腿式跳跃机器人运动规划与稳定性恢复研究

摘要

腿式跳跃机器人具有很强的移动性、灵活性和地形适应性,是移动机器人研究领域中的一个前沿应用课题,在家庭服务、医疗娱乐、星际探测、军事侦察、反恐救灾等领域有着极其广泛的应用前景。
　　 腿式跳跃机器人是一个非线性、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问题的研究具有很大的挑战性。本文以不带弹性元件、完全电机驱动的多关节腿式跳跃机器人为研究对象,从提高机器人运动能力的角度,结合驱动约束条件,对腿式跳跃机器人的动力学建模、运动规划与优化、稳定性恢复控制等关键问题进行了研究,并通过仿真实验和机器人实体试验进行了验证。论文的主要工作如下:
　　 (1)腿式机器人跳跃运动的特征量提取
　　 基于生物的跳跃形态和人体跳跃运动捕捉试验,从生物力学、仿生学和机器人学的角度分析了影响跳跃运动的主要因素,采用起跳姿态、广义负载和上肢运动三个特征量刻画机器人的跳跃运动性能。
　　 (2)腿式跳跃机器人的动力学建模
　　 跳跃运动的腾空相参考基座是浮动基,具有动量矩守恒的非完整约束；站立相的参考基座是固定基,具有完整约束。针对变约束特性,采用Lagrange浮动基方法,推导了跳跃机器人的变约束动力学模型。
　　 (3)腿式机器人的跳跃逾障运动规划
　　 为提高机器人的地形适应能力,给出了基于模型综合与解耦策略的腿式机器人跳跃逾障运动规划方法。该方法先将腿式机器人的上身等效为一个具有惯量特性的刚体,根据跳跃姿态和障碍物,运用内在动力学,规划运动综合模型的跳跃逾障运动；接着基于等效刚体的COM可操作度,运用开环可操作度优化方法进行冗余度分解,规划冗余关节的运动。
　　 (4)腿式机器人跳跃运动的特征量优化
　　 视腿式跳跃机器人为持有末端载荷的冗余机械臂,从力与运动传递性能的角度,结合起跳动力学约束条件,给出了跳跃运动的特征量优化方法。该方法运用惯性匹配方向可操作度优化了跳跃运动的三个特征量,通过特征量的优化提高了跳跃性能。惯性匹配方向可操作度作为一种动力学评价指标,度量了机器人在跳跃任务下的跳跃高度。
　　 (5)腿式跳跃机器人的稳定性恢复控制
　　 基于驱动性能约束,给出了落地冲击力作用下的稳定性恢复控制方法。该方法运用ZMP可操作椭圆规划了跳跃步态,当机器人有足够的驱动能力进行自运动姿态调整时,采用ZMP平面映射法进行稳定性恢复；当机器人的驱动能力不足时,通过步态调整使机器人重获稳定。
　　 (6)人体运动捕捉与机器人跳跃运动试验
　　 为了验证本文所给出方法的有效性,分别构建了人体运动捕捉和机器人跳跃运动的试验平台。利用三维图像检测系统,通过人体跳跃运动的捕捉,分析了影响跳跃性能的主要特征因素；研制了两类跳跃机器人试验样机,分别验证了跳跃运动特征量优化方法的有效性,以及落地冲击下稳定性恢复控制策略的实用性。
　　 本文有关跳跃机器人的动力学建模、运动规划、运动优化以及地面冲击力作用下的稳定性恢复控制方法,有助于提高机器人的灵活性和运动能力,拓展机器人的应用领域,在理论和应用上都具有一定的借鉴作用和参考价值。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 国外腿式跳跃机器人研究现状

1.2.1 弹性负载倒立摆模型

1.2.2 气液驱动多关节模型

1.2.3 弹性元件与电机联合驱动多关节模型

1.2.4 完全电机驱动多关节模型

1.3 国内腿式跳跃机器人研究现状

1.4 跳跃机器人理论及方法研究现状

1.4.1 运动规划与优化

1.4.2 运动稳定性

1.5 存在的问题与本文的研究目标

1.5.1 存在的问题

1.5.2 本文研究目标

1.6 本文研究内容

1.6.1 研究内容

1.6.2 体系结构

第二章 跳跃运动特征和跳跃机器人动力学建模

2.1 引言

2.2 生物的跳跃形态

2.2.1 昆虫的跳跃形态

2.2.2 动物的跳跃形态

2.2.3 人类的跳跃形态

2.3 腿式机器人跳跃运动的特征量

2.3.1 影响生物跳跃性能的主要因素

2.3.2 衡量生物跳跃运动的主要运动学和动力学参数

2.3.3 评估腿式机器人跳跃性能的特征量

2.4 腿式机器人动力学建模的几个关键问题

2.4.1 约束类型

2.4.2 摩擦力模型

2.4.3 碰撞模型

2.5 腿式跳跃机器人动力学建模

2.5.1 腿式跳跃机器人数学模型

2.5.2 腾空相动力学

2.5.3 站立相动力学

2.5.4 接触碰撞相动力学

2.5.5 碰撞消振方法

2.6 小结

第三章 腿式机器人跳跃逾障运动规划

3.1 引言

3.2 腿式跳跃机器人运动综合模型

3.3 运动综合模型的跳跃逾障规划

3.3.1 障碍物与跳跃运动

3.3.2 腾空相运动规划

3.3.3 落地碰撞相运动规划

3.3.4 站立相轨迹规划

3.4 冗余度关节的运动规划

3.4.1 COM雅克比矩阵

3.4.2 冗余机器人逆运动学

3.4.3 COM可操作度

3.4.4 基于开环可操作度优化方法的冗余度分解

3.4.5 移动最小二乘

3.5 仿真实验

3.5.1 运动规划流程

3.5.2 综合模型跳跃逾障仿真

3.5.3 冗余关节规划仿真

3.6 小结

第四章 基于惯性匹配方向可操作度的跳跃运动优化

4.1 引言

4.2 可操作度和可操作椭球

4.3 惯性匹配

4.3.1 传动系统的惯性匹配

4.3.2 腿式跳跃机器人的惯性匹配

4.4 惯性匹配可操作度

4.5 惯性匹配方向可操作度

4.6 跳跃运动特征量优化

4.6.1 起跳姿态优化

4.6.2 广义负载优化

4.6.3 上肢运动优化

4.7 仿真实验

4.8 小结

第五章 腿式跳跃机器人稳定性恢复控制

5.1 引言

5.2 ZMP可操作椭圆

5.3 ZMP可操作椭圆与步态规划

5.3.1 支撑区域与ZMP可操作椭圆有交集

5.3.2 支撑区域与ZMP可操作椭圆没有交集

5.4 基于ZMP平面映射的稳定性恢复控制

5.4.1 COM平面

5.4.2 ZMP平面

5.4.3 ZMP平面映射法

5.4.4 稳定性恢复控制算法

5.5 仿真实验

5.5.1 冲击下的加速度正交映射控制

5.5.2 冲击下的加速度比例映射控制

5.6 小结

第六章 人体运动捕捉与机器人跳跃运动试验

6.1 引言

6.2 人体运动捕捉

6.2.1 三维图像检测系统

6.2.2 人类跳跃运动关键点捕捉

6.3 跳跃机器人控制系统

6.3.1 控制系统结构

6.3.2 控制系统软件

6.3.3 控制系统传感器

6.4 跳跃机器人运动优化试验

6.5 落地冲击力下的稳定性恢复试验

6.6 小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 创新点

7.3 研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间已发表或录用的论文