双足被动行走机器人动力学参数匹配问题分析与实验研究

扫码查看

原文链接

NETL

中文摘要：相对于传统主动双足行走机器人，被动双足行走机器人具有结构与控制简单、步态自然、能耗低等优点。这种纯被动行走机器人不需要任何电机驱动输入，其行走稳定性完全由初始条件和动力学参数决定。为了实现机器人稳定行走，动力学参数匹配问题研究成为被动行走机器人领域至关重要的课题。目前被动行走机器人参数研究大多涉及一维参数或特定离散参数组，缺少对参数协同作用的影响研究，难以充分反映被动步态演化信息，且很少有通过直接采集样机实验数据开展参数研究。本文首先给出双足被动行走机器人力学模型，分析了模型运动过程并将其单步运动分为摆动和碰撞两个阶段，利用拉格朗日方法和角动量守恒定律建立动力学方程并对方程进行了无量纲处理。其次，利用标准四阶龙格库塔法求解了定参数下被动行走机器人步态，详细分析了周期一步态中运动特性与能量变化;利用Poincaré截面法和混合步长的龙格库塔法求解了机器人稳定周期步态，讨论了一维参数，包括圆弧足半径、质心位置、转动惯量和斜面倾角变化对机器人步态的影响;利用非光滑系统的李雅普诺夫指数计算方法求解了机器人系统的李雅普诺夫指数，并对分岔动力学行为进行了验证;着重描述了二维参数平面内机器人丰富的步态演变信息，分析了参数协同作用对机器人步态的影响。然后，借助三维软件SolidWorks设计了具有不同参数的机器人仿真模型，将模型导入ADAMS中，设置了合理的仿真环境并对模型进行了动力学仿真，根据仿真结果分析了圆弧足半径和斜面倾角改变对机器人运动特性的影响，同时通过将仿真结果与理论曲线对比，验证了参数变化影响的理论分析结果。最后，设计并研制了可调结构的双足被动行走机器人样机，搭建了稳定可靠的行走实验平台控制系统;为了研究圆弧足半径、转动惯量和斜面倾角改变对机器人行走稳定性与运动特性的影响，在此样机平台上开展了多组实验，一方面利用数学统计方法计算机器人成功行走占比并以此评价各参数对行走稳定性的影响;另一方面利用Qualisys Track Manager(QTM)软件和四个Oqus相机精确捕捉机器人运动轨迹并处理实验数据;结果表明，实验曲线与理论曲线基本吻合，很好地验证了理论与仿真分析的正确性。

作者：

张婉婉

展开 >

关键词：

双足被动行走机器人动力学参数拉格朗日法角动量守恒定律

授予学位：

硕士

学科专业：

工程硕士

导师：

高建设

学位年度：

2021

学位授予单位：

郑州大学

语种：

中文

中图分类号：