被動雙足機(jī)器人的3D行走運(yùn)動機(jī)理及穩(wěn)定性研究.pdf

1、被動雙足機(jī)器人具有步態(tài)自然、能量效率高和控制方法簡單甚至無需任何控制等優(yōu)點(diǎn)，因此逐漸成為機(jī)器人領(lǐng)域熱點(diǎn)研究內(nèi)容之一。當(dāng)今被動雙足機(jī)器人的研究熱點(diǎn)主要集中在矢狀面內(nèi)的平面行走，而對3D行走的研究相對較少，3D行走尚存在著運(yùn)動機(jī)理研究不夠清晰、行走穩(wěn)定性有待提高等問題。為深入研究被動雙足機(jī)器人，提高其3D行走穩(wěn)定性，并盡量保持其被動特性，本文以動力學(xué)系統(tǒng)方程為基礎(chǔ)，采用MATLAB數(shù)值求解、ADAMS仿真以及MATLAB&ADAMS聯(lián)合仿真

2、為手段對被動機(jī)器人的運(yùn)動機(jī)理、穩(wěn)定性等問題進(jìn)行深入分析和研究，研制機(jī)器人實(shí)體樣機(jī)進(jìn)行側(cè)向擺動實(shí)驗(yàn)和3D行走實(shí)驗(yàn)，對所提出的提高機(jī)器人行走穩(wěn)定性的方法進(jìn)行驗(yàn)證。
　　首先，建立被動雙足機(jī)器人物理模型，提出在機(jī)器人髖部引入可往復(fù)運(yùn)動的質(zhì)量振子，用以補(bǔ)充機(jī)器人側(cè)向擺動過程中的能量損失和調(diào)節(jié)機(jī)器人側(cè)向擺動的節(jié)奏。根據(jù)其行走特點(diǎn)，采用Lagrange方程和角動量守恒定律分別建立擺動階段和碰撞階段的動力學(xué)系統(tǒng)方程，并進(jìn)行無量綱化處理。

3、　　其次，在矢狀面內(nèi)采用龐加萊映射和Newton-Raphson迭代相結(jié)合的方法求解機(jī)器人前向行走的不動點(diǎn)，在冠狀面內(nèi)采用連續(xù)數(shù)值積分的方式求得機(jī)器人本體在正弦運(yùn)動振子作用下的穩(wěn)定不動點(diǎn)，以不動點(diǎn)為基礎(chǔ)分析機(jī)器人的運(yùn)動機(jī)理以及周期運(yùn)動的特性；在基本模型的基礎(chǔ)上提出參數(shù)敏感度的概念，并詳細(xì)分析機(jī)器人本體和質(zhì)量振子的各個參數(shù)變化對機(jī)器人相關(guān)周期運(yùn)動特性產(chǎn)生的影響。
　　然后，在矢狀面內(nèi)，分別應(yīng)用Floquet乘子理論、點(diǎn)-胞映射綜合法

4、對機(jī)器人局部穩(wěn)定性和全局穩(wěn)定性進(jìn)行分析，對各物理參數(shù)的參數(shù)敏感度以及各物理參數(shù)對穩(wěn)定性的影響趨勢進(jìn)行研究；在冠狀面內(nèi)，通過對振子進(jìn)行PD控制，使其側(cè)向擺動能夠以穩(wěn)定的周期持續(xù)擺動下去，為擺動腿提供足夠大的足地間隙，避免發(fā)生擦地現(xiàn)象。
　　最后，研制機(jī)器人虛擬樣機(jī)，進(jìn)行2D行走、側(cè)向擺動和3D行走的動力學(xué)仿真，仿真結(jié)果表明機(jī)器人在矢狀面和冠狀面都具有較好的穩(wěn)定性，證實(shí)了在振子調(diào)節(jié)作用下機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的3D行走；制作機(jī)器人實(shí)體樣機(jī)，