关键词：
仿生四足机器人
柔性脊柱
运动协调性
柔顺控制
混合动力学
摘要：
四足哺乳动物是四足机器人研究的最佳蓝本,其灵活、柔顺和稳定的步态运动不仅得益于四肢的协调运动,脊柱在其中也发挥着至关重要的作用,加入柔性脊柱单元是进一步提高四足机器人运动灵活性和稳定性的重要措施。然而,脊柱的加入无疑增加了系统的复杂程度,使系统具有更高的维度和更强的非线性,因此脊柱关节与四肢的运动协调机理和运动控制也成为四足机器人研究的难点之一。为了揭示脊柱关节与四肢的运动协调性及其对运动性能的影响,本文以柔性脊柱型四足机器人为研究对象,重点围绕Trot步态下的运动协调性和运动控制两个问题开展研究,主要研究思路与内容包括以下几点:(1)在犬类运动协调性分析的基础上,提出了能够统一表达具有脊柱关节的四足运动的混合动力学模型。先从犬类的运动特性出发,通过对肢段运动协调性的分析获得了具有两个脊柱关节的运动模型。然后从动力学模型的角度出发,基于弹簧负载倒立摆模型对该运动模型进行了简化规约,根据步态运动的时序特点,通过连续动力学方程的建立以及事件判定函数和状态更新函数的定义,建立了具有脊柱关节的四足运动的混合动力学模型。最后通过庞加莱映射的构建和周期运动不动点的组合寻优,计算和分析了Trot步态下的动力学特性,说明了该混合动力学模型对于解释具有脊柱关节的四足Trot步态运动的仿生意义。(2)在动力学分析的基础上,揭示了脊柱关节与四肢的运动协调性及其对于足力特性和运动稳定性的影响。首先,以速度作为操控变量,分析了脊柱关节在不同速度下的运动协调一致性,该运动协调性与犬类的脊柱关节运动具有相似性。然后,通过对脊柱关节与腿部的刚度特性分析,揭示了脊柱关节与四肢的协调振荡特性。最后,通过与刚性脊柱型四足机器人模型的比较分析,说明了脊柱运动协调性对于足端受力的柔顺作用,并提出基于协调约束的混合控制方法,分析了运动协调性对于步态运动稳定性的作用。(3)根据动力学分析所展现的协调振荡特征,基于以力协同的方式引发协调运动的思想,提出了柔性脊柱型四足机器人的柔顺控制方法,实现了脊柱关节与四肢协调的Trot步态运动。首先,搭建了四足机器人运动的虚拟仿真环境,重点研究了运动控制方法的控制特性,通过与刚性脊柱型四足机器人的比较研究,证明了脊柱关节与四肢的协调性对于四足机器人运动柔顺性和稳定性的提升作用。然后,设计搭建了柔性脊柱型四足机器人的运动实验平台,实验研究不仅验证了运动控制方法的可行性,还通过不同控制方式的比较分析进一步验证了脊柱关节与四肢的协调性对于运动柔顺性的作用。本文通过犬类运动、动力学模型、虚拟模型的运动仿真和步态实验多个角度的研究分析,揭示了脊柱关节与四肢的运动协调性及其对于运动柔顺性和稳定性的作用,其研究成果为柔性脊柱在四足机器人中的拓展应用提供了理论指导和切实可行的控制方法,具有重要的理论意义和工程实践价值。
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