無膝雙足被動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性和穩(wěn)定性研究.pdf

1、雙足被動(dòng)機(jī)器人具有簡單的結(jié)構(gòu)、少量的控制、自然的步態(tài)和類似于人類步行的能量效率等優(yōu)點(diǎn)，是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)嶄新而重要的分支，近年來已成為研究的熱點(diǎn)。當(dāng)前被動(dòng)機(jī)器人研究存在基礎(chǔ)理論尚不完善、運(yùn)動(dòng)機(jī)理尚不明朗和行走穩(wěn)定性差等問題。為了更準(zhǔn)確地理解雙足被動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)特征，加強(qiáng)模型研究對實(shí)際樣機(jī)研制的指導(dǎo)作用，本文采用了Matlab數(shù)值仿真和Adams仿真驗(yàn)證的方法深入分析和研究了無邊輪輻和無膝雙足被動(dòng)模型的運(yùn)動(dòng)特性及穩(wěn)定性問題，并通過

2、樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真分析的結(jié)論。
　　首先，給出無邊輪輻和無膝雙足被動(dòng)機(jī)器人的物理模型，分析了模型結(jié)構(gòu)特征和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。將其每步運(yùn)動(dòng)過程分為擺動(dòng)和碰撞兩個(gè)階段，根據(jù)拉格朗日方程和角動(dòng)量守恒方程準(zhǔn)確建立這兩個(gè)模型的動(dòng)力學(xué)方程。
　　其次，利用Adams對被動(dòng)無邊輪輻進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，分析各參數(shù)，包括輪輻質(zhì)心初速度、輪輻質(zhì)量、輻條的足半徑、輻條數(shù)、輻條長度、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和斜面坡度對無邊輪輻穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的影響；利用Matlab數(shù)值仿真和Adam

3、s仿真驗(yàn)證的方法，詳細(xì)深入分析無膝雙足被動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性；根據(jù)龐加萊映射的原理，利用局部線性化的理論和Newton-Raphson迭代方程求解了雙足被動(dòng)機(jī)器人的穩(wěn)定不動(dòng)點(diǎn)，并描述了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中可能出現(xiàn)的周期分岔現(xiàn)象；同時(shí)結(jié)合無邊輪輻和無膝雙足模型的特點(diǎn)，在Adams中構(gòu)建了帶軀體無膝被動(dòng)模型并分析了其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。
　　然后，根據(jù)龐加萊映射原理，利用局部線性化方法，通過求出模型雅克比矩陣特征值的模對無膝雙足被動(dòng)模型局部穩(wěn)定性進(jìn)行了

4、詳細(xì)分析；根據(jù)胞映射的理論通過求解模型穩(wěn)定吸引域的方法對雙足被動(dòng)模型全局穩(wěn)定性進(jìn)行分析，詳細(xì)分析了各參數(shù)（腿質(zhì)量、腿的質(zhì)心位置、足半徑、腿相對質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、腿長、斜面坡度和髖關(guān)節(jié)質(zhì)量）對機(jī)器人行走穩(wěn)定性的影響；同時(shí)分析各參數(shù)對被動(dòng)機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)形態(tài)（步長、步速和步態(tài)周期）的影響；并用Adams驗(yàn)證了通過提高髖關(guān)節(jié)質(zhì)量和增加足半徑能提高雙足被動(dòng)模型的穩(wěn)定行走的魯棒性。
　　最后，根據(jù)雙足被動(dòng)模型穩(wěn)定性分析的結(jié)論，獲得了被動(dòng)模型一個(gè)