含脊柱關(guān)節(jié)四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能研究.pdf

1、目前大多數(shù)四足機(jī)器人的軀體都是剛性的。但是在高速奔跑中，獵豹的軀體存在著劇烈的蜷曲與伸展運(yùn)動(dòng)。隨著四足機(jī)器人的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向高速奔跑運(yùn)動(dòng)，含脊柱關(guān)節(jié)四足機(jī)器人逐漸受到越來越多機(jī)器人研究者的關(guān)注。對(duì)于含脊柱關(guān)節(jié)四足機(jī)器人，目前大部分研究都將重點(diǎn)集中于穩(wěn)定移動(dòng)的控制算法，對(duì)運(yùn)動(dòng)的基本性能研究的較少。而深入了解含脊柱關(guān)節(jié)四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制算法研究都有十分重要的意義。所以，有必要從動(dòng)力學(xué)角度深入地分析含脊柱關(guān)節(jié)四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)

2、性能和脊柱運(yùn)動(dòng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)性能的影響。
　　本文首先建立了含脊柱關(guān)節(jié)四足機(jī)器人的簡(jiǎn)化模型和動(dòng)力學(xué)方程，之后獲得了該簡(jiǎn)化模型的周期運(yùn)動(dòng)，然后分析了脊柱運(yùn)動(dòng)對(duì)腿部支撐時(shí)間和腿部受力峰值的影響，最后對(duì)含脊柱關(guān)節(jié)四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行了實(shí)物實(shí)驗(yàn)研究。
　　在了解剛性軀干四足機(jī)器人簡(jiǎn)化模型和獵豹軀體運(yùn)動(dòng)形態(tài)特征的基礎(chǔ)上，建立了含脊柱關(guān)節(jié)四足機(jī)器人的簡(jiǎn)化模型，稱其為含脊柱關(guān)節(jié)模型。依據(jù)歐拉–拉格朗日方程，含脊柱關(guān)節(jié)模型的動(dòng)力學(xué)方程也被推

3、導(dǎo)了。
　　依據(jù)一種剛性軀干四足機(jī)器人簡(jiǎn)化模型周期運(yùn)動(dòng)的生成方法，研究了含脊柱關(guān)節(jié)模型的周期運(yùn)動(dòng)，推導(dǎo)了含脊柱關(guān)節(jié)模型的龐加萊映射函數(shù)，并利用牛頓–拉夫遜算法搜索了其龐加萊映射不動(dòng)點(diǎn)。結(jié)果表明：使用該方法可以獲得含脊柱關(guān)節(jié)模型的周期運(yùn)動(dòng)。
　　以四足機(jī)器人簡(jiǎn)化模型的周期運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)方程為基礎(chǔ)，對(duì)含脊柱關(guān)節(jié)四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行了仿真研究，主要分析了脊柱運(yùn)動(dòng)對(duì)腿部支撐時(shí)間和腿部受力峰值的影響。在分析中，依據(jù)豎直彈簧振子模型，

4、將四足機(jī)器人簡(jiǎn)化模型的平面運(yùn)動(dòng)近似視為了豎直振動(dòng)。分析結(jié)果表明：脊柱運(yùn)動(dòng)對(duì)腿部支撐時(shí)間是沒有影響的；脊柱運(yùn)動(dòng)可以減小腿部受力的峰值。
　　為了證實(shí)仿真分析結(jié)論的正確性，對(duì)含脊柱關(guān)節(jié)四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能又進(jìn)行了實(shí)物實(shí)驗(yàn)研究。搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成了四個(gè)實(shí)物實(shí)驗(yàn)，研究了脊柱運(yùn)動(dòng)對(duì)系統(tǒng)水平運(yùn)動(dòng)速度、能量利用效率、腿部支撐時(shí)間和腿部受力峰值的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：脊柱運(yùn)動(dòng)能夠提高水平運(yùn)動(dòng)速度和能量利用效率；脊柱運(yùn)動(dòng)對(duì)腿部支撐時(shí)間的