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半转步行机构运动分析与稳定控制研究

徐学坦  
【摘要】:移动系统主要分为腿式、轮式、履带式等,现有移动系统存在着不少问题,新型的移动系统愈加受到人们的关注。提出两种基于半转机构的自平衡步行机构。介绍半转机构的由来及其结构特点,提出移动式和摆动式两种平衡构型的半转步行机构,其中以平衡机构为系统设计的关键。结合矢量法和D-H法提出一种足地间不存在滑移的半转步行机构运动学建模分析方法。根据步行机构的特点,以矢量运动方程为工具,并结合D-H法,建立相关构件与机构中心坐标系以及全局坐标系之间的变换矩阵,统一两种平衡构型的运动学表述,详细推导系统关键点的位置矢量、角速度矢量、线速度矢量等相关运动学特性。基于拉格朗日方法对半转步行机构进行动力学建模。将半转步行机构运动过程分为四足支撑和双足支撑阶段。在对系统做出必要的简化的基础上,对双足支撑阶段进行拉格朗日动力学建模,以摆动平衡构型步行机构为例,推导动力学模型表达式。提出半转步行机构的运动稳定性分析与评估方法,稳定行走策略,并进行理论推导与仿真验证。提出对移动系统运动稳定性问题稳定锥法,并分别对只有重力作用和有外力扰动的两种情况进行分析,给出机构运动过程中的最小稳定角解析表达式。针对半转步行机构的作业环境与结构特点,将稳定锥法简化为稳定三角形法。提出步行机构运动过程中保持最小稳定角最大的稳定行走策略,并进行相应的理论推导,得到平衡机构(平衡摆杆、平衡重块)的运动规律。通过三维建模与仿真验证稳定行走策略的合理性,利用提出的稳定性评价方法对步行机构的稳定性进行评价。


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