双足被动步行机器人行走稳定性的研究

论文摘要

相对于基于零力矩点轨迹规划的传统双足机器人而言,被动步行机器人以其结构与控制简单、能量利用率高等优点而引起广大学者的极大关注,它在长时间野外作业等领域具有广阔的应用前景,但目前其稳定性是制约其发展的一个重要因素,因此本课题将着重研究提高其稳定性的措施。本文首先建立在髋关节处引入弹簧及阻尼单元后的无膝关节和有膝关节被动步行机器人动力学模型。将一个步行周期分为摆动过程和碰撞过程,摆动过程采用Lagrange方程建立其动力学方程,碰撞过程采用动量矩守恒定理建立动力学方程。针对无膝关节被动步行机器人,分析了斜坡角度、足与髋关节质量之比、弹簧刚度及阻尼系数等各模型参数对局部稳定性及全局稳定性的影响。局部稳定性的各个影响参数的分析由对雅可比矩阵特征值模的最大值变化分析而得。全局稳定性的大小由吸引域大小来评定,本文采用庞加莱胞映射方法计算了吸引域的大小。全局稳定性的各影响参数的分析由对吸引域大小变化分析而得,并通过仿真软件ADAMS中进行验证。在仿真软件ADAMS中分别建立无膝关节及有膝关节被动步行机器人的虚拟样机,并验证动力学模型的正确性。针对无膝关节被动步行机器人,仿真验证各模型参数对稳态步行的周期、支撑腿初始角度及线速度等运动参数的影响。采用统计分析的方法实验分析质心位置及弹簧刚度对机器人步行稳定性的影响。实验结果验证理论及仿真的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 双足被动步行机器人的分类与特点
• 1.3 被动步行机器人国内外研究现状
• 1.3.1 国外被动步行机器人研究现状
• 1.3.2 国内被动步行机器人研究现状
• 1.4 被动步行机器人行走稳定性的研究现状
• 1.5 本课题的研究目标和研究内容
• 第2章 双足被动步行机器人动力学建模
• 2.1 引言
• 2.2 无膝关节被动步行机器人的动力学模型
• 2.2.1 无膝关节被动步行机器人的简化模型
• 2.2.2 无膝关节被动步行机器人的摆动方程
• 2.2.3 无膝关节被动步行机器人的碰撞方程
• 2.3 含膝关节被动步行机器人动力学模型
• 2.3.1 含膝关节被动步行机器人的简化模型
• 2.3.2 含膝关节被动步行机器人坐标系的建立
• 2.3.3 含膝关节被动步行机器人的摆动方程
• 2.3.4 含膝关节被动步行机器人膝关节碰撞方程
• 2.3.5 含膝关节被动步行机器人地面碰撞方程
• 2.4 本章小结
• 第3章 双足被动步行机器人的稳定性
• 3.1 引言
• 3.2 双足被动步行机器人的稳定性
• 3.2.1 双足被动步行机器人稳定性分析的方法
• 3.2.2 双足被动步行机器人的局部稳定性
• 3.2.3 双足被动步行机器人的全局稳定性
• 3.3 双足被动步行机器人的参数对稳定性的影响
• 3.4 双足被动步行机器人稳定性的验证
• 3.4.1 双足被动步行机器人的虚拟样机的建立
• 3.4.2 双足被动步行机器人稳定性的ADAMS 分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 双足被动步行机器人稳态的运动特性
• 4.1 引言
• 4.2 无膝关节被动步行机器人稳态的运动特性
• 4.2.1 无膝关节被动步行机器人的稳定步态
• 4.2.2 参数对无膝关节被动步行机器人稳态运动的影响
• 4.3 无膝关节被动步行机器人的能量转化关系
• 4.4 含膝关节被动步行机器人稳态的运动特性
• 4.4.1 含膝关节被动步行机器人的虚拟样机的建立
• 4.4.2 含膝关节被动步行机器人运动仿真
• 4.5 本章小结
• 第5章 双足被动步行机器人运动实验
• 5.1 引言
• 5.2 双足被动步行机器人的结构设计
• 5.3 双足被动步行机器人实验及结果分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢