被动双足机器人的3D行走运动机理及稳定性研究

摘要

被动双足机器人具有步态自然、能量效率高和控制方法简单甚至无需任何控制等优点，因此逐渐成为机器人领域热点研究内容之一。当今被动双足机器人的研究热点主要集中在矢状面内的平面行走，而对3D行走的研究相对较少，3D行走尚存在着运动机理研究不够清晰、行走稳定性有待提高等问题。为深入研究被动双足机器人，提高其3D行走稳定性，并尽量保持其被动特性，本文以动力学系统方程为基础，采用MATLAB数值求解、ADAMS仿真以及MATLAB&ADAMS联合仿真为手段对被动机器人的运动机理、稳定性等问题进行深入分析和研究，研制机器人实体样机进行侧向摆动实验和3D行走实验，对所提出的提高机器人行走稳定性的方法进行验证。
　　首先，建立被动双足机器人物理模型，提出在机器人髋部引入可往复运动的质量振子，用以补充机器人侧向摆动过程中的能量损失和调节机器人侧向摆动的节奏。根据其行走特点，采用Lagrange方程和角动量守恒定律分别建立摆动阶段和碰撞阶段的动力学系统方程，并进行无量纲化处理。
　　其次，在矢状面内采用庞加莱映射和Newton-Raphson迭代相结合的方法求解机器人前向行走的不动点，在冠状面内采用连续数值积分的方式求得机器人本体在正弦运动振子作用下的稳定不动点，以不动点为基础分析机器人的运动机理以及周期运动的特性；在基本模型的基础上提出参数敏感度的概念，并详细分析机器人本体和质量振子的各个参数变化对机器人相关周期运动特性产生的影响。
　　然后，在矢状面内，分别应用Floquet乘子理论、点-胞映射综合法对机器人局部稳定性和全局稳定性进行分析，对各物理参数的参数敏感度以及各物理参数对稳定性的影响趋势进行研究；在冠状面内，通过对振子进行PD控制，使其侧向摆动能够以稳定的周期持续摆动下去，为摆动腿提供足够大的足地间隙，避免发生擦地现象。
　　最后，研制机器人虚拟样机，进行2D行走、侧向摆动和3D行走的动力学仿真，仿真结果表明机器人在矢状面和冠状面都具有较好的稳定性，证实了在振子调节作用下机器人可实现稳定的3D行走；制作机器人实体样机，进行机器人侧向摆动实验和3D行走实验，通过未引入振子和引入振子的对比实验验证了动力学模型的准确性和引入振子的有效性。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源

1.2 课题研究背景与意义

1.3 被动双足机器人国内外研究现状

1.4 本课题研究目标和研究内容

第2章 被动双足机器人动力学模型

2.1 引言

2.2 被动双足机器人物理模型

2.3 被动双足机器人动力学模型

2.4 本章小结

第3章 被动双足机器人3D行走运动机理研究

3.1 引言

3.2 运动机理研究

3.3 参数影响研究

3.4 本章小结

第4章 被动双足机器人3D行走稳定性研究

4.1 引言

4.2 矢状面前向行走的稳定性研究

4.3 参数变化对前向运动稳定性的影响分析

4.4 冠状面侧向摆动的稳定性研究

4.5 本章小结

第5章 机器人样机研制、动力学行走仿真及行走实验

5.1 引言

5.2 样机研制

5.3 虚拟样机动力学行走仿真

5.4 物理样机行走实验

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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