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弹性接触对被动行走多体系统动力学与稳定性的影响研究

作　者: 祁峰
导　师: 李俊峰
学　校: 清华大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 多体动力学弹性接触被动行走稳定性吸引域
分类号: TH113
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
下　载: 22次
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内容摘要

被动行走是双足仿生行走的新概念。相比于传统的双足行走，其优点为能量消耗率很低。被动行走的仿真研究一般采用倒立摆模型假设，认为支撑足与地面铰接，足在地面上不发生弹起以及相对滑动。这种简化模型忽略了足与地面接触的过程。在各种多体系统中，碰撞与接触问题对于系统的动力学行为与稳定性有很重要的影响，实际的被动行走多体系统中足与地面接触也是行走过程的重要环节。为研究上述接触过程对行走的影响，本文首先建立了考虑足与地面弹性接触的二维被动行走模型，利用Hertz接触（弹簧阻尼）模型以及经过改进的Coulomb摩擦模型分别描述足与地面的法向接触力与切向摩擦力。通过动力学仿真，在寻找到周期行走步态的同时，得到了行走过程的接触力变化。通过改变模型的接触刚度系数、阻尼系数以及摩擦系数，发现接触阻尼系数与摩擦系数对于行走步态基本无影响，接触刚度系数对于行走的步态影响最大。接触刚度系数越大，行走的平均速度和碰撞力峰值越大。通过增加仿真模型的斜面倾角，可得到单步周期、二步周期、多步周期等周期加倍的行走结果，这与Gacia等人的倒立摆模型结果类似。改变模型参数及接触参数，可得到参数对步态分岔点的影响。仿真结果表明接触刚度系数越大，步态分岔发生的倾角越小，其它接触参数对分岔点没有影响。进一步利用Floquet乘子以及胞映射方法对行走的稳定性研究。通过简单假设使动力学系统的状态空间降维，得到了3维胞空间下的被动行走吸引域。通过改变接触参数，发现接触刚度系数与接触阻尼系数对吸引域大小没有影响；摩擦系数越大，行走的吸引域越大。这说明摩擦力是考虑弹性接触的被动行走稳定性的决定因素。为验证仿真模型结果，建立了含有测试系统的简单直腿被动行走实验模型。利用陀螺仪测量双腿摆角，利用薄膜力传感器测量足地接触的法向力。在不同行走介质上测试的结果，说明了摩擦力对行走稳定性的决定作用。利用测试得到的行走步态以及接触法向力曲线，与仿真模型结果进行了对比，二者吻合较好。这说明考虑足与地面弹性接触的被动行走模型是更加接近真实物理模型的。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章绪论  9-26
  1.1 被动行走研究概况  9-14
  1.2 被动行走器的动力学分析与实验研究概况  14-24
    1.2.1 被动行走器的动力学模型研究  14-17
    1.2.2 系统约束状态转换和足地接触的处理  17-20
    1.2.3 被动行走的非线性动力学与稳定性研究  20-23
    1.2.4 被动行走的实验研究  23-24
  1.3 本文的主要内容  24-26
第2章弹性接触的被动行走建模与仿真研究  26-49
  2.1 引言  26
  2.2 接触模型介绍以及接触参数的选取  26-30
  2.3 被动行走的动力学建模  30-33
  2.4 足地接触的切换方法  33-35
  2.5 稳定周期步态的仿真结果  35-40
  2.6 参数变化对被动行走步态影响  40-47
    2.6.1 模型参数对步态影响  40-44
    2.6.2 接触刚度系数对步态影响  44-45
    2.6.3 接触阻尼系数对步态影响  45-46
    2.6.4 摩擦系数对步态影响  46-47
  2.7 本章小结  47-49
第3章被动行走中的周期加倍与步态分岔现象研究  49-60
  3.1 引言  49
  3.2 被动行走的周期加倍现象  49-51
  3.3 步态分岔现象的出现  51-52
  3.4 参数对步态分岔的影响  52-58
    3.4.1 模型参数对步态分岔的影响  52-55
    3.4.2 接触刚度系数对步态分岔的影响  55-56
    3.4.3 接触阻尼系数对步态分岔的影响  56-57
    3.4.4 摩擦系数对步态分岔的影响  57-58
  3.5 本章小结  58-60
第4章被动行走的稳定性研究  60-75
  4.1 引言  60
  4.2 被动行走的不动点与吸引域  60-71
    4.2.1 Poincaré截面的选取  61-62
    4.2.2 不动点与 Floquet 乘子  62-65
    4.2.3 胞映射方法在被动行走模型中的应用  65-68
    4.2.4 被动行走的吸引域  68-71
  4.3 接触参数对被动行走吸引域的影响  71-73
    4.3.1 接触刚度系数对吸引域的影响  71-72
    4.3.2 接触阻尼系数对吸引域的影响  72-73
    4.3.3 摩擦系数对吸引域的影响  73
  4.4 本章小结  73-75
第5章被动行走的实验测试模型研究  75-95
  5.1 引言  75
  5.2 实验模型与实验环境介绍  75-81
    5.2.1 角速度与角度的测量  77-78
    5.2.2 接触法向力的测量  78-79
    5.2.3 测试系统的建立  79-81
  5.3 行走过程的测试结果  81-83
  5.4 足地接触过程的实验研究  83-87
  5.5 行走介质对被动行走的影响  87-91
  5.6 实验测试结果与仿真结果的对比  91-93
  5.7 本章小结  93-95
第6章结论与展望  95-98
  6.1 全文总结  95-96
  6.2 主要创新点  96
  6.3 展望  96-98
参考文献  98-103
致谢  103-105
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  105

弹性接触对被动行走多体系统动力学与稳定性的影响研究

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