四足机器人跳跃步态参数分析及优化研究

论文摘要

四足机器人是足式机器人中静态稳定性比较好、机构的冗余和复杂程度比较弱的一类,其灵活稳定、非连续支撑的运动特点在复杂未知的非结构化作业环境中体现出良好的环境适应能力,这使得四足机器人的设计越来越受到研究者的关注。然而,四足机器人设计的理论方面的研究进行的比较少,各种参数对机器人整体性能的影响尚未得到充分的研究,而这些理论正是确定机器人设计参数、优化机器人性能的重要依据。因此针对四足机器人参数的理论研究在实际机器人的设计与控制中具有现实意义。本课题来源于国家高技术研究发展计划( 863计划, No. 2011AA0403837002)和国家自然科学基金(No. 61005076),以跳跃步态下的四足机器人为研究对象,基于仿生学的思想,采用数值仿真的方式,进行了四足机器人跳跃步态下主要参数对机器人速度、步态和稳定性等性能的影响的研究。首先,分析了四足动物典型步态的特点,确定跳跃步态作为研究的主要对象,进而建立了具有层次递进关系的模型。提出了基于模型等效的不动点搜索策略,给出了稳定性判断、步长及方向选取和可靠性验证的方法。对四足机器人平面模型的步态进行了探讨。其次,采用量纲分析的方法,确定了模型的无量纲参数,大大提高了仿真计算效率。针对于弹簧倒立摆模型,分析了其高度映射关系,给出了不动点的分类、分布以及速度、高度等性能的变化规律,并研究了质量、弹簧刚度等对系统性能的影响。针对于平面模型,分析了不同能量水平下的不动点分布规律,发现了步态的分叉与混沌现象,确定了步态调整的具体方法,并对其应用场合进行了探讨。分析了速度、高度等的分布规律,设计了速度的调整策略,指出转动惯量、机器人形态以及弹簧刚度对机器人性能的影响。最后,建立了四足跳跃机器人的仿真平台,设计了基于不动点映射规律的控制策略,进行了四足机器人的起步实验和结果分析,指出质心前置和前腿腿长减小等非对称布置对提高起步性能的改善机理,完成了速度和步态调整的仿真实验,验证了理论分析的结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及课题来源
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题背景
• 1.2 四足机器人研究现状与综述
• 1.3 课题主要研究内容
• 第2章 四足机器人模型建立及被动步态研究
• 2.1 引言
• 2.2 四足机器人模型建立与分析
• 2.2.1 四足机器人跳跃步态和弹跳步态
• 2.2.2 弹簧倒立摆模型
• 2.2.3 四足机器人平面模型
• 2.2.4 四足机器人模型之间的关系
• 2.3 四足机器人跳跃步态不动点搜索策略
• 2.3.1 被动行走
• 2.3.2 庞加莱映射及不动点
• 2.3.3 基于模型等效的不动点搜索策略
• 2.3.4 数值仿真过程中的几个问题
• 2.4 四足机器人平面模型步态定义与分类
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于性能指标的机器人参数配置研究
• 3.1 引言
• 3.2 模型量纲分析及仿真环境设定
• 3.2.1 量纲分析基本理论及主要步骤
• 3.2.2 弹簧倒立摆模型量纲分析
• 3.2.3 平面模型量纲分析
• 3.2.4 模型仿真参数以及仿真环境设置
• 3.3 弹簧倒立摆模型参数研究
• 3.3.1 模型高度映射研究及结果分析
• 3.3.2 不动点分布范围及速度、高度变化规律
• 3.3.3 相对弹簧刚度对系统的影响
• 3.4 平面模型参数研究
• 3.4.1 不同能量水平下不动点分布及规律
• 3.4.2 分叉和混沌现象
• 3.4.3 步态分布及步态调整
• 3.4.4 不动点性能指标的分布规律
• 3.4.5 转动惯量对系统的影响研究
• 3.4.6 相对躯干半身长对系统的影响研究
• 3.4.7 相对弹簧刚度对系统的影响研究
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于虚拟样机的仿真实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 三维模型建立和仿真环境设置
• 4.3 仿真控制策略研究
• 4.4 起步控制实验及结果分析
• 4.5 速度调整仿真实验
• 4.6 四足跳跃机器人稳定性仿真实验
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢