具弹性躯干仿生四足机器人准被动动力学研究

摘要

四足机器人由于其稳定性较好，可以实现高速动态步态，一直是机器人领域的研究热点。自上世纪60年代以来，四足机器人的研究正逐渐向高性能、高速、重载方向发展。为了使四足机器人具有高速运动能力，一些学者尝试以猎豹为参照进行仿生设计。在高速运动时，猎豹会利用其弹性躯干的蜷曲与伸展来提高疾驰速度。由于腿部与躯干直接相连，这一蜷曲与伸展会对整体性能产生影响。因此，有必要研究躯干弯曲运动的作用，这是在进行四足机器人设计时有效利用躯干关节作用的基础。目前的四足机器人大多为刚性的躯干，而一些对具躯干关节的四足机器人研究则将重点集中于运动的主动控制，对躯干关节运动基本性能进行研究较少。
　　 本文以具有柔性躯干的四足哺乳动物为参照，针对理论模型的缺失建立了具有弹性躯干关节的四足模型;提出了可用于躯干关节基本性能分析的准被动步态;推导了初始状态搜索算法以高效地获得模型的运动步态;根据运动仿生模拟的需求对躯干的刚度特性进行了分析;研究了具弹性躯干关节系统的运动特性。
　　 合理的动力学模型是对躯干关节运动性能进行理论分析的基础。以猎豹为参照，对其躯干骨骼结构以及连接方式进行分析，建立具有弹性躯干的四足动力学模型。结合躯干形态变化特征进一步对多弹性躯干关节模型进行简化，得到一种具有单个弹性躯干关节的平面四足模型。该模型能够有效地模拟躯干的蜷曲与伸展，避免其它结构造成的研究过程复杂化，为进行躯干关节作用机理的分析奠定了基础。
　　 为获得具弹性躯干关节系统的周期运动，本文分析了该系统动力学模型的对称特征，提出了对称运动步态。根据四足哺乳动物运动中躯干的形态变化及其驱动肌肉的肌电信号特征，提出了基于锁死与解锁的躯干关节运动控制策略。利用这一策略，可以得到一种新颖的准被动运动方式。该准被动运动能够遵守系统能量守恒准则，有利于进行躯干关节基本性能的分析。
　　 相对于传统模型，简化后的具弹性躯干关节模型仍然具有较多的结构及状态参数，难以进行人工设定。为获得系统的准被动步态，本文以庞加莱映射为基础，建立腿部触地角与对称指标之间的映射关系，并利用数值迭代进行触地角搜索。通过映射值域分析，进一步提出腿部触地角的自动搜索策略，极大地提高了求解的效率。
　　 为获得更接近真实动物的躯干关节极限角特征，本文对躯干刚度特性进行分析。通过对系统动力学模型进行变换，得到能够直观反映腿部运动对躯干变化影响的动力学方程。利用这一方程，并结合四足哺乳动物的实际运动，提出了躯干关节刚度设定的基本策略。
　　 最后，基于建立的模型及其对应步态，本文对腿部支撑相的持续时间及其最大受力进行分析。结果表明，对于任何系统，离心力随着速度的增加而增加。这一增加的离心力降低了腿部支撑相的持续时间。腿部最大受力分析表明，具弹性躯干关节系统运动时的关节变化能够有效地降低腿部受力，应该在高速四足机器人结构中采用弹性躯干关节结构。

目录

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摘要

表格索引

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主要符号对照表

第一章 绪论

1．1 研究背景、意义以及目的

1．2 国内、外研究现状

1．2．1 四足机器人的发展

1．2．2 四足哺乳动物以及四足机器人的运动步态

1．2．3 四足晡乳动物脊柱的生理结构及其运动特性

1．2．4 具有躯干关节的四足机器人

1．3 研究主要内容及章节安排

第二章 具弹性躯干关节的仿生四足机器人动力学模型

2．1 引言

2．2 仿生对象猎豹身体结构及躯干运动特征

2．2．1 猎豹的分类

2．2．2 猎豹骨骼系统及其运动形态特征

2．3 具弹性躯干关节的仿生四足机器人动力学模型

2．3．1 具弹性躯干关节的动力学模型

2．3．2 具弹性躯干关节动力学简化模型

2．4 具弹性躯干关节系统运动学及动力学方程

2．4．1 无弹性躯干关节四足机器人动力学方程

2．4．2 具弹性躯干关节简化模型运动学及动力学方程

2．4．3 具弹性躯干关节系统的被动动力学方程

2．4．4 腿部支撑状态转换触发条件

2．5 本章小结

第三章 具弹性躯干关节系统的准被动疾驰步态

3．1 引言

3．2 具弹性躯干关节系统的对称运动

3．3 具弹性躯干关节系统的准被动疾驰运动

3．3．1 四足哺乳动物躯干形态变化与生物控制特征

3．3．2 基于弹性躯干关节锁定机制的准被动疾驰运动

3．4 具弹性躯干关节系统准被动疾驰状态解锁方法

3．4．1 疾驰步态周期分类及系统运动轨迹关键事件点的对称特征

3．4．2 准被动疾驰状态躯干关节解锁点

3．5 本章小结

第四章 具弹性躯干关节系统周期运动的庞加莱映射不动点

4．1 引言

4．2 基于对称特征的庞加莱映射不动点搜索方法

4．2．1 具弹性躯干关节系统周期运动基本映射关系

4．2．2 基于对称特征的映射函数改进

4．2．3 准被动步态周期轨迹搜索算法

4．3 单周期内系统运动轨迹

4．3．1 躯干关节初始状态

4．3．2 具独立支撑相步态周期运动轨迹

4．3．3 具混合支撑相步态周期运动轨迹

4．4 具独立支撑相步态周期轨迹搜索优化算法

4．4．1 映射函数值域特征

4．4．2 迭代初值选取策略

4．4．3 不动点及周期轨迹搜索

4．5 具混合支撑相步态周期迭代初值搜索策略

4．6 本章小结

第五章 弹性躯干关节刚度特性

5．1 引言

5．2 弹性躯干关节极限角特征

5．3 腿部弹性力与躯干关节状态

5．3．1 躯干关节受力状态方程

5．3．2 支撑相中腿部弹性力对躯干关节状态影响

5．4 弹性躯干关节刚度特性及其数值仿真

5．5 本章小结

第六章 具弹性躯干关节系统运动性能研究

6．1 引言

6．2 腿部支撑相持续时间变化机理

6．2．1 腿部支撑相持续时间与水平速度

6．2．2 极坐标下系统动力学模型

6．2．3 动力学状态项周期轨迹

6．2．4 基于弹簧质量振动动力学等效参数与状态描述

6．2．5 系统运动速度对腿部触地时间的作用机理

6．3 腿部弹性力峰值与躯干关节运动

6．3．1 腿部弹性力峰值

6．3．2 躯干关节运动对腿部受力的影响

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 本文工作及创新点

7．1．1 本文主要工作

7．1．2 本文创新点

7．2 研究展望

参考文献

致谢

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