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仿人机器人是复杂的动力学系统,其动力学建模与稳定性分析是实现机器人高性能稳定行走的理论基础,相关理论研究一直是仿人机器人领域有待深入研究的关键问题。
论文针对仿人机器人的一般结构,建立了完整的动力学模型,并在此基础上系统地研究了仿人机器人的动力学与稳定性问题。
首先利用影响系数法对仿人机器人下肢机构进行了运动学分析,得到了简捷的运动学计算表达式,进而建立了仿人机器人下肢结构的13杆动力学模型,该模型克服了传统的七杆模型没有考虑前摆与侧摆各驱动器之间耦合作用的不足。
在此模型基础上,采用影响系数法分析了超确定输入问题,并针对现有方法存在的问题,进一步利用广义逆矩阵对影响系数法进行了改进,提出了广义影响系数法。该法与原有的影响系数法相比,能够更加完整和有效地解决仿人机器人的超确定输入问题,克服了后者需要进行繁琐的机构改造,以及不能解决支链中存在6个以上五级运动副的冗余机构的超确定输入问题的缺点。广义影响系数法能够计算所有发生超确定输入问题的闭链机构的动力学逆问题。
行走稳定性是仿人机器人动力学特性的表征和体现,基于ZMP稳定性理论,论文提出了合静态稳定、滑动静态稳定等概念,从静态与动态角度分别对相应的四种主要运动方式进行了分类,研究了仿人机器人的多种稳定状态,分析了影响物体稳定性的5个因素,提出了定量计算物体稳定程度的稳定函数表达式。
根据仿人机器人动力学模型和稳定行走的特点,考虑机器人脚掌底面积大小对稳定性的影响,提出了稳定行走力学约束条件,并通过改进仿人机器人倒立摆模型,分析了仿人机器人实现动态稳定行走的几何阈值条件。
论文以清华大学精密仪器与机械学系制造所研制的THBIP-1型仿人机器人样机为实例,对论文所提出的理论和方法进行了计算分析与验证,获得了较为满意的结果。