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脚掌转动的跳跃机器人轨迹规划与落地稳定性分析

徐鹏  
【摘要】:近几十年来,腿型机器人一直成为移动机器人领域中的研究热点,有着较高的理论研究与应用价值。 跳跃运动是腿型机器人的一种重要的运动方式,但是由于跳跃运动对于机器人有着高爆发性和变约束性要求,具有跳跃功能的腿型机器人是一个高度非线性、多变量、强耦合和变结构的复杂动力学系统,其驱动性能约束下的逾障规划和动态平衡控制的研究具有很大的挑战性。本文以电机和弹簧耦合驱动的平面腿型跳跃机器人为研究对象,考虑脚掌在起跳过程中绕脚尖发生转动,从提高机器人跳跃能力的角度,结合运动约束条件,对腿型跳跃机器人的动力学建模、跳跃步态生成、轨迹跟踪控制、落地稳定性等关键问题进行研究。 针对腿型跳跃机器人跳跃过程中与地面间的变约束特性,在考虑脚掌绕脚尖转动的情况下,采用Lagrange方程建立包括连续动力学模型和碰撞相离散动力学模型在内的腿型跳跃机器人混杂系统的动力学模型,通过对机器人被动关节的动态分析得出模型动态切换条件。 针对机器人规则地形下的跳跃运动规划问题,研究基于运动约束与最小能耗的平面腿型跳跃机器人稳定跳跃步态生成算法。该算法在考虑脚掌转动的情况下,分析完整跳跃周期中被动关节的表达式和机器人跳跃过程中所受到的运动约束条件,并基于最小能耗采用优化的思想进行平面腿型跳跃机器人稳定跳跃仿真试验。 针对具有不确定性干扰的腿型跳跃机器人系统模型,研究基于非奇异终端滑模控制率的轨迹跟踪控制问题。考虑腿型跳跃机器人跳跃过程中的实际因素,建立基于Simscape的系统模型并进行相关的仿真。 根据脚掌模型,分析存在脚掌转动的腿型跳跃机器人落地碰撞阶段的稳定性问题。存在脚掌转动的落地碰撞阶段腿型跳跃机器人系统稳定性问题是与该欠驱动系统零动态的稳定性相关。通过控制使系统输出为零,将零动态稳定性问题转化为系统闭环动力学方程的稳定性问题,得出存在脚掌转动的腿型跳跃机器人落地阶段的稳定性主要取决于机器人的结构参数和脚掌-地面接触面的性能参数。 本文有关平面腿型跳跃机器人的动力学建模、跳跃步态生成、轨迹跟踪及落地稳定性分析方法,有助于提高腿型跳跃机器人的灵活性和运动能力,拓展腿型机器人的应用领域,在理论和应用上都具有一定的借鉴作用和参考价值。


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