稳定不动点附近可以提高能量利用效率。

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第1章 绪论

1.1课题来源及背景

1.2国内外研究现状

1.3课题主要研究内容

第2章 含有半圆形柔性腿的四足机器人模型建立

2.1引言

2.2 半圆形柔性腿动力学模型的建立

2.3四足机器人被动跳跃运动平面模型建立

2.4模型量纲分析

2.5本章小结

第3章 基于半圆形柔性腿模型的四足机器人被动跳跃步态研究

3.1引言

3.2庞加莱映射及不动点

3.3半圆形柔性单腿的被动跳跃运动

3.4含有半圆形柔性腿的四足机器人被动跳跃运动

3.5四足机器人被动跳跃步态数值仿真实验

3.6小结

第4章 机器人跳跃运动控制策略及实验研究

4.1引言

4.2基于能量水平的运动控制策略

4.3虚拟样机仿真实验

4.4样机实验

4.5本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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