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文档分类:医学/心理学

四足机器人跳跃步态参数分析及优化研究.pdf


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四足机器人跳跃步态参数分析及优化研究.pdf
文档介绍:
国内图书分类号:TP242.2 学校代码:10213
国际图书分类号:621.865.8 密级:公开



工学硕士学位论文

四足机器人跳跃步态参数分析及优化研究
(学术型)





硕士研究生: 王浩威
导师: 李满天
申请学位: 工学硕士
学科: 机械电子工程
所在单位: 机电工程学院
答辩日期: 2011 年 6 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
Classified Index: TP242.2
U.D.C: 621.865.8

Dissertation for the Master Degree in Engineering

PARAMETERS ANALYSIS AND
OPTIMIZATION OF QUADRUPED ROBOT WITH
BOUNDING GAIT
(Academic)




Candidate: Wang Haowei
Supervisor: Prof. Li Mantian
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Speciality: Mechatronics Engineering
Affiliation: School of Mechatronics Engineering
Date of Defense: June, 2011
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
四足机器人是足式机器人中静态稳定性比较好、机构的冗余和复杂程度比
较弱的一类,其灵活稳定、非连续支撑的运动特点在复杂未知的非结构化作业
环境中体现出良好的环境适应能力,这使得四足机器人的设计越来越受到研究
者的关注。然而,四足机器人设计的理论方面的研究进行的比较少,各种参数
对机器人整体性能的影响尚未得到充分的研究,而这些理论正是确定机器人设
计参数、优化机器人性能的重要依据。因此针对四足机器人参数的理论研究在
实际机器人的设计与控制中具有现实意义。
本课题来源于国家高技术研究发展计划(863 计划,No.
2011AA0403837002)和国家自然科学基金(No. 61005076),以跳跃步态下的四
足机器人为研究对象,基于仿生学的思想,采用数值仿真的方式,进行了四足
机器人跳跃步态下主要参数对机器人速度、步态和稳定性等性能的影响的研
究。
首先,分析了四足动物典型步态的特点,确定跳跃步态作为研究的主要对
象,进而建立了具有层次递进关系的模型。提出了基于模型等效的不动点搜索
策略,给出了稳定性判断、步长及方向选取和可靠性验证的方法。对四足机器
人平面模型的步态进行了探讨。
其次,采用量纲分析的方法,确定了模型的无量纲参数,大大提高了仿真
计算效率。针对于弹簧倒立摆模型,分析了其高度映射关系,给出了不动点的
分类、分布以及速度、高度等性能的变化规律,并研究了质量、弹簧刚度等对
系统性能的影响。针对于平面模型,分析了不同能量水平下的不动点分布规
律,发现了步态的分叉与混沌现象,确定了步态调整的具体方法,并对其应用
场合进行了探讨。分析了速度、高度等的分布规律,设计了速度的调整策略,
指出转动惯量、机器人形态以及弹簧刚度对机器人性能的影响。
最后,建立了四足跳跃机器人的仿真平台,设计了基于不动点映射规律的
控制策略,进行了四足机器人的起步实验和结果分析,指出质心前置和前腿腿
长减小等非对称布置对提高起步性能的改善机理,完成了速度和步态调整的仿
真实验,验证了理论分析的结果。

关键词:参数分析;稳定性;不动点;四足机器人;跳跃步态
- I -
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
Among legged robots, Quadruped robot is good at static stability and has low
redundancy plexity on mechanism. The characteristics such as flexibility and
isolated footholds provide quadrupeds better mobility on irregular, unknown
environments. Therefore, the design of quadrupeds es the research hotspots
recently. However, the theory on this has not been adequately studied and the impact
of parameters on the robot performance needs to be investigated systematically
which would benefits the design and optimization. Overall, the research of
quadrupeds parameters’ impact has practical significance in the design and control
of robots.
This thesis is supported by National Hi-tech Research and Development
Program of China (863 Program, Grant No. 2011AA0403837002), National Natural
Science Foundation of China (No. 61005076), Self-Planned Task
(NO.SKLR2008011B) of State Key Laboratory of Robotics and System (HIT). In
paper, based on the mechanisms of bionics and numerical simulation methods, we
carried out the research about the relation between parameters such as spring
stiffness and performance such as speed, stability for bounding gait.
Frstly, analyzed the characteristics of ty
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