摘要
在过去几年中，机器人在工业、军事、服务领域中引起了极大的关注。双足机器人以其移动迅速、灵活性高、环境适应能力强等特点，在面对复杂多变的环境中能够实现高效的运动，并替代人类去执行一些搜索和救援等危险的任务，逐渐成为国内外研究的热点。针对双足机器人的运动性能，本文以跳跃能力为核心，在实验室研发的双足机器人样机基础上，提出基于变刚度柔顺控制的双足机器人跳跃方法研究，主要内容如下： (1)基于双足机器人原理样机进行运动学和动力学建模。建立机器人足部位置与腰部位置的正逆运动学关系，实现机器人双腿位姿的完全解耦。然后利用拉格朗日法对腾空相和接触相的动力方程进行建模，获得机器人完整跳跃周期的动力学特性。 (2)针对机器人起跳阶段，提出基于弹簧倒立摆(SLIP)模型的跳跃运动规划方法。由于机器人双腿的设计具有对称性，将机器人单腿假设为单质点弹簧模型，以跳跃高度为期望指标，将模型质点映射到机器人腰部位置并进行离散化得到机器人腰部坐标序列点，通过逆解得到一系列关节角度组合，考虑到动作平滑性，最后利用三次样条插值的方法对机器人的各个关节进行轨迹规划从而实现机器人的起跳。 (3)针对落地阶段机器人受到的冲击力问题，通过引入阻抗模型让机器人腿部获得虚拟弹簧阻尼元件，提出基于阻抗控制的着陆缓冲方法。对于变刚度控制器，推导出虚拟刚度的控制方法和表达式，实现机器人双腿的虚拟刚度偏置。最后结合原理样机，描述出落地阶段机器人位姿控制器的控制框图。 (4)为了验证本文设计的起跳运动规划方法和变刚度阻抗控制器的有效性，我们进行了相关的仿真与实验。首先，我们验证基于SLIP模型的起跳运动规划方法是否实现机器人的起跳动作；接着对落地阶段的缓冲控制方法进行验证，观察机器人接触地面时受到的冲击力大小；最后我们在一个凹凸不平的地面上进行实验，以验证变刚度控制器是否能实现双腿刚度的偏置，从而进一步提高机器人落地时的稳定性。以上三部分仿真实验结果表明，本文提出的规划方法和设计的控制器能够实现机器人的起跳动作和稳定的缓冲着陆，并且表现出良好的性能。
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