文档介绍：,仿人跑步机器人具有速度快、效率高和受环境限制少、运动灵活等特点。,仿人跑步机器人的研究不仅具有重要的学术意义,而且有现实的应用价值。目前国际上研究的仿人跑步机器人的跑步速度还很低,只能是所谓的慢跑机器人,其中除了元器件等技术上的原因外,还因为对相关理论研究的缺乏。因此,本文主要研究仿人跑步机器人在快速跑步时产生的新问题,从理论上进行分析,主要有变拓扑结构动力学、动态稳定性分析、跑步步态规划、跑步过程仿真算法及机器人跑步运动的控制等内容,具体如下:一、针对机器人跑步的特点,建立了统一的坐标系统,提出了基于瓾参数齐次转换矩阵的三维运动学模型。正向运动学采用齐次转换矩阵从参考坐标系到各个杆件依次分析;对于逆运动学,为了配合跑步步态规划,根据机器人质心和双脚的轨迹,由运动约束建立一组非线性方程组,、角速度和角加速度的数值解。仿真结果表明这种方法求解速度快、精度高,克服了以往把机器人质心固定在髋关节的缺点,可应用于机器人快速跑步实时规划中。二、基于笛卡儿坐标和欧拉四元数建立了仿人跑步机器人交拓扑结构动力学模型。针对机器人在起跳阶段和飞行阶段存在不同约束,分别建立了起跳阶段和飞行阶段两种动力学方程,推导了从一种状态到另一种状态的转变条件,以实现机器人变拓扑系统的全局自动仿真。这种动力学方程由微分方程和代数约束方程组成,其优点是通过稍微修改约束方程和雅克比矩阵,就可以方便地建立各自动力学方程,建模速度快、精度高。最后基于拉格朗日动力学方程推导了机器人落地脚和地面发生碰撞时支撑腿关节角速度的变化公式。三、根据疉硗频剂嘶魅嗽谄鹛锥魏头尚薪锥蔚亩榷ㄐ蕴件;同时根据地面支反力的分布情况,推导了机器人单脚着地时,不在地面打滑的条件,两者结合构成了机器人跑步时动态稳定性条件。四、在满足动力学条件和稳定性的前提下,提出了基于“虚拟腿”的仿人跑步机器人跑步步态规划方法,并通过仿真成功地实现了速度为痵的跑步动作。在起跳阶段通过“虚拟腿”的动力学方程来确定机器人质心的轨迹,可以使机器人实现飞行动作;在飞行阶段机器人的质心按照自由落体运动。然后通过规划机器人双脚的轨迹和上臂的轨迹就可以确定机器人的跑步步态。采用
这种方法,容易满足机器人跑步的动力学和稳定性条件;并可以方便地规划机器人的起步和止步步态;本文对于机器人跑步步态的规划是在三维方向上进行的,充分考虑到前向运动和侧向运动的耦合,克服了以往把机器人质心固定在髓关节的缺点,具有精度高、速度快等优点,适合于机器人快速跑步。五、在仿人跑步机器人变结构动力学、稳定性和跑步步态规划的基础上,本文提出了对机器人的快速跑步动作进行全局仿真的算法,通过算例,成功实现了机器人从直立静止状态,经过起步、中步和止步步态,最后恢复到直立状态的完整动作。机器人在中步步态下前向跑步速度为痵,是目前研究中速度最快的,且机器人关节驱动力矩小、功率消耗低。最后,本文采用软件建立了机器人的虚拟样机,验证了仿真结果的有效性。六、提出了对机器人前向跑步速度控制和对机器人关节驱动力矩控制的控制策略。对于机器人跑步速度的控制,采用基于“虚拟腿”的方法,通过调整机器人落地时“虚拟腿”和铅垂线的夹角来进行控制,控制方法简便易行;对于机器人关节力矩的控制,采用基于机器人拉格朗日动力学方程的“阻抗控制”方法,这种方法类似人类在跑步时本能的控制方法,因而具有一定的优越性。以往的研究一般只对机器人关节力矩进行控制,本文对二者同时进行控制,因而具有一定的创新。关键词:仿人机器人;跑步;运动学;动力学;稳定性;步态规划;控制仿人跑步机器人快速跑步研究Ⅱ
—..—·瑃,
.琒甌甀琣瑆琓,.Ⅳ,..珼琔瑃甀瑃.,,【..’
:琁.,.
导师签名:兰骂塑日期型:竺:仝本人签名:丝筮焦本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。独创性虼葱滦声明关于论文使用授权的说明诔:迹篫本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果;也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切相关责任。本人签名:本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定,即:研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后,发表论文或使用论文工作成果时