一種帶有可變剛度柔性踝關(guān)節(jié)的雙足步行機(jī)器人研究.pdf

1、在雙足步行機(jī)器人研究領(lǐng)域，研究者一般會(huì)參考人類進(jìn)行設(shè)計(jì)，因?yàn)槟壳斑€沒(méi)有一款機(jī)器人的綜合性能能夠超越人類。人類下肢具有足夠的柔性，不但可以讓人實(shí)現(xiàn)流暢、省力的雙足步行，而且可以保護(hù)下肢的關(guān)節(jié)。人類下肢靈活、節(jié)能、吸收沖擊的特點(diǎn)對(duì)于雙足機(jī)器人來(lái)說(shuō)，具有十分重要的借鑒意義。
　　目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于柔性關(guān)節(jié)的研究已經(jīng)具有一定成果，柔性關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)形式十分多樣，但是現(xiàn)有的柔性關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)大多不能很好地應(yīng)用在雙足機(jī)器人系統(tǒng)中。為了研究柔性關(guān)節(jié)對(duì)雙足機(jī)器

2、人步行運(yùn)動(dòng)的影響，本文設(shè)計(jì)了一種新型的可調(diào)剛度柔性關(guān)節(jié)，并研制了包含髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的雙足欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人樣機(jī)，將柔性關(guān)節(jié)應(yīng)用在了踝關(guān)節(jié)上。還設(shè)計(jì)了欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的周期步行控制器，確保機(jī)器人實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的步行運(yùn)動(dòng)。最后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制策略的正確性，證實(shí)了柔性關(guān)節(jié)對(duì)機(jī)器人步行運(yùn)動(dòng)的積極影響。
　　首先，根據(jù)人類下肢的關(guān)節(jié)數(shù)和自由度數(shù)確定了機(jī)器人的自由度分布；分析主動(dòng)機(jī)器人、被動(dòng)機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)確定了驅(qū)動(dòng)方案；設(shè)計(jì)了6自由度雙足步行

3、機(jī)器人的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)；利用杠桿原理設(shè)計(jì)了可變剛度柔性關(guān)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，對(duì)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的電機(jī)扭矩進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)定。
　　其次，通過(guò)分析機(jī)器人的足部結(jié)構(gòu)，忽略了足尖擦地的問(wèn)題，將機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為“五桿四驅(qū)動(dòng)”點(diǎn)足模型；運(yùn)用基于能量的拉格朗日原理，在狀態(tài)空間中建立了單腿支撐動(dòng)力學(xué)模型；基于有接觸力項(xiàng)的拉格朗日方程和虛功原理，在狀態(tài)空間中建立了機(jī)器人雙腿支撐動(dòng)力學(xué)模型。
　　第三，基于計(jì)算力矩法以及虛擬約束原理，將機(jī)器人的時(shí)變參

4、數(shù)轉(zhuǎn)化為時(shí)不變參數(shù)，用于參考軌跡的追蹤；基于反饋線性化方法分離出機(jī)器人的關(guān)節(jié)力矩項(xiàng)，設(shè)計(jì)了機(jī)器人的反饋控制器；利用貝塞爾多項(xiàng)式規(guī)劃了欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的時(shí)不變步態(tài)；選擇了極限環(huán)作為機(jī)器人的穩(wěn)定性驗(yàn)證方法，對(duì)機(jī)器人的周期步行穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。
　　最后，建立了雙足機(jī)器人步行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研制了帶有柔性踝關(guān)節(jié)的雙足機(jī)器人行走樣機(jī)，通過(guò)在ADAMS中進(jìn)行可變剛度踝關(guān)節(jié)的仿真，分析了可變剛度關(guān)節(jié)對(duì)機(jī)器人步行運(yùn)動(dòng)的影響；完成了兩種步行實(shí)驗(yàn)，一種是棋盤(pán)