含脊柱關(guān)節(jié)四足機器人運動性能研究.pdf

1、目前大多數(shù)四足機器人的軀體都是剛性的。但是在高速奔跑中，獵豹的軀體存在著劇烈的蜷曲與伸展運動。隨著四足機器人的研究重點轉(zhuǎn)向高速奔跑運動，含脊柱關(guān)節(jié)四足機器人逐漸受到越來越多機器人研究者的關(guān)注。對于含脊柱關(guān)節(jié)四足機器人，目前大部分研究都將重點集中于穩(wěn)定移動的控制算法，對運動的基本性能研究的較少。而深入了解含脊柱關(guān)節(jié)四足機器人的運動性能對其結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制算法研究都有十分重要的意義。所以，有必要從動力學角度深入地分析含脊柱關(guān)節(jié)四足機器人的運動

2、性能和脊柱運動對系統(tǒng)運動性能的影響。
　　本文首先建立了含脊柱關(guān)節(jié)四足機器人的簡化模型和動力學方程，之后獲得了該簡化模型的周期運動，然后分析了脊柱運動對腿部支撐時間和腿部受力峰值的影響，最后對含脊柱關(guān)節(jié)四足機器人的運動性能進行了實物實驗研究。
　　在了解剛性軀干四足機器人簡化模型和獵豹軀體運動形態(tài)特征的基礎(chǔ)上，建立了含脊柱關(guān)節(jié)四足機器人的簡化模型，稱其為含脊柱關(guān)節(jié)模型。依據(jù)歐拉–拉格朗日方程，含脊柱關(guān)節(jié)模型的動力學方程也被推

3、導了。
　　依據(jù)一種剛性軀干四足機器人簡化模型周期運動的生成方法，研究了含脊柱關(guān)節(jié)模型的周期運動，推導了含脊柱關(guān)節(jié)模型的龐加萊映射函數(shù)，并利用牛頓–拉夫遜算法搜索了其龐加萊映射不動點。結(jié)果表明：使用該方法可以獲得含脊柱關(guān)節(jié)模型的周期運動。
　　以四足機器人簡化模型的周期運動和動力學方程為基礎(chǔ)，對含脊柱關(guān)節(jié)四足機器人的運動性能進行了仿真研究，主要分析了脊柱運動對腿部支撐時間和腿部受力峰值的影響。在分析中，依據(jù)豎直彈簧振子模型，

4、將四足機器人簡化模型的平面運動近似視為了豎直振動。分析結(jié)果表明：脊柱運動對腿部支撐時間是沒有影響的；脊柱運動可以減小腿部受力的峰值。
　　為了證實仿真分析結(jié)論的正確性，對含脊柱關(guān)節(jié)四足機器人的運動性能又進行了實物實驗研究。搭建了實驗平臺并利用實驗平臺完成了四個實物實驗，研究了脊柱運動對系統(tǒng)水平運動速度、能量利用效率、腿部支撐時間和腿部受力峰值的影響。實驗結(jié)果表明：脊柱運動能夠提高水平運動速度和能量利用效率；脊柱運動對腿部支撐時間的