仿蛙機(jī)器人間歇跳躍越障規(guī)劃研究.pdf

1、腿型跳躍機(jī)器人具有很強(qiáng)的移動(dòng)性、靈活性和彈跳越障能力，適合在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境里代替人類實(shí)現(xiàn)偵察、探測(cè)、救險(xiǎn)和反恐等任務(wù)，是機(jī)器人研究領(lǐng)域的前沿課題。青蛙跳躍具有爆發(fā)性強(qiáng)、跳躍能力強(qiáng)的特點(diǎn)，本文以青蛙為仿生原型，研究了不帶彈性元件、完全電機(jī)驅(qū)動(dòng)的仿蛙機(jī)器人。因其跳躍過(guò)程是一個(gè)非線性、多變量、欠驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)強(qiáng)耦合過(guò)程，這使得其驅(qū)動(dòng)性能約束下的起跳任務(wù)規(guī)劃與控制問(wèn)題的研究具有很大的挑戰(zhàn)性?？紤]到機(jī)器人在起跳時(shí)足與地面存在著被動(dòng)約束，結(jié)合驅(qū)

2、動(dòng)約束條件，對(duì)運(yùn)動(dòng)與力的傳遞性能、起跳姿態(tài)優(yōu)化、起跳任務(wù)規(guī)劃與控制、騰空越障與姿態(tài)調(diào)整、著地沖擊與穩(wěn)定性等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究，從而從整體上提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)能力，并通過(guò)仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。論文的主要工作如下：
　　(1)仿蛙機(jī)器人建模與力傳遞性能研究
　　基于運(yùn)動(dòng)仿生原理，根據(jù)青蛙的身體結(jié)構(gòu)及其跳躍運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，簡(jiǎn)化其關(guān)節(jié)和骨骼結(jié)構(gòu)，建立了仿蛙機(jī)器人的機(jī)構(gòu)模型?？紤]到在起跳階段機(jī)器人足與地面之間的被動(dòng)約束，將其起跳動(dòng)力學(xué)分析模型視為一

3、個(gè)欠驅(qū)動(dòng)冗余機(jī)械臂系統(tǒng)，建立了從關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩到質(zhì)心加速度的映射關(guān)系，提出了改進(jìn)的動(dòng)態(tài)方向可操作度作為機(jī)器人起跳運(yùn)動(dòng)與力傳遞性能的度量指標(biāo)。
　　(2)起跳初始姿態(tài)優(yōu)化研究
　　結(jié)合驅(qū)動(dòng)約束和起跳動(dòng)力學(xué)約束條件，提出了一種改進(jìn)粒子群優(yōu)化算法，將離地時(shí)刻質(zhì)心速度和起跳過(guò)程中的能耗作為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化了起跳姿態(tài)，提高了起跳性能；規(guī)劃出了較為理想的起跳任務(wù)空間參考軌跡，并解決了因加速性能提高所導(dǎo)致的關(guān)節(jié)力矩幅值過(guò)大的問(wèn)題。
　　

4、(3)起跳任務(wù)空間規(guī)劃與控制
　　探討了給定起跳任務(wù)的仿蛙機(jī)器人的起跳運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題。根據(jù)仿蛙機(jī)器人起跳任務(wù)空間要求，利用可變五次多項(xiàng)式規(guī)劃了其任務(wù)空間軌跡；采用部分反饋線性化處理機(jī)器人主被動(dòng)關(guān)節(jié)之間的慣性耦合問(wèn)題，提出了基于部分反饋線性化的任務(wù)空間控制策略，并采用基于趨近的方法設(shè)計(jì)了滑?？刂破鞲欃|(zhì)心的期望軌跡。
　　(4)騰空運(yùn)動(dòng)的足尖越障和姿態(tài)調(diào)整規(guī)劃
　　為提高機(jī)器人的地形適應(yīng)能力，給出了一種仿蛙機(jī)器人騰空越障和

5、姿態(tài)調(diào)整的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法。該方法首先使用改進(jìn)的任務(wù)空間偏置隨機(jī)搜索樹(shù)算法實(shí)現(xiàn)了足尖的騰空越障運(yùn)動(dòng)及身體姿態(tài)調(diào)整的初始規(guī)劃；接著以足尖軌跡的初始規(guī)劃為路徑點(diǎn)，提出了三次樣條曲線優(yōu)化的方法，在滿足足尖越障約束條件下實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人足尖軌跡的光滑連續(xù)；最后基于角動(dòng)量守恒原理和分解運(yùn)動(dòng)速度控制的思想，提出了預(yù)測(cè)校正控制算法，在速度層次上實(shí)現(xiàn)了仿蛙機(jī)器人任務(wù)空間內(nèi)連續(xù)軌跡的跟蹤。
　　(5)著地沖擊與穩(wěn)定性分析
　　考慮青蛙著地時(shí)足-地間的

6、柔順特性，采用均質(zhì)柔性桿來(lái)模擬青蛙的前腳掌，并基于 Hertz接觸理論及非線性阻尼理論建立了足-地間的連續(xù)接觸碰撞模型，進(jìn)而采用假設(shè)模態(tài)法和Lagrange方法建立了機(jī)器人系統(tǒng)的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)方程；給出了仿蛙機(jī)器人著地穩(wěn)定的基本條件和判別方法，分析了著地初始條件參數(shù)對(duì)著地穩(wěn)定性的影響。
　　本文有關(guān)跳躍機(jī)器人的起跳機(jī)理、力學(xué)特性、起跳任務(wù)規(guī)劃、騰空越障規(guī)劃以及著地穩(wěn)定性條件與分析方法，對(duì)跳躍機(jī)器人的系統(tǒng)研究和應(yīng)用推廣提供了理論參考