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仿生机械系统的无源动态运动综合

苏鹏  
【摘要】:仿生机器系统能够适应未来世界非结构化的、未知的复杂环境,有望引领未来机器人领域的发展趋势。单腿仿生机器人机械系统是仿生机器系统的重要分支,其具有很强的环境适应能力。为提高仿生机械系统的运动效率,探索高能效、灵巧性仿生机械系统的设计方法和原理,以单腿仿生跳跃机器人为研究对象,进行系统的无源动态运动综合研究。 基于SLIP跳跃机器人,建立更加符合生物体躯体结构的关节式单腿仿生机器人机构模型。应用Lagrange法、动能定理及动量定理等方法对机构模型进行数学建模并进行运动仿真,仿真结果验证了模型的正确性,为系统的动态运动研究奠定理论基础。 论文提出了仿生机械系统无源动态运动研究的完整数值算法。针对算法的有效性受运动初始状态的影响这一特点,首先,应用基于遗传算法的初始状态寻优算法,以能量的最小耗散为目标,寻找系统周期运动的最优初始值;然后,使用庞加莱截面法将系统的动力学方程转化为代数方程;最后,应用基于牛顿-拉夫逊方法的不动点搜索算法,进行无源动态周期运动轨道搜索,寻找庞加莱截面的不动点,以寻找系统无源周期运动的极限环。 将提出的数值算法应用于单腿仿生机器人机械系统的无源动态运动研究中,求得庞加莱截面上的近似不动点,完成系统的无源动态周期运功规划,使系统的运动能效性得到极大提高,所得结果可为系统相应控制器的设计提供直接参考。


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