兩足步行椅機(jī)器人步行穩(wěn)定性及關(guān)節(jié)伺服控制研究.pdf

1、兩足步行椅機(jī)器人是一種可以載人或載物的兩足機(jī)器人,它研究的主要目的是為下肢殘疾人提供一種新的代步工具和用于復(fù)雜環(huán)境下的貨物運(yùn)輸。 同時(shí),它也可以作為復(fù)雜系統(tǒng)控制、人機(jī)交互和大型嵌入式控制軟件開發(fā)的研究平臺(tái)。 根據(jù)兩足步行椅機(jī)器人的研究目標(biāo),本文主要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行了深入研究。 1) 基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的兩足步行椅機(jī)器人開發(fā)方法.建立了兩足步行椅機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)模型,實(shí)現(xiàn)了機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真.利

2、用該模型在兩足步行椅機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)、步態(tài)設(shè)計(jì)、步態(tài)控制等方面進(jìn)行了研究.虛擬樣機(jī)技術(shù)為兩足步行椅機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。 2) 推導(dǎo)出一種求兩足步行椅機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的解析方法.該方法把基坐標(biāo)系建立在機(jī)器人的身體上,推導(dǎo)出兩足機(jī)器人雙腳相對(duì)于基坐標(biāo)系的解析形式的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解.給出了基于該逆解的步態(tài)設(shè)計(jì)方法,并把步態(tài)變換算法從2維擴(kuò)展到3維。 3) 研究了兩足步行椅機(jī)器人質(zhì)量分布對(duì)步行穩(wěn)定性和步行效

3、率的影響.對(duì)兩足機(jī)器人質(zhì)量分布的研究目前較少,大多數(shù)屬于定性的描述.本文通過研究固定步態(tài)條件下,質(zhì)量分布對(duì)ZMP穩(wěn)定閾度和步行效率的影響,發(fā)現(xiàn)了一些新的結(jié)果(跟據(jù)作者目前掌握的文獻(xiàn)來看)。即:大腿質(zhì)量分布向髖關(guān)節(jié)偏移時(shí),ZMP穩(wěn)定裕度增加；步行效率先增加然后減小。小腿質(zhì)量分布向踝關(guān)節(jié)偏移時(shí),ZMP穩(wěn)定裕度增加；步行效率降低。上身質(zhì)量分布向上移動(dòng)時(shí),穩(wěn)定裕度先增加然后減小,步行效率先增加然后減小,但二者到達(dá)峰值時(shí)的質(zhì)量偏移相距較遠(yuǎn)。同時(shí),

4、因?yàn)樯仙碣|(zhì)量占總重比例較大,上身質(zhì)量分布對(duì)穩(wěn)定裕度和步行效率的影響比大腿和小腿的影響大。上身質(zhì)量增加時(shí),ZMP穩(wěn)定裕度增加.大腿質(zhì)量增加時(shí),ZMP穩(wěn)定裕度減小。小腿質(zhì)量增加時(shí),ZMP穩(wěn)定裕度減小。這就是說,增加兩足機(jī)器人上身重量占全身重量的比例可以提高步行穩(wěn)定性。同時(shí)我們注意到連桿質(zhì)量對(duì)ZMP穩(wěn)定裕度的影響沒有連桿質(zhì)量偏移的影響大。 該研究結(jié)果已經(jīng)應(yīng)用于兩足步行椅機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)中。 1) 推導(dǎo)出兩足機(jī)器人受外力和力矩

5、情況下的ZMP公式。并把外力和力矩的擾對(duì)兩足機(jī)器人ZMP點(diǎn)的影響隔離出來。 2)對(duì)兩足步行椅機(jī)器人穩(wěn)定性問題進(jìn)行了研究。分析了乘客身體晃動(dòng)對(duì)步行穩(wěn)定性的影響。通過研究發(fā)現(xiàn)乘客某種頻率和幅度的身體晃動(dòng)可以使原來不穩(wěn)定的步態(tài)恢復(fù)穩(wěn)定,這一結(jié)論說明可以利用乘客的身體晃動(dòng)來提高步態(tài)的穩(wěn)定閾度。從外界干擾強(qiáng)度大小的角度對(duì)步態(tài)穩(wěn)定性問題進(jìn)行分析,給出了處理較小和中等規(guī)模干擾的解決方案,即基于動(dòng)力學(xué)模型的穩(wěn)定性控制方法和基于步態(tài)局部調(diào)整的穩(wěn)