准四足被动行走机器人的动力学仿真研究

论文摘要

目前,行走机器人已成为机器人研究领域的一个热点,其中被动行走机器人由于具有效率高、结构简单等特点,日益成为研究的重点。本文对准四足被动行走机器人的动力学特性展开了研究。首先建立了机器人的三维结构模型及其等效简化结构的多刚体动力学模型。根据对被动行走机器人运动特性的分析,分别利用拉格朗日方程和动量矩原理,建立了机器人摆动阶段和碰撞转换阶段的动力学数学模型。选取碰撞发生后瞬间的相截面为庞加莱截面。根据能量守恒关系选取能使机器人稳定运行的初始条件的迭代初值,根据机器人系统的数学模型,运用四阶龙格库塔迭代法求解机器人在庞加莱截面上的不动点,并通过分析雅可比矩阵的特征值判断不动点的稳定性,以稳定的不动点作为运动的初始条件。然后,运用中心点胞映射法求解不动点的吸引域。由于不动点的吸引域大小可以衡量运动的稳定性,所以本文通过对吸引域体积的计算,分析了质量比、斜坡倾角等参数变化对机器人行走稳定性的影响规律。并以此为依据综合考虑各参数对机器人稳定性的影响情况,选择合理的参数使机器人具有较大的稳定裕度。利用分岔图、相平面图等图形分析了系统响应的周期运动、倍周期分岔等运动形式的转化与演变过程。研究了腿质心位置及斜坡倾角等参数对机器人运动的倍周期分岔行为的影响及变化规律。通过求解质量比、斜坡倾角等参数变化时的不动点,分析了参数变化对机器人稳态行走步态的影响。最后,利用ADAMS软件建立了准四足被动行走机器人的虚拟样机,以数值仿真求得的不动点及吸引域中的状态参量为初始条件,进行了动力学仿真分析。给出了机器人位姿随时间变化的特性曲线,并与数值分析结果进行了对比,验证了该机器人动力学建模与分析方法的正确性。对偏载作用下的机器人行走进行仿真分析,结果表明其具有良好的稳定性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 被动行走机器人的分类及特点
• 1.2.1 被动行走机器人的分类
• 1.2.2 被动行走机器人的主要特点
• 1.3 国内外的研究现状及分析
• 1.3.1 国外被动行走机器人研究现状
• 1.3.2 国内被动行走机器人研究现状
• 1.4 本课题的研究目标和研究内容
• 第2章 准四足被动行走机器人动力学建模
• 2.1 引言
• 2.2 准四足被动行走机器人的物理模型
• 2.3 摆动阶段动力学模型
• 2.4 碰撞阶段动力学模型
• 2.5 运动过程中能量转换分析
• 2.6 行走过程不动点的求解
• 2.7 本章小结
• 第3章 参数变化对机器人运动的影响分析
• 3.1 引言
• 3.2 参数变化对行走稳定性的影响
• 3.2.1 被动行走稳定性的分析方法
• 3.2.2 稳定不动点的吸引域求解
• 3.2.3 参数变化对吸引域体积的影响
• 3.3 被动行走步态的分岔现象
• 3.4 参数变化对行走步态的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 被动行走机器人的动力学仿真与分析
• 4.1 引言
• 4.2 被动行走机器人的参数化建模
• 4.3 机器人的动力学仿真
• 4.4 动力学仿真结果及分析
• 4.4.1 不动点的验证
• 4.4.2 不动点的吸引性
• 4.4.3 分岔现象的验证
• 4.4.4 参数变化对行走步态的影响分析
• 4.4.5 纵向偏心载荷对行走步态的影响
• 4.4.6 横向偏心载荷对行走步态的影响
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢