腿型跳躍機(jī)器人起跳階段運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、腿型跳躍機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)前沿課題，其起跳過程是一個(gè)多變量、變約束、欠驅(qū)動(dòng)、非線性的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)耦合過程，這為其關(guān)節(jié)空間起跳運(yùn)動(dòng)控制問題的研究帶來了很大的技術(shù)難度。本文以雙關(guān)節(jié)腿型跳躍機(jī)器人為研究對(duì)象，對(duì)其起跳階段進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，并研究了其在起跳階段關(guān)節(jié)空間的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問題。
　　首先，在分析各種腿型跳躍生物生理結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)特征的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并制作出了一種由電機(jī)和彈簧耦合驅(qū)動(dòng)的腿型跳躍機(jī)器人，并抽象建立了一種表達(dá)

2、機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型。將腿型跳躍機(jī)器人起跳階段劃分為站立相和欠驅(qū)動(dòng)相，利用坐標(biāo)系相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向余弦矩陣并結(jié)合矩陣運(yùn)算法則，建立了機(jī)器人在起跳過程中各構(gòu)件質(zhì)心與總質(zhì)心的位置、速度和加速度模型，揭示了機(jī)器人各質(zhì)心空間運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)參數(shù)和關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)之間的耦合關(guān)系。
　　其次，在腿型跳躍機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過質(zhì)點(diǎn)系的達(dá)朗貝爾原理，建立了腳掌處地面反力的力學(xué)模型，并分析得到了機(jī)器人進(jìn)入起跳欠驅(qū)動(dòng)相的判斷條件?？紤]關(guān)節(jié)彈性和腳掌

3、處地面反力的影響，分析了機(jī)器人在起跳階段中的動(dòng)能、勢(shì)能和非保守廣義力，采用Lagrange方法建立了機(jī)器人在起跳站立相和欠驅(qū)動(dòng)相的動(dòng)力學(xué)方程，并研究了腿型跳躍機(jī)器人起跳欠驅(qū)動(dòng)相時(shí)腳尖處產(chǎn)生的二階非線性運(yùn)動(dòng)約束。
　　再則，在機(jī)器人起跳階段運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)上，分析了機(jī)器人的起跳離地條件，得到了質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的邊界值條件，采用可變四次多項(xiàng)式插值方法首先規(guī)劃出了機(jī)器人的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡。從機(jī)器人質(zhì)心空問的速度水平上進(jìn)行了逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，求解

4、出了機(jī)器人起跳站立相關(guān)節(jié)空間的運(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)機(jī)器人處于起跳的欠驅(qū)動(dòng)相時(shí)，在機(jī)器人質(zhì)心空間的加速度水平上，將欠驅(qū)動(dòng)相產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)約束融入到了逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解過程中，完成了機(jī)器人在起跳欠驅(qū)動(dòng)相關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃。
　　最后，依照規(guī)劃出的關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)軌跡，分別進(jìn)行了虛擬樣機(jī)和實(shí)物樣機(jī)的起跳實(shí)驗(yàn)，將所得相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和處理。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和對(duì)比分析結(jié)果表明了機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，驗(yàn)證了本文建立的相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論模型的正確性，說明了從質(zhì)