單足彈跳機(jī)器人可變剛度柔性回轉(zhuǎn)髖關(guān)節(jié)及其特性研究.pdf

1、千百萬年優(yōu)勝劣汰的生物演進(jìn)使得足式動物逐步優(yōu)化完善著身體結(jié)構(gòu)和功能，其腿部的結(jié)構(gòu)使其能夠很好的實(shí)現(xiàn)跑跳運(yùn)動。足式機(jī)器人研究以對動物跑跳運(yùn)動的研究成果為參照，在腿部結(jié)構(gòu)和功能上進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)，雖已取得了眾多研究成果，但是關(guān)于髖關(guān)節(jié)在運(yùn)動中呈現(xiàn)出的回轉(zhuǎn)柔性及其對彈跳運(yùn)動產(chǎn)生影響鮮有涉足，因此本文針對這一問題展開研究，以期對髖關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)柔性在機(jī)器人運(yùn)動中的作用進(jìn)行分析并加以利用，借助對柔性關(guān)節(jié)剛度的調(diào)節(jié)來改變其彈跳運(yùn)動特性。在足式機(jī)器人中，這種特

2、性需通過可變剛度柔性回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來實(shí)現(xiàn)，這一特殊的應(yīng)用需求也為關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)以及運(yùn)動控制提出了挑戰(zhàn)。
　　針對可變剛度柔性回轉(zhuǎn)髖關(guān)節(jié)在單足彈跳機(jī)器人中的應(yīng)用研究，利用基于動力學(xué)方程的龐加萊映射不動點(diǎn)分析方法，針對基于柔性回轉(zhuǎn)髖關(guān)節(jié)的單足彈跳模型，研究了其在被動運(yùn)動下的彈跳運(yùn)動穩(wěn)定性，并通過對比自由回轉(zhuǎn)髖關(guān)節(jié)單足彈跳運(yùn)動特性分析了髖部柔性回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對運(yùn)動穩(wěn)定性的影響。繼而基于騰空相逆動力學(xué)控制改善了柔性回轉(zhuǎn)髖關(guān)節(jié)單足彈跳的不動點(diǎn)分布，并借助建

3、立能量消耗評價(jià)函數(shù)，研究了柔性回轉(zhuǎn)髖關(guān)節(jié)在彈跳運(yùn)動能量轉(zhuǎn)化中的作用。通過對典型不動點(diǎn)處不同關(guān)節(jié)剛度下的運(yùn)動能耗進(jìn)行分析，建立了不動點(diǎn)能耗與關(guān)節(jié)剛度的對應(yīng)，得出了髖關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)剛度對機(jī)器人彈跳運(yùn)動特性的影響。通過建立機(jī)器人單足彈跳虛擬樣機(jī)進(jìn)行了機(jī)器人彈跳實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證了理論分析結(jié)論的正確性，展示了柔性回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在單足彈跳運(yùn)動中的作用，為研究可變剛度柔性回轉(zhuǎn)髖關(guān)節(jié)的特性在單足機(jī)器人樣機(jī)彈跳運(yùn)動中的影響提供了指導(dǎo)。
　　繼而，在總結(jié)現(xiàn)有的可變

4、剛度柔性回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)構(gòu)型的基礎(chǔ)上，采用了基于運(yùn)動傳動比無級調(diào)節(jié)原理的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)思路，對傳統(tǒng)的杠桿傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，將其融合在可變剛度柔性回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)中；針對足式機(jī)器人應(yīng)用進(jìn)行了小型輕量化設(shè)計(jì)，滿足了其對關(guān)節(jié)的重量和體積較為嚴(yán)苛的要求，同時保持了較高的驅(qū)動能力。在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和關(guān)節(jié)剛度調(diào)節(jié)采用相對獨(dú)立的驅(qū)動鏈路，降低了其運(yùn)動耦合性，在一定程度上簡化了運(yùn)動控制結(jié)構(gòu)，為后續(xù)的單足機(jī)器人彈跳運(yùn)動控制奠定了良好的基礎(chǔ)。通過對關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的運(yùn)

5、動學(xué)分析初步得到了關(guān)節(jié)的剛度輸出特性，并通過仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　機(jī)器人彈跳中的腿部剛度調(diào)節(jié)通過關(guān)節(jié)剛度的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)，缺乏行之有效的關(guān)節(jié)動態(tài)剛度辨識做支撐這一目的很難實(shí)現(xiàn)。本文首先引入泰勒展開對可變剛度關(guān)節(jié)中的柔性力矩進(jìn)行線性化近似，通過進(jìn)行關(guān)節(jié)參數(shù)解耦消除了關(guān)節(jié)剛度調(diào)節(jié)參量在剛度調(diào)整過程中對關(guān)節(jié)力矩的影響；利用卡爾曼濾波算法對關(guān)節(jié)力矩線性表達(dá)系數(shù)進(jìn)行辨識。結(jié)合對關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動慣量以及阻尼系數(shù)的辨識，本文實(shí)現(xiàn)了對關(guān)節(jié)動態(tài)剛度的

6、辨識，并通過仿真實(shí)驗(yàn)對其有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上本文采用了基于剛度前饋的控制方法對關(guān)節(jié)輸出剛度嘗試進(jìn)行了閉環(huán)控制，通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了可行性驗(yàn)證，取得了良好的效果。
　　最后，本文建立了可變剛度柔性回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對關(guān)節(jié)的輸出剛度特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，證明了采用變傳動比杠桿機(jī)構(gòu)作為關(guān)節(jié)傳動核心部件可以有效實(shí)現(xiàn)對關(guān)節(jié)剛度的調(diào)整，繼而對關(guān)節(jié)剛度辨識和剛度控制方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，展示了可變剛度柔性回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)髖關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的可行性，驗(yàn)證了其具有