腿式跳躍機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與穩(wěn)定性恢復(fù)研究.pdf

1、腿式跳躍機(jī)器人具有很強(qiáng)的移動(dòng)性、靈活性和地形適應(yīng)性,是移動(dòng)機(jī)器人研究領(lǐng)域中的一個(gè)前沿應(yīng)用課題,在家庭服務(wù)、醫(yī)療娛樂、星際探測(cè)、軍事偵察、反恐救災(zāi)等領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用前景。
　　 腿式跳躍機(jī)器人是一個(gè)非線性、多變量、強(qiáng)耦合和變結(jié)構(gòu)的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)系統(tǒng),其驅(qū)動(dòng)性能約束下的逾障規(guī)劃和動(dòng)態(tài)平衡問題的研究具有很大的挑戰(zhàn)性。本文以不帶彈性元件、完全電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多關(guān)節(jié)腿式跳躍機(jī)器人為研究對(duì)象,從提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)能力的角度,結(jié)合驅(qū)動(dòng)約束條件,對(duì)腿式

2、跳躍機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與優(yōu)化、穩(wěn)定性恢復(fù)控制等關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究,并通過仿真實(shí)驗(yàn)和機(jī)器人實(shí)體試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。論文的主要工作如下:
　　 (1)腿式機(jī)器人跳躍運(yùn)動(dòng)的特征量提取
　　 基于生物的跳躍形態(tài)和人體跳躍運(yùn)動(dòng)捕捉試驗(yàn),從生物力學(xué)、仿生學(xué)和機(jī)器人學(xué)的角度分析了影響跳躍運(yùn)動(dòng)的主要因素,采用起跳姿態(tài)、廣義負(fù)載和上肢運(yùn)動(dòng)三個(gè)特征量刻畫機(jī)器人的跳躍運(yùn)動(dòng)性能。
　　 (2)腿式跳躍機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模
　　

3、 跳躍運(yùn)動(dòng)的騰空相參考基座是浮動(dòng)基,具有動(dòng)量矩守恒的非完整約束；站立相的參考基座是固定基,具有完整約束。針對(duì)變約束特性,采用Lagrange浮動(dòng)基方法,推導(dǎo)了跳躍機(jī)器人的變約束動(dòng)力學(xué)模型。
　　 (3)腿式機(jī)器人的跳躍逾障運(yùn)動(dòng)規(guī)劃
　　 為提高機(jī)器人的地形適應(yīng)能力,給出了基于模型綜合與解耦策略的腿式機(jī)器人跳躍逾障運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法。該方法先將腿式機(jī)器人的上身等效為一個(gè)具有慣量特性的剛體,根據(jù)跳躍姿態(tài)和障礙物,運(yùn)用內(nèi)在動(dòng)力學(xué),

4、規(guī)劃運(yùn)動(dòng)綜合模型的跳躍逾障運(yùn)動(dòng)；接著基于等效剛體的COM可操作度,運(yùn)用開環(huán)可操作度優(yōu)化方法進(jìn)行冗余度分解,規(guī)劃冗余關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。
　　 (4)腿式機(jī)器人跳躍運(yùn)動(dòng)的特征量?jī)?yōu)化
　　 視腿式跳躍機(jī)器人為持有末端載荷的冗余機(jī)械臂,從力與運(yùn)動(dòng)傳遞性能的角度,結(jié)合起跳動(dòng)力學(xué)約束條件,給出了跳躍運(yùn)動(dòng)的特征量?jī)?yōu)化方法。該方法運(yùn)用慣性匹配方向可操作度優(yōu)化了跳躍運(yùn)動(dòng)的三個(gè)特征量,通過特征量的優(yōu)化提高了跳躍性能。慣性匹配方向可操作度作為一種動(dòng)

5、力學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo),度量了機(jī)器人在跳躍任務(wù)下的跳躍高度。
　　 (5)腿式跳躍機(jī)器人的穩(wěn)定性恢復(fù)控制
　　 基于驅(qū)動(dòng)性能約束,給出了落地沖擊力作用下的穩(wěn)定性恢復(fù)控制方法。該方法運(yùn)用ZMP可操作橢圓規(guī)劃了跳躍步態(tài),當(dāng)機(jī)器人有足夠的驅(qū)動(dòng)能力進(jìn)行自運(yùn)動(dòng)姿態(tài)調(diào)整時(shí),采用ZMP平面映射法進(jìn)行穩(wěn)定性恢復(fù)；當(dāng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí),通過步態(tài)調(diào)整使機(jī)器人重獲穩(wěn)定。
　　 (6)人體運(yùn)動(dòng)捕捉與機(jī)器人跳躍運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)
　　 為了驗(yàn)證本

6、文所給出方法的有效性,分別構(gòu)建了人體運(yùn)動(dòng)捕捉和機(jī)器人跳躍運(yùn)動(dòng)的試驗(yàn)平臺(tái)。利用三維圖像檢測(cè)系統(tǒng),通過人體跳躍運(yùn)動(dòng)的捕捉,分析了影響跳躍性能的主要特征因素；研制了兩類跳躍機(jī)器人試驗(yàn)樣機(jī),分別驗(yàn)證了跳躍運(yùn)動(dòng)特征量?jī)?yōu)化方法的有效性,以及落地沖擊下穩(wěn)定性恢復(fù)控制策略的實(shí)用性。
　　 本文有關(guān)跳躍機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)優(yōu)化以及地面沖擊力作用下的穩(wěn)定性恢復(fù)控制方法,有助于提高機(jī)器人的靈活性和運(yùn)動(dòng)能力,拓展機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域,在理論和