一种带有可变刚度柔性踝关节的双足步行机器人研究

摘要

在双足步行机器人研究领域，研究者一般会参考人类进行设计，因为目前还没有一款机器人的综合性能能够超越人类。人类下肢具有足够的柔性，不但可以让人实现流畅、省力的双足步行，而且可以保护下肢的关节。人类下肢灵活、节能、吸收冲击的特点对于双足机器人来说，具有十分重要的借鉴意义。
　　目前国内外对于柔性关节的研究已经具有一定成果，柔性关节的结构形式十分多样，但是现有的柔性关节设计大多不能很好地应用在双足机器人系统中。为了研究柔性关节对双足机器人步行运动的影响，本文设计了一种新型的可调刚度柔性关节，并研制了包含髋关节、膝关节、踝关节的双足欠驱动机器人样机，将柔性关节应用在了踝关节上。还设计了欠驱动机器人的周期步行控制器，确保机器人实现稳定的步行运动。最后通过仿真和实验验证了控制策略的正确性，证实了柔性关节对机器人步行运动的积极影响。
　　首先，根据人类下肢的关节数和自由度数确定了机器人的自由度分布；分析主动机器人、被动机器人的优缺点确定了驱动方案；设计了6自由度双足步行机器人的整体机械结构；利用杠杆原理设计了可变刚度柔性关节的机械结构，对可变刚度柔性关节的电机扭矩进行了实验测定。
　　其次，通过分析机器人的足部结构，忽略了足尖擦地的问题，将机器人整体结构简化为“五杆四驱动”点足模型；运用基于能量的拉格朗日原理，在状态空间中建立了单腿支撑动力学模型；基于有接触力项的拉格朗日方程和虚功原理，在状态空间中建立了机器人双腿支撑动力学模型。
　　第三，基于计算力矩法以及虚拟约束原理，将机器人的时变参数转化为时不变参数，用于参考轨迹的追踪；基于反馈线性化方法分离出机器人的关节力矩项，设计了机器人的反馈控制器；利用贝塞尔多项式规划了欠驱动机器人的时不变步态；选择了极限环作为机器人的稳定性验证方法，对机器人的周期步行稳定性进行了分析。
　　最后，建立了双足机器人步行实验平台，研制了带有柔性踝关节的双足机器人行走样机，通过在ADAMS中进行可变刚度踝关节的仿真，分析了可变刚度关节对机器人步行运动的影响；完成了两种步行实验，一种是棋盘式路面连续步行实验，验证了控制参数对机器人步行运动稳定性的影响；一种是单步实验，研究了机器人可调刚度踝关节对步行运动的影响。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 课题来源

1.2 课题研究背景与意义

1.3 带有柔性关节的双足机器人国内外研究现状

1.4 带有柔性关节的双足机器人控制策略国内外研究现状

1.5 本课题的研究目标和研究内容

第2章 带有柔性关节的双足步行机器人结构设计

2.1 引言

2.2 双足步行机器人整体结构设计

2.3 可变刚度关节设计

2.4 本章小结

第3章 带有柔性关节的双足机器人运动学动力学分析

3.1 引言

3.2 运动学分析

3.3 动力学分析

3.4 本章小结

第4章 带有柔性关节的双足步行机器人控制策略研究

4.1 引言

4.2 周期行走控制器设计

4.3 周期行走步态设计

4.4 本章小结

第5章 带有柔性关节的双足机器人仿真及实验研究

5.1 引言

5.2 机器人步行仿真

5.3 机器人步行实验

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

声明

致谢