LCS四足机器人动力学建模及运动控制

摘要

四足动物运动能力强，运动形式多样，能适应多种地形，因此成为仿生机器人研究的热点对象。本文主要研究四足机器人足端轨迹优化、运动学和动力学分析、步态规划和数值仿真等内容。　　1）基于实验室前期设计的LCS（Linkage Cable Spring）腿部结构，采用足端位置解耦和关节数据拟合的方法，实现了机体正逆运动学求解。在猎豹机器人三段式足端轨迹设计的基础上，设计了二阶连续可导的五次贝塞尔曲线作为足端轨迹，利用Matlab和Isight以足端轨迹加速度变化率最小为目标，以首尾端点处已知位置与速度为约束，得到优化的足端轨迹曲线。与其他类型的足端轨迹曲线进行对比分析，验证了所设计足端轨迹曲线的有效性。　　2）以直角坐标系和驱动关节角为基础，建立了基于伪惯量矩阵和转移矩阵的拉格朗日动力学方程，用Matlab-SimMechanics验证了推导运算过程的正确性。简要介绍并分析了稳定裕度指标和多边形稳定方法，叙述并拓展了现有对角步态的双足稳定数值计算方法，同时延伸了足式机器人双足支撑稳定的计算思路和提高机体稳定性的方法。　　3）提出了LCS-I四足机器人三足步态(Walk)和对角步态(Trot)的平面全向直线和原地转向运动规划方法。基于离散指数趋近律和控制输入抗饱和的滑模结构，实现了 LCS-I 四足机器人腿部关节角的离散和连续数值跟踪。采用饱和输入的名义模型滑模结构实现关节力矩输入下的关节角动力学跟踪。　　4）搭建了Matlab-SimMechanics和Matlab-Adams双仿真平台，分别用于模型数值计算和运动仿真模拟验证。利用LCS-I四足机器人的Matlab-Adams运动模拟平台，验证了实现三足支撑运动稳定的静态调整方法正确性和对角支撑运动的轨迹规划方法的合理性。

目录

1绪论

1.1论文研究背景与意义

1.2国内外四足机器人研究现状

1.2.1结构设计研究现状

1.2.2控制方法研究现状

1.2.3研究现状总结

1.3.1主要研究内容

1.3.2本文章节安排

2 LCS-Ⅰ四足机器人运动学建模

2.1引言

2.2.1四足机器人三维模型

2.2.2机体坐标系及广义坐标

2.2.3足端可达空间区域分析

2.3机体结构正逆运动学分析

2.3.1足端位置与关节角数值关系的求解

2.3.2数据拟合与位置解耦求解精度对比分析

2.4足端轨迹建模与分析

2.4.1贝塞尔曲线的性质

2.4.2支撑相的足端轨迹

2.4.3摆动相的足端轨迹

2.4.4足端轨迹分析讨论

2.5本章小结

3 LCS-Ⅰ四足机器人动力学建模

3.1引言

3.2.1单腿动力学模型

3.2.2整机动力学模型

3.3足端接触力计算

3.3.1基于冲击函数模型的接触力计算

3.3.2基于力优化的接触力计算

3.4机体稳定性

3.4.1稳定参考点

3.4.2支撑稳定性

3.4.3基于螺旋运动的双足支撑稳定性

3.5本章小结

4 LCS-Ⅰ四足机器人步态规划及控制

4.1引言

4.2四足机器人步态

4.2.1步态分析条件

4.2.2三足支撑步态分析

4.2.3双足支撑步态分析

4.3基于运动学的关节角跟踪

4.3.1基于足端离散位置

4.3.2基于足端连续运动

4.4基于动力学的关节角跟踪

4.5本章小结

5 LCS-Ⅰ四足机器人运动控制仿真分析

5.1引言

5.2.1 Matlab-Adams仿真环境

5.2.2 Matlab-SimMechanics仿真环境

5.3.1运动学角度跟踪验证

5.3.2动力学角度跟踪验证

5.4.1仿真准备

5.4.2三足支撑运动

5.4.3对角支撑运动

5.5总结

6总结与展望

6.1全文工作总结

6.2未来工作展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C. 学位论文数据集

致谢