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脚掌转动的跳跃机器人轨迹规划与落地稳定性分析

作　者: 徐鹏
导　师: 胡胜海
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 腿型跳跃机器人脚掌转动步态生成终端滑模跟踪控制落地稳定性
分类号: TP242
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近几十年来，腿型机器人一直成为移动机器人领域中的研究热点，有着较高的理论研究与应用价值。跳跃运动是腿型机器人的一种重要的运动方式，但是由于跳跃运动对于机器人有着高爆发性和变约束性要求，具有跳跃功能的腿型机器人是一个高度非线性、多变量、强耦合和变结构的复杂动力学系统，其驱动性能约束下的逾障规划和动态平衡控制的研究具有很大的挑战性。本文以电机和弹簧耦合驱动的平面腿型跳跃机器人为研究对象，考虑脚掌在起跳过程中绕脚尖发生转动，从提高机器人跳跃能力的角度，结合运动约束条件，对腿型跳跃机器人的动力学建模、跳跃步态生成、轨迹跟踪控制、落地稳定性等关键问题进行研究。针对腿型跳跃机器人跳跃过程中与地面间的变约束特性，在考虑脚掌绕脚尖转动的情况下，采用Lagrange方程建立包括连续动力学模型和碰撞相离散动力学模型在内的腿型跳跃机器人混杂系统的动力学模型，通过对机器人被动关节的动态分析得出模型动态切换条件。针对机器人规则地形下的跳跃运动规划问题，研究基于运动约束与最小能耗的平面腿型跳跃机器人稳定跳跃步态生成算法。该算法在考虑脚掌转动的情况下，分析完整跳跃周期中被动关节的表达式和机器人跳跃过程中所受到的运动约束条件，并基于最小能耗采用优化的思想进行平面腿型跳跃机器人稳定跳跃仿真试验。针对具有不确定性干扰的腿型跳跃机器人系统模型，研究基于非奇异终端滑模控制率的轨迹跟踪控制问题。考虑腿型跳跃机器人跳跃过程中的实际因素，建立基于Simscape的系统模型并进行相关的仿真。根据脚掌模型，分析存在脚掌转动的腿型跳跃机器人落地碰撞阶段的稳定性问题。存在脚掌转动的落地碰撞阶段腿型跳跃机器人系统稳定性问题是与该欠驱动系统零动态的稳定性相关。通过控制使系统输出为零，将零动态稳定性问题转化为系统闭环动力学方程的稳定性问题，得出存在脚掌转动的腿型跳跃机器人落地阶段的稳定性主要取决于机器人的结构参数和脚掌-地面接触面的性能参数。本文有关平面腿型跳跃机器人的动力学建模、跳跃步态生成、轨迹跟踪及落地稳定性分析方法，有助于提高腿型跳跃机器人的灵活性和运动能力，拓展腿型机器人的应用领域，在理论和应用上都具有一定的借鉴作用和参考价值。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-29
  1.1 课题研究的背景、目的及意义  11-12
  1.2 腿型跳跃机器人国内外研究现状  12-22
    1.2.1 点足式腿型跳跃机器人国外研究现状  13-18
    1.2.2 脚掌式腿型跳跃机器人国内外研究现状  18-22
  1.3 腿型跳跃机器人的关键技术  22-26
    1.3.1 分析模型与动力学建模  23-24
    1.3.2 跳跃步态生成  24-25
    1.3.3 机器人跳跃轨迹跟踪控制技术  25-26
    1.3.4 运动稳定性  26
  1.4 本文的主要研究内容  26-29
    1.4.1 研究内容  27-28
    1.4.2 体系结构  28-29
第二章考虑脚掌转动的腿型跳跃机器人动力学建模  29-47
  2.1 引言  29-30
  2.2 跳跃生物的生理结构与跳跃机理分析  30-32
  2.3 评估腿型跳跃机器人跳跃性能的参数  32-33
  2.4 考虑脚掌转动的腿型跳跃机器人运动模型分析  33-39
    2.4.1 脚掌模型与跳跃机器人数学描述  33-35
    2.4.2 考虑脚掌转动的一个完整的跳跃周期  35-37
    2.4.3 考虑脚掌转动的腿型跳跃机器人运动学分析  37-39
  2.5 考虑脚掌转动的腿型跳跃机器人动力学建模  39-45
    2.5.1 统一的连续动力学建模  39-41
    2.5.2 碰撞相离散动力学建模  41-42
    2.5.3 混杂系统模型的动态切换条件  42-45
  2.6 小结  45-47
第三章基于运动约束的腿型跳跃机器人步态生成  47-64
  3.1 引言  47-48
  3.2 完整跳跃周期中被动关节的解模型  48-49
  3.3 腿型机器人跳跃过程中的运动约束  49-53
    3.3.1 边界约束  50
    3.3.2 连续性与不连续性约束  50-51
    3.3.3 脚掌与地面间隙约束  51
    3.3.4 软着陆约束  51-52
    3.3.5 接触力约束  52
    3.3.6 系统质心运动约束  52-53
    3.3.7 直流伺服电机运动约束  53
  3.4 基于运动约束与最小能耗的腿型跳跃机器人步态生成  53-60
    3.4.1 跳跃步态生成算法  53-56
    3.4.2 机器人跳跃仿真实验  56-60
  3.5 腿型跳跃机器人跳跃仿真结果深入分析  60-63
    3.5.1 实现无碰撞跳跃的可能性  60-62
    3.5.2 起跳相重要性的探讨  62-63
  3.6 小结  63-64
第四章基于终端滑模策略的腿型跳跃机器人轨迹跟踪控制  64-82
  4.1 引言  64
  4.2 腿型跳跃机器人轨迹跟踪控制器设计  64-73
    4.2.1 滑模变结构控制理论简介  65-67
    4.2.2 轨迹跟踪的终端滑模控制律设计  67-69
    4.2.3 控制器渐进稳定性分析  69-73
  4.3 基于 SIMSCAPE 腿型跳跃机器人系统建模  73-78
    4.3.1 机器人机构建模  73-75
    4.3.2 传动系统建模  75-76
    4.3.3 直流电机建模  76-77
    4.3.4 腿型跳跃机器人系统建模  77-78
  4.4 仿真实验  78-80
  4.5 小结  80-82
第五章腿型跳跃机器人落地控制零动态设计及稳定性分析  82-99
  5.1 引言  82-83
  5.2 平面腿型跳跃机器人落地相等价模型  83-85
  5.3 落地阶段的切换零动态状态模型  85-87
  5.4 切换零动态的稳定性  87-91
  5.5 落地阶段的闭环动力学  91-96
  5.6 落地稳定性仿真实验  96-98
  5.7 小结  98-99
第六章平面腿型跳跃机器人样机研制与试验研究  99-117
  6.1 引言  99
  6.2 平面腿型跳跃机器人机构本体设计  99-105
    6.2.1 平面腿型跳跃机器人试验样机总体结构  99-101
    6.2.2 动力系统设计  101-102
    6.2.3 传动系统设计  102-103
    6.2.4 机器人脚掌设计  103
    6.2.5 弹性关节设计  103-105
  6.3 平面腿型跳跃机器人控制系统设计  105-110
    6.3.1 控制系统体系结构  105-108
    6.3.2 控制系统软件结构  108-109
    6.3.3 控制系统传感器  109-110
  6.4 平面腿型跳跃机器人试验研究  110-116
    6.4.1 机器人起跳试验  110-111
    6.4.2 机器人单周期稳定跳跃试验  111-114
    6.4.3 机器人扩展的跳跃性能试验  114-116
  6.5 小结  116-117
结论  117-118
参考文献  118-129
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  129-130
致谢  130-131
附录  131-133

脚掌转动的跳跃机器人轨迹规划与落地稳定性分析

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