具有柔性回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的單腿機(jī)器人跳躍運(yùn)動動態(tài)特性研究.pdf

1、仿生足式機(jī)器人以其良好的動態(tài)性能、較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，在野外復(fù)雜多變的環(huán)境中得到了越來越多的應(yīng)用，成為國內(nèi)外學(xué)者廣泛研究的熱點，一大批典型的足式機(jī)器人樣機(jī)也應(yīng)運(yùn)而生。然而，這些機(jī)器人回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)多數(shù)采用剛性驅(qū)動，較大的能耗及觸地沖擊使得機(jī)器人在中高速動步態(tài)跳躍運(yùn)動中受到了極大的限制。因此，針對單個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)引入柔性元素，研究其對機(jī)器人跳躍運(yùn)動動態(tài)特性的影響具有重要的現(xiàn)實意義。
　　本課題來源于國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）先進(jìn)制造

2、技術(shù)領(lǐng)域“高性能四足仿生機(jī)器人”主題項目(2011AA040701)。以單腿機(jī)器人作為研究對象，在髖關(guān)節(jié)引入扭簧，基于動力學(xué)方程，利用龐加萊映射及不動點分析理論，通過對柔性關(guān)節(jié)被動及主動控制的研究，揭示了柔性元素的引入對機(jī)器人跳躍運(yùn)動動態(tài)特性的影響規(guī)律。
　　首先，建立了具有柔性回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的單腿機(jī)器人簡化的動力學(xué)模型，推導(dǎo)了機(jī)器人跳躍運(yùn)動各狀態(tài)相的動力學(xué)方程，并建立龐加萊映射。針對被動狀態(tài)下的跳躍運(yùn)動進(jìn)行了不動點的搜索，獲得了準(zhǔn)周期

3、解，并進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。同時，通過與剛性回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)器人等效SLIP模型動態(tài)特性的對比，得出了柔性回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的引入對機(jī)器人被動狀態(tài)下跳躍運(yùn)動穩(wěn)定性的影響規(guī)律。
　　其次，針對引入柔性回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)后機(jī)器人穩(wěn)定性變差的問題，設(shè)計了基于騰空相逆動力學(xué)的控制方法，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了單腿機(jī)器人周期跳躍運(yùn)動穩(wěn)定不動點的搜索，獲得了其分布圖。針對一個典型的不動點進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，并建立能量消耗評價函數(shù)，對該點進(jìn)行能耗分析，并分析扭簧在能量轉(zhuǎn)化過程中起的作

4、用。同時改變扭簧剛度，繪制不動點能耗與扭簧剛度的關(guān)系圖，通過分析對比，得出扭簧剛度變化對機(jī)器人跳躍運(yùn)動動態(tài)特性的影響規(guī)律。
　　最后，在Adams環(huán)境下建立了單腿機(jī)器人的虛擬樣機(jī)，設(shè)計了機(jī)器人的起步控制策略，針對仿真模型與理論模型的差異，對柔性關(guān)節(jié)主動控制方法進(jìn)行了改進(jìn)?；贛atlab和Adams聯(lián)合仿真平臺，進(jìn)行了單腿機(jī)器人穩(wěn)定跳躍仿真實驗，指出了扭簧在機(jī)器人跳躍運(yùn)動能量轉(zhuǎn)變中的作用，驗證了主動控制方法的有效性及理論分析結(jié)果的