【摘 要】
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本文主要针对平板足被动行走机器人动力学特性和实验进行研究。该机器人足型与人体接近,具有结构简单、步态自然、耗能低、通用性高等优点,是被动行走领域的重要分支。在重力作用下平板足被动行走机器人能够沿着斜坡稳定行走,其动力学特性完全取决于动力学参数和系统初值。因此本文主要通过动力学参数和系统初值分析平板足被动行走机器人的动力学特性。本文首先介绍平板足被动行走机器人理论模型,分析模型的单步运动过程,并将其
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本文主要针对平板足被动行走机器人动力学特性和实验进行研究。该机器人足型与人体接近,具有结构简单、步态自然、耗能低、通用性高等优点,是被动行走领域的重要分支。在重力作用下平板足被动行走机器人能够沿着斜坡稳定行走,其动力学特性完全取决于动力学参数和系统初值。因此本文主要通过动力学参数和系统初值分析平板足被动行走机器人的动力学特性。本文首先介绍平板足被动行走机器人理论模型,分析模型的单步运动过程,并将其划分为四个阶段:第一、第三阶段为摆动,第二、第四阶段为碰撞;同时基于拉格朗日方法和角动量守恒定律建立机器人混合动力学方程,并使用四阶龙格库塔法对方程进行求解,以及分析平板足被动行走机器人的周期步态和能量变化规律。然后使用Poincaré截面法研究斜面倾角、脚跟、脚掌、质心位置等参数变化时对平板足被动行走机器人动力学特性的影响;并使用正交扰动法求解非光滑机器人系统的李雅普诺夫指数,并对机器人分岔动力学进行验证。同时,使用周期稳定相图研究机器人在二维参数空间内的动力学特性演化规律,发现周期3和周期6等高周期步态的存在。利用Floquet乘子法和胞映射法分析机器人系统的局部稳定性和全局稳定性,结合周期稳定相图、二维吸引域、极限环、分岔图发现平板足被动行走机器人系统存在周期1与周期3吸引子共存现象,以及周期3和周期6步态存在于多种参数组合下,证明了平板足被动行走机器人具有步态多样性的优点。最后使用SolidWorks设计多组不同脚跟、脚掌的机器人仿真模型,并使用ADAMS对仿真模型进行动力学分析。同时对平板足被动行走机器人样机进行研制,并为其搭建倾斜角度可调的实验平台。在实验平台上进行样机实验,并使用Qualisys系统捕捉样机的运动轨迹,以及统计每次实验中机器人行走的步数、前倒和后倒的次数。仿真和实验结果表明:适当增加斜坡倾角、平板足的长度、脚掌略大于脚跟均有利于提高平板足被动行走机器人的稳定性。
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