脊柱型四足机器人跳跃步态动力学建模及特性分析.docx

国内图书分类号: 学校代码:10213
国际图书分类号: 密级:公开
工程硕士学位论文
脊柱型四足机器人跳跃步态动力学建模及特性研究
硕士研究生
:
蔡昌荣
导 师
:
李满天副教授
申 请 学 位
:
工程硕士
学科、专业
:
机械电子工程
所 在 单 位
:
机电工程学院
答 辩 日 期
:
2013 年 7 月
授予学位单位
:
哈尔滨工业大学
Classified Index: :
Dissertation for the Master Degree in Engineering
DYNAMIC MODELING AND CHARACTER RESEARCH OF SPINAL QUADRUPED ROBOT WITH BOUNDING GAIT
Candidate:
Cai Changrong
Supervisor:
Prof. Li Mantian
Academic Degree Applied for:
Master of Engineering
Speciality:
Mechatronics Engineering
Affiliation:
School of Mechatronics Engineering
Date of Defense:
July, 2013
Degree Conferring Institution:
Harbin Institute of Technology
摘 要
四足机器人能够以最好的稳定性和最低的复杂性快速通过非结构化环境。人们对机器人高速、高能效和灵活性提出越来越高的要求,而目前的机器人大多只能实现静步态行走或者低速动态奔跑。而生物学研究表明,跳跃步态是动物使用的典型的对称中高速步态,并且很多足类动物使用脊柱为运动提供额外的动力和灵活性。而相应的脊柱型机器人理论和控制的研究却少之又少,通过脊柱型四足机器人跳跃步态的研究有益于进一步明晰脊柱作用机理,对高速动态奔跑机器人的研制具有现实而重要的意义。
本课题来源于国家自然科学基金()资助项目“脊柱型四足机器人能量自循环及结构、运动参数优化研究”,以跳跃步态下的带脊柱的四足机器人为研究对象,旨在解决脊柱型四足机器人的动力学建模、稳定跳跃步态控制、分析能量自循环机理及机构、运动参数优化等相关领域的问题。
论文进行了四足动物步态和脊柱运动的特点分析,确定了带脊柱的四足机器人的跳跃步态作为研究对象,建立了能够满足分析需求的简化模型及相应的动力学方程。分析了关节型脊柱力位约束对系统性能的影响。肯定了脊柱环节引入对机器人速度峰值的提高作用。提出了“变肩髋距的脊柱控制策略”,为机器人脊柱的实际控制提供一种有效的解决方案。
为满足“高效、高加速度”和着地相更精确速度控制的控制目标,根据相应的动力学模型和脊柱作用机理假设,建立了新的脊柱型四足机器人跳跃步态水平速度、跳跃高度及俯仰角控制方法。为高速奔跑的四足机器人的研制创造了条件。
最后,搭建了四足机器人跳跃步态的联合仿真平台,在此平台上验证了脊柱型四足机器人控制方法的有效性及脊柱对水平速度、竖直高度和俯仰角等系统控制量性能的影响。
关键词:四足机器人;跳跃;脊柱;水平速度;竖直高度; 俯仰角
Abstract
Quadruped robot can go through unstructured environment fast with the best stability and the plexity. Higher and higher petitions of robot‟s speed, efficiency and flexibility were asked by people, while most of the robots nowadays can only realize static walking or low speed dynamic running. However, the biological study shows that bounding gait is a typically used symmetrical mid-high-speed gait in animals .And many legged animals use spine to provide additional power and flexibility. While the corresponding study on spinal robot theory and control