腿型跳躍機器人起跳階段運動學及動力學研究.pdf

1、腿型跳躍機器人是機器人研究領域的一個前沿課題，其起跳過程是一個多變量、變約束、欠驅動、非線性的運動學和動力學耦合過程，這為其關節(jié)空間起跳運動控制問題的研究帶來了很大的技術難度。本文以雙關節(jié)腿型跳躍機器人為研究對象，對其起跳階段進行了運動學和動力學分析，并研究了其在起跳階段關節(jié)空間的運動規(guī)劃問題。
　　首先，在分析各種腿型跳躍生物生理結構與運動特征的基礎上，設計并制作出了一種由電機和彈簧耦合驅動的腿型跳躍機器人，并抽象建立了一種表達

2、機器人結構參數(shù)的機構簡化模型。將腿型跳躍機器人起跳階段劃分為站立相和欠驅動相，利用坐標系相對轉動的方向余弦矩陣并結合矩陣運算法則，建立了機器人在起跳過程中各構件質心與總質心的位置、速度和加速度模型，揭示了機器人各質心空間運動與結構參數(shù)和關節(jié)空間運動之間的耦合關系。
　　其次，在腿型跳躍機器人運動學模型的基礎上，通過質點系的達朗貝爾原理，建立了腳掌處地面反力的力學模型，并分析得到了機器人進入起跳欠驅動相的判斷條件。考慮關節(jié)彈性和腳掌

3、處地面反力的影響，分析了機器人在起跳階段中的動能、勢能和非保守廣義力，采用Lagrange方法建立了機器人在起跳站立相和欠驅動相的動力學方程，并研究了腿型跳躍機器人起跳欠驅動相時腳尖處產生的二階非線性運動約束。
　　再則，在機器人起跳階段運動學和動力學研究的基礎上，分析了機器人的起跳離地條件，得到了質心運動的邊界值條件，采用可變四次多項式插值方法首先規(guī)劃出了機器人的質心運動軌跡。從機器人質心空問的速度水平上進行了逆運動學分析，求解

4、出了機器人起跳站立相關節(jié)空間的運動軌跡。當機器人處于起跳的欠驅動相時，在機器人質心空間的加速度水平上，將欠驅動相產生的動力學運動約束融入到了逆運動學求解過程中，完成了機器人在起跳欠驅動相關節(jié)空間的軌跡規(guī)劃。
　　最后，依照規(guī)劃出的關節(jié)空間運動軌跡，分別進行了虛擬樣機和實物樣機的起跳實驗，將所得相關數(shù)據(jù)進行了分析和處理。實驗現(xiàn)象和對比分析結果表明了機器人結構設計的合理性，驗證了本文建立的相關運動學和動力學理論模型的正確性，說明了從質