具彈性軀干仿生四足機器人準(zhǔn)被動動力學(xué)研究.pdf

1、四足機器人由于其穩(wěn)定性較好，可以實現(xiàn)高速動態(tài)步態(tài)，一直是機器人領(lǐng)域的研究熱點。自上世紀(jì)60年代以來，四足機器人的研究正逐漸向高性能、高速、重載方向發(fā)展。為了使四足機器人具有高速運動能力，一些學(xué)者嘗試以獵豹為參照進行仿生設(shè)計。在高速運動時，獵豹會利用其彈性軀干的蜷曲與伸展來提高疾馳速度。由于腿部與軀干直接相連，這一蜷曲與伸展會對整體性能產(chǎn)生影響。因此，有必要研究軀干彎曲運動的作用，這是在進行四足機器人設(shè)計時有效利用軀干關(guān)節(jié)作用的基礎(chǔ)。目前

2、的四足機器人大多為剛性的軀干，而一些對具軀干關(guān)節(jié)的四足機器人研究則將重點集中于運動的主動控制，對軀干關(guān)節(jié)運動基本性能進行研究較少。
　　 本文以具有柔性軀干的四足哺乳動物為參照，針對理論模型的缺失建立了具有彈性軀干關(guān)節(jié)的四足模型;提出了可用于軀干關(guān)節(jié)基本性能分析的準(zhǔn)被動步態(tài);推導(dǎo)了初始狀態(tài)搜索算法以高效地獲得模型的運動步態(tài);根據(jù)運動仿生模擬的需求對軀干的剛度特性進行了分析;研究了具彈性軀干關(guān)節(jié)系統(tǒng)的運動特性。
　　 合理

3、的動力學(xué)模型是對軀干關(guān)節(jié)運動性能進行理論分析的基礎(chǔ)。以獵豹為參照，對其軀干骨骼結(jié)構(gòu)以及連接方式進行分析，建立具有彈性軀干的四足動力學(xué)模型。結(jié)合軀干形態(tài)變化特征進一步對多彈性軀干關(guān)節(jié)模型進行簡化，得到一種具有單個彈性軀干關(guān)節(jié)的平面四足模型。該模型能夠有效地模擬軀干的蜷曲與伸展，避免其它結(jié)構(gòu)造成的研究過程復(fù)雜化，為進行軀干關(guān)節(jié)作用機理的分析奠定了基礎(chǔ)。
　　 為獲得具彈性軀干關(guān)節(jié)系統(tǒng)的周期運動，本文分析了該系統(tǒng)動力學(xué)模型的對稱特征，

4、提出了對稱運動步態(tài)。根據(jù)四足哺乳動物運動中軀干的形態(tài)變化及其驅(qū)動肌肉的肌電信號特征，提出了基于鎖死與解鎖的軀干關(guān)節(jié)運動控制策略。利用這一策略，可以得到一種新穎的準(zhǔn)被動運動方式。該準(zhǔn)被動運動能夠遵守系統(tǒng)能量守恒準(zhǔn)則，有利于進行軀干關(guān)節(jié)基本性能的分析。
　　 相對于傳統(tǒng)模型，簡化后的具彈性軀干關(guān)節(jié)模型仍然具有較多的結(jié)構(gòu)及狀態(tài)參數(shù)，難以進行人工設(shè)定。為獲得系統(tǒng)的準(zhǔn)被動步態(tài)，本文以龐加萊映射為基礎(chǔ)，建立腿部觸地角與對稱指標(biāo)之間的映射關(guān)系

5、，并利用數(shù)值迭代進行觸地角搜索。通過映射值域分析，進一步提出腿部觸地角的自動搜索策略，極大地提高了求解的效率。
　　 為獲得更接近真實動物的軀干關(guān)節(jié)極限角特征，本文對軀干剛度特性進行分析。通過對系統(tǒng)動力學(xué)模型進行變換，得到能夠直觀反映腿部運動對軀干變化影響的動力學(xué)方程。利用這一方程，并結(jié)合四足哺乳動物的實際運動，提出了軀干關(guān)節(jié)剛度設(shè)定的基本策略。
　　 最后，基于建立的模型及其對應(yīng)步態(tài)，本文對腿部支撐相的持續(xù)時間及其最大