考虑尾巴的仿袋鼠跳跃机器人姿态稳定性研究

摘要

随着仿生机器人向适应非结构化、未知环境和灵活、可靠地完成各种复杂工作任务要求的方向发展，解决其运动稳定性问题已成为仿生机器人研究的关键问题和前沿性课题。因此，基于袋鼠的跳跃运动特征，本文建立了仿袋鼠跳跃机器人的多体机构模型和动力学模型，对其进行了跳跃姿态运动稳定性及相关动力学的仿真分析研究。 首先，本文在分析国内外机器人运动稳定性文献资料的基础上，综述了从单腿到多腿的机器人稳定性的研究现状，指出了适合研究仿生机器人运动稳定性的理论及其分析方法。在对袋鼠跳跃运动研究的基础上，提出了考虑尾巴的仿袋鼠跳跃机器人的弹簧单腿模型，采用Lagrange方法，建立了相应机器人的动力学方程，导出了各个关节的驱动力矩表达式。并采用Matlab7.1对机器人进行了动力学仿真计算分析，给出了相应机构有尾与无尾时袋鼠机器人的运动及动力学特性变化规律。分析结果表明：尾巴对机器人姿态有着显著的影响，即能使机器人跳的更高更远，且能够缓解落地瞬间的冲击。 其次，根据袋鼠跳跃运动的特点，建立了仿袋鼠机器人考虑尾巴的五刚体单腿机构模型。采用D'Alembert原理，建立了相应的动力学模型，分析获得了机器人着地与腾空阶段的系统稳定运动的条件；并采用动量矩定理，对此机构模型建立了尾巴的摆动方程，利用Matlalb7．1进行了仿真计算分析，得出了尾巴摆动的速度变化规律；在对模型进一步简化的基础上，以跳跃机构模型的ZMP点落在脚部支撑域内使其得以稳定运动为目标，研究了髋关节与踝关节的运动轨迹规划方法，并进行了相应的计算仿真分析，验证该方法的有效性。 最后，应用ADAMS软件，对此五刚体机构模型的着地阶段进行了仿真分析，获得了各关节的驱动力矩与能耗的变化规律，与基于Matlab7.1所分析的结果一致，从而验证了该机器人动力学建型与分析方法的正确性和有效性。 本论文的研究工作为后续对仿袋鼠跳跃机器人的设计及对其进行运动稳定性的控制提供了理论基础。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1机器人姿态稳定性的研究意义

1.2机器人姿态稳定性的研究现状

1.2.1国外机器人姿态稳定性研究现状

1.2.2国内机器人稳定性研究现状

1.2.3目前课题研究的状况

1.3本论文的研究意义

1.4本论文的主要研究内容

第二章仿生机器人运动稳定性理论及运动规划方法

2.1基本概念

2.1.1姿态与步态的定义

2.1.2姿态协调关系

2.1.3仿袋鼠跳跃机器人的姿态域

2.1.4姿态稳定性

2.1.5步态稳定性

2.2稳定判别方法

2.2.1静态稳定判别方法

2.2.2动态稳定判别方法

2.3仿生机器人运动规划方法概述

2.3.1基于动物(包括人)运动数据的方法

2.3.2基于稳定判据的方法

2.3.3基于能量优化的方法

2.3.4基于人工神经网络的方法

2.3.5利用数学分析来获得行走步态

2.4仿袋鼠跳跃机器人的ZMP点

2.4.1 ZMP的两种表述

2.4.2零力矩点(ZMP)的计算

2.4.3算例

2.5跳跃机器人的控制算法

2.5.1姿态控制算法

2.5.2运动控制算法

2.5.3步态规划算法

2.6本章小结

第三章考虑尾巴的仿袋鼠跳跃机器人运动特性研究

3.1模型的提出与建立

3.2运动学建模

3.3动力学建模

3.3.1系统的动能

3.3.2系统的势能

3.3.3系统的动力学方程

3.3.4环境动力学方程

3.4腾空阶段的系统动力学方程

3.5实例分析及结果讨论

3.6本章小结

第四章仿袋鼠跳跃机器人的姿态稳定性研究

4.1模型的提出与建立

4.1.1仿袋鼠跳跃机器人五刚体机构模型

4.1.2仿袋鼠机器人的稳定运动条件

4.2仿袋鼠跳跃机器人尾巴姿态方程

4.2.1腾空阶段跳跃机器人尾巴摆动方程

4.2.2着地阶段跳跃机器人尾巴摆动方程

4.2.3腾空阶段跳跃机器人各关节力矩分析

4.2.4算例分析

4.3弹跳过程的运动规划

4.3.1踝关节的轨迹规划

4.3.2髋关节的轨迹规划

4.3.3由髋关节位置决定的ZMP点

4.4本章小结

第五章带尾巴的仿袋鼠跳跃机器人动力学仿真研究

5.1引言

5.2 ADAMS软件介绍

5.2.1 ADAMS建模基础

5.2.2 ADAMS动力学方程

5.2.3 ADAMS动力学方程求解

5.2.4计算分析过程综述

5.3仿袋鼠机器人ADAMS动力学仿真

5.3.1 ADAMS建模及仿真步骤

5.3.2仿袋鼠机器人ADAMS动力学仿真

5.4本章小结

第六章结论与展望

6.1结论

6.2研究展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文和参加科研情况

致谢