類豹型四足機器人高速運動及其控制方法研究.pdf

1、國內(nèi)圖書分類號：TP242.3學校代碼：10213國際圖書分類號：621密級：公開工學博士學位論文工學博士學位論文類豹型四足機器人高速運動及其控制方法研究博士研究生：王鑫導師：孫立寧教授副導師：李滿天副教授申請學位：工學博士學科：機械電子工程所在單位：機電工程學院答辯日期：2013年12月授予學位單位：哈爾濱工業(yè)大學摘要摘要四足機器人由于其靈活穩(wěn)定、非連續(xù)支撐的運動特點，使得其能夠勝任諸多傳統(tǒng)輪式機器人無法完成的工作，具有對未知非結(jié)構(gòu)環(huán)

2、境的適應能力和卓越的靈活運動特性。一直以來，四足機器人的研究都成為仿生機器人研究的一大熱點。然而隨著仿生研究的深入以及對機器人運動性能要求的提高，四足機器人的研究逐漸分化為以載重適應性和高速靈活性為追求目標的兩大研究方向。而由于機器人的高速奔跑帶來的足地作用力大且接觸時間短、模型高度非線性且切換頻率高等問題，使得對于四足機器人的高速靈活運動控制提出了更高的要求與挑戰(zhàn)。在該方向的研究勢必將對仿生分析、機器人動力學等諸多方面的研究起到推動作

3、用，并且由于其靈活快速的運動，在軍事、工業(yè)、生活等方面的應用也將具有廣闊的前景。本文以獵豹為研究對象，通過生理學、形態(tài)學分析與總結(jié)，在機器人研究中融入了大量的仿生元素，采用拮抗式驅(qū)動的多關(guān)節(jié)腿部模型，建立了具有骨骼肌肉結(jié)構(gòu)的類豹型四足機器人系統(tǒng)。本文從兩個層面上對類豹型四足機器人的高速奔跑與運動控制進行研究：采用簡化的被動腿部模型，研究分析了利用髖關(guān)節(jié)力矩與著地角度的調(diào)整進行機器人運動速度控制與姿態(tài)調(diào)整；利用融入肌肉特性的多關(guān)節(jié)腿部模型

4、，研究了基于肌肉神經(jīng)刺激與柔性關(guān)節(jié)驅(qū)動的多關(guān)節(jié)腿部協(xié)調(diào)控制方法。通過對機體運動和腿部運動兩個層面研究結(jié)果的綜合，構(gòu)建了具有仿生結(jié)構(gòu)的類豹型四足機器人高速奔跑控制方法，并進行了仿真分析與實驗測試，驗證了該控制方法的有效性和機器人系統(tǒng)設(shè)計的可行性。本文通過對生物奔跑運動特點的分析總結(jié)，建立了能夠表征其運動特點的具有被動環(huán)節(jié)的原理性研究模型。采用龐加萊映射與牛頓拉夫遜法，進行了模型的穩(wěn)定不動點分析，根據(jù)能量與運動速度的變化關(guān)系，建立了基于能量