具有柔性回转关节的单腿机器人跳跃运动动态特性研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lhm0510
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仿生足式机器人以其良好的动态性能、较强的环境适应能力,在野外复杂多变的环境中得到了越来越多的应用,成为国内外学者广泛研究的热点,一大批典型的足式机器人样机也应运而生。然而,这些机器人回转关节多数采用刚性驱动,较大的能耗及触地冲击使得机器人在中高速动步态跳跃运动中受到了极大的限制。因此,针对单个回转关节引入柔性元素,研究其对机器人跳跃运动动态特性的影响具有重要的现实意义。本课题来源于国家高技术研究发展计划(863计划)先进制造技术领域“高性能四足仿生机器人”主题项目(2011AA040701)。以单腿机器人作为研究对象,在髋关节引入扭簧,基于动力学方程,利用庞加莱映射及不动点分析理论,通过对柔性关节被动及主动控制的研究,揭示了柔性元素的引入对机器人跳跃运动动态特性的影响规律。首先,建立了具有柔性回转关节的单腿机器人简化的动力学模型,推导了机器人跳跃运动各状态相的动力学方程,并建立庞加莱映射。针对被动状态下的跳跃运动进行了不动点的搜索,获得了准周期解,并进行了稳定性分析。同时,通过与刚性回转关节机器人等效SLIP模型动态特性的对比,得出了柔性回转关节的引入对机器人被动状态下跳跃运动稳定性的影响规律。其次,针对引入柔性回转关节后机器人稳定性变差的问题,设计了基于腾空相逆动力学的控制方法,在此基础上进行了单腿机器人周期跳跃运动稳定不动点的搜索,获得了其分布图。针对一个典型的不动点进行了稳定性分析,并建立能量消耗评价函数,对该点进行能耗分析,并分析扭簧在能量转化过程中起的作用。同时改变扭簧刚度,绘制不动点能耗与扭簧刚度的关系图,通过分析对比,得出扭簧刚度变化对机器人跳跃运动动态特性的影响规律。最后,在Adams环境下建立了单腿机器人的虚拟样机,设计了机器人的起步控制策略,针对仿真模型与理论模型的差异,对柔性关节主动控制方法进行了改进。基于Matlab和Adams联合仿真平台,进行了单腿机器人稳定跳跃仿真实验,指出了扭簧在机器人跳跃运动能量转变中的作用,验证了主动控制方法的有效性及理论分析结果的正确性。
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