跳跃机器人轨迹规划及控制仿真研究.pdf

哈尔滨工程大学
硕士学位论文
跳跃机器人轨迹规划及控制仿真研究
姓名:何蕾
申请学位级别:硕士
专业:机械设计及理论
指导教师:胡胜海
20110311
!摘要型。并利用梯度投影法求解主动关节轨迹。针对求解过程易出现动力学奇异这一问题做跳跃机器人具有运动灵活度高,环境适应力强等优点,可广泛应用于考古探测、星际探索、军事侦察、地质勘探、森林防护、抢险救灾以及反恐救援等地势复杂的情况。近三十年来,对跳跃机器人的研究大都集中于腿型跳跃机器人。这种跳跃机器人仿生度高,运动灵活性好,但是由于其高度非线性和强耦合特性,增加了运动分析和控制的难度。本文将跳跃机器人抽象成一个平面冗余机器人,分阶段分析了跳跃机器人运动学和动力学特性。通过引入虚拟被动关节,建立了跳跃机器人浮动基模型,利用拉格朗日方法推导了跳跃运动统一的动力学方程,从约束变换角度区分运动的不同阶段,并给出了离地的判断条件。根据跳跃机器人起跳阶段和落地阶段任务空间的要求,利用可变五次多项式分别规划了跳跃机器人起跳阶段和落地阶段任务空间轨迹。利用梯度投影法求解起跳阶段关节空间轨迹,并从速度可操作性和动能最优方面对关节空间轨迹进行优化。在分析腾空相跳跃机器人的欠驱动特性基础上,推导了跳跃机器人等效全驱动模出了探讨。综合运用/和/仿真平台,建立了跳跃机器人控制器模型和机构模型,对跳跃机器人进行了关节空间轨迹跟踪控制仿真分析。利用跳跃机器人浮动基模型,建立了跳跃机器人状态空间模型。采用设计趋近律的方法在任务空间上设计滑模控制器,直接对任务空间轨迹进行控制。在/和/仿真环境下对控制系统进行仿真,检验了控制算法的有效性。本论文的研究工作,对腿式跳跃机器人的建模、轨迹规划和控制具有一定的参考价值。关键词:跳跃机器人;轨迹规划;浮动基;欠驱动:滑模控制跳跃机器人轨迹规划及控制仿真研究
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第绪论课题研究背景及意义跳跃机器人国内外研究现状及发展趋势跳跃是自然界赋予生物的一种重要运动形式,跳跃运动的优势在于地形适应性和高应用前景,可应用于地势复杂,存在障碍物或沟渠,甚至存在危险的情况,诸如考古探生度高,运动灵活性好,但是由于其高度非线性和强耦合特性,增加了运动分析和控制的难度。针对腿式机器人的运动规划和控制,国内外已有一些研究成果。这些成果都是力差,结论不具有普遍意义。由此,跳跃机器人的运动规划和控制需要进行更深入的研跳跃机器人的本体部分可以简称为弹跳机构。弹跳机构可大致分为产生弹力的简单和仿生跳跃机器人。体结构或按跳跃运动机理制作的机器人。如机器蟋蟀、机器跳蚤、机器袋鼠及机器马等。效性,具有跳跃运动能力的机器人的活动范围大大得到了提高。跳跃机器人具有广泛的测、星际探索、军事侦察、地质勘探、森林防护、抢险救灾以及反恐救援等活动。目前,跳跃机器人以其突出的逾障能力、优秀的地形适应和自主运动能力、强的低重力空间活动能力、低能耗等特点,越来越吸引研究者的目光和研究兴趣。此外,跳跃机器人的研究有助于对生物奔跑、跳跃运动机理的深入了解,对改善目前步行或爬行等迟缓运动方式有很好的启发意义。近三十年来,对跳跃机器人的研究大都集中于腿型跳跃机器人。这种跳跃机器人仿针对具体的机器人结构,并且做了大量模型简化和适当的假设之后得到的,模型推广能究。本文将跳跃机器人抽象平面多关节串联机器人形式,在分析跳跃机器人运动学动力学特性的基础上,分阶段规划了跳跃机器人运动轨迹,并分别在关节空间和任务空间对机器人做了轨迹跟踪控制。本文的研究对跳跃机器人运动规划和控制方法有一定的参考价值。机构和仿生弹跳机构。按弹跳机构的运动机理不同可以将跳跃机器人分为弹跳式机器人弹跳式机器人按能量积累的方式不同又可分为钟摆型、弹射型和混合型等。这类机器人具有自由度少,模型简单,跳跃易于实现的特点。仿生跳跃机器人是模仿生物的肢它们的特点是自由度多,运动灵活,对环境的适应能力强,但其跳跃运动需要多关节协第滦髀
.,实现稳定运动难度较大。跳跃机器人的发展经历了从简单的弹跳机器人到复杂的仿生弹跳机器人的过程,目前跳跃机器人总的发展趋势是向微型化、智能化和仿生化方向发展。跳跃机器人的研究起源于年麻省理工学院淌诨魅耸笛槭已兄频牡另一种较早的弹跳机器人机构模型为渤艫。它的结构类似于倒转的双钟摆,如图所示。该机构仅有一个旋转自由度和一个动力源,位于其关节处。机构弹跳是通过加速其质心使其底部逐渐失去与地面的接触来实现的。的构造类似于脑缙诘ネ鹊梗湫9亟谕被钩涞逼胶獗鄣淖饔胕并通过补偿抢词迪制渎