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双足机器人快速步行动力学研究

侯月阳  
【摘要】:双足机器人的研究发展迅速,双足步行方式也逐渐受到国内外学术界的重视,并且由于双足机器人是先进技术的代表,因此国外很多商业机构为了推广品牌形象,也争相投身该领域。双足步行所包含的范围较大,本文从快速性入手展开对步行理论研究,所做的研究工作如下: 本文设计了基于滑轮组原理的绳索驱动机器人关节传动单元,该单元具有高刚性和轻量化的特点,这为双足机器人提供了一种理论可行的传动方式。本文分别推导出解耦的基于传动轴坐标系、驱动轴坐标系的七连杆和九连杆模型迭代牛顿-欧拉动力学方程。补充了机器人稳定步行的修正条件,利用三阶泰勒公式引入舒适度的概念,推导出基于舒适度的多连杆ZMP公式。 本文提出一种用于动力学分析的三维弹簧平台—小车模型,通过简化的舒适度ZMP公式推导出弹簧平台—小车模型的运动规律,并以此作为机器人髋关节竖直方向参考轨迹。将机器人的起步动作合理规划为余弦轨迹,设计出考虑加、减速的可变斜率ZMP轨迹,结合预观控制理论生成了二维质心(Center-Of-Mass,COM)轨迹,采用“基于约束三次样条插值函数”规划出平滑的踝关节轨迹。 本文建立12自由度机器人的虚拟样机模型,在MATLAB环境下编写了步行样本和动力学计算程序,并导入ADAMS进行验证,实现了步长0.6m、步行周期0.5s的步行仿真,双足机器人步速达到2.088km/h,符合课题预定目标2km/h,说明本文动力学方程和步行样本的正确性,仿真为今后的样机实验打下基础。


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