具有主-被动变刚度柔性关节的足式机器人单腿动态特性研究
发布时间：2021-07-23 00:47
随着社会的进步,在复杂和危险的环境中工作的移动机器人引起越来越多的关注,足式机器人凭借其离散的落脚点的方式能够在复杂多变的地面灵活运动,然而当前研究在生物运动机理的研究还未深入,现已研发的机器人呈现出“形似而神不似”的问题,存在很多技术难点。本文针对目前足式机器人回转关节大多引入刚性驱动,能量利用率低及触地冲击等问题,对基于主-被动变刚度的柔性关节的足式机器人的单腿进行了机械本体的研发,并且研究了其单腿跳跃的动态特性。主要研究内容和创新性成果如下:首先,基于仿生学,研发了一款具有3自由度的具有主-被动变刚度柔性关节的串联单腿样机。对单腿的机构进行了优化设计,建立运动学模型进行空间运动优化分析,分析验证主动和被动变刚度理论的正确性和可行性。其次,针对被动状态下单腿原地竖直跳跃运动的适应性和稳定性问题,基于能耗角度分析角度,应用Hertz接触（弹簧阻尼）模型理论,引入主-被动变刚度的柔性回转关节的弹性输出力矩函数模型,建立了考虑足与地面弹性接触的二维被动竖直弹跳模型,进行动力学研究。然后,分析了在主动控制状态下,采用拉格朗日建模法,充分考虑电机内部阻尼参数对柔性弹腿系统跳跃的影响。在同一种...
【文章来源】：河北工业大学天津市 211工程院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
移动机器人从刀耕火种的年代开始，充满智慧的人类就开始利用工具来获取食物，满足生活的需求
河北工业大学硕士学位论文-3-态特性进行理论分析和验证，分析引入其柔性回转关节后但单腿跳跃运动的能量放大作用，为足式机器人的后续研究提供重要的理论和实践基矗1.2具有柔性关节的足式机器人研究现状与综述通过审视腿足式机器人的发展史可以发现，仿生思想贯穿其整个发展史的始终，成为人们研究的重要思想源泉，早在15世纪，著名的科学家达芬奇采用木头和青铜为材料，巧妙的通过机构和线缆的牵引来完成挥动手臂、转动脖子和开和下巴等动作，这就是仿生足式机器人的雏形。在早期18世纪到19世纪过程中，大多数研究学者在设计四足机器人和仿人机器人时，侧重于机器人的机械本体设计，通过驱动单元使机构运动，属于刚性连接，未考虑对环境任何的适应性。但面对复杂多变的地形，其关键是拥有较高的灵活性的步态。通过大量的文献分析发现，首个现有文献记载的被认为进行足式机器人研究的是1878年一篇论文的发表，其作者是Eadweard，当时摄影技术逐步成熟且获得广泛应用，基于摄影技术，专门对马行走、奔跑的运动过程进行拍摄，在腿足式的动态特性研究方面，值得我们参考借鉴，进行更深一步的分析。1986年，Raibert设计并研发了一款MIT单腿跳跃机器人，如图1.2所示，使得当时学术界部分学者获得极大的启发。在机构上腿部创新性地引入气缸作为柔性单元，其机器人实现了稳定的跳跃运动，对该领域今后的研究起到重要的承上启下作用[1-3]。图1.2MIT单腿机器人1994年，美国著名的MIT大学腿部实验室Dilworth和Pratt研发了一款双腿机器人，并且起名为SpringTurkey[4]，如图1.3所示，在机器人髋部和膝关节处引入弹簧实现串联弹性驱动，在控制器中运行虚拟模型控制方法。可实现简单的连续行走，速度可达0.5m/s。
具有主-被动变刚度柔性关节的足式机器人的单腿动态特性研究-4-图1.3SpringTurkey双腿机器人1992-1994年，PedroGregorio经过多年大量的试验研究分析最终成功的设计了一款名为“ARLMonopod”的机器人[5]，如图1.4所示，在控制方法仍采用Raibert的控制思想，定向跳跃的速度可达1.0m/s。从1993到1997年，在MonopodI的机构基础之上，在髋关节上引入弹簧作为柔性元素，基于“被动动力学”研究了控制算法，设计了一款新型MonopodII机器人[6]，其样机机器人主动驱动的能量利用率达到当时的最高水平。如图1.5所示，速度可达1.2m/s的定向跳跃。图1.4ARLMonopod机器人图1.5MonopodII机器人1998年，卡耐基梅隆大学的B.BrownandG.Zeglin基于仿生学运动机理，首次设计了一种富有弹性的弓形跑跳单腿机器人，命名为“BowLegHopper”[7]，如图1.6所示，腿部设计极其简单，主要由一条弹性极高的弓和一根平衡梁组成，采用电机驱动卷线来控制机器人跳跃运动，完成了串联弹性驱动的任务，单腿机器人的跳跃特性得到了适当的改善，但是仿生性能上仍然不理想。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种仿动物关节或腿刚度的机械腿结构设计方法[J]. 赵文涛,王森,罗巍. 中国机械工程. 2015(13)
[2]高性能液压驱动四足机器人SCalf的设计与实现[J]. 柴汇,孟健,荣学文,李贻斌. 机器人. 2014(04)
[3]面向足式机器人的新型可调刚度柔性关节的设计及性能测试[J]. 尹鹏,李满天,郭伟,王鹏飞,孙立宁. 机器人. 2014(03)
[4]四足仿生机器人单腿系统[J]. 李满天,蒋振宇,郭伟,孙立宁. 机器人. 2014(01)
[5]类哺乳动物腿式机器人研究综述[J]. 秦现生,张雪峰,谭小群,冯华山,张培培. 中国机械工程. 2013(06)
[6]四足仿生机器人混联腿构型设计及比较[J]. 田兴华,高峰,陈先宝,齐臣坤. 机械工程学报. 2013(06)
[7]刚度和等效质量对SEA能量放大特性的影响[J]. 马洪文,赵朋,王立权,俞林. 机器人. 2012(03)
[8]人体足弓类型评价参数自动提取、可靠性分析及分类结果一致性研究[J]. 邱海,熊树平,孙娜,屠晏欣. 人类工效学. 2012(01)
[9]浅析BigDog四足机器人[J]. 丁良宏,王润孝,冯华山,李军. 中国机械工程. 2012(05)
[10]液压驱动四足仿生机器人的结构设计和步态规划[J]. 李贻斌,李彬,荣学文,孟健. 山东大学学报(工学版). 2011(05)
博士论文
[1]跑步经济性相关下肢刚度与神经肌肉力量训练适应性研究[D]. 聂文良.苏州大学 2013
硕士论文
[1]不同拉伸方式作用下下肢刚度与爆发力的关系[D]. 刘静.北京体育大学 2013
[2]不同高度跳深条件下下肢刚度与爆发力的关系[D]. 徐丽媛.北京体育大学 2013
[3]基于弹簧—质量模型的仿袋鼠跳跃机器人步态稳定性研究[D]. 夏旭峰.西北工业大学 2006
本文编号：3298244
【文章来源】：河北工业大学天津市 211工程院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
移动机器人从刀耕火种的年代开始，充满智慧的人类就开始利用工具来获取食物，满足生活的需求
河北工业大学硕士学位论文-3-态特性进行理论分析和验证，分析引入其柔性回转关节后但单腿跳跃运动的能量放大作用，为足式机器人的后续研究提供重要的理论和实践基矗1.2具有柔性关节的足式机器人研究现状与综述通过审视腿足式机器人的发展史可以发现，仿生思想贯穿其整个发展史的始终，成为人们研究的重要思想源泉，早在15世纪，著名的科学家达芬奇采用木头和青铜为材料，巧妙的通过机构和线缆的牵引来完成挥动手臂、转动脖子和开和下巴等动作，这就是仿生足式机器人的雏形。在早期18世纪到19世纪过程中，大多数研究学者在设计四足机器人和仿人机器人时，侧重于机器人的机械本体设计，通过驱动单元使机构运动，属于刚性连接，未考虑对环境任何的适应性。但面对复杂多变的地形，其关键是拥有较高的灵活性的步态。通过大量的文献分析发现，首个现有文献记载的被认为进行足式机器人研究的是1878年一篇论文的发表，其作者是Eadweard，当时摄影技术逐步成熟且获得广泛应用，基于摄影技术，专门对马行走、奔跑的运动过程进行拍摄，在腿足式的动态特性研究方面，值得我们参考借鉴，进行更深一步的分析。1986年，Raibert设计并研发了一款MIT单腿跳跃机器人，如图1.2所示，使得当时学术界部分学者获得极大的启发。在机构上腿部创新性地引入气缸作为柔性单元，其机器人实现了稳定的跳跃运动，对该领域今后的研究起到重要的承上启下作用[1-3]。图1.2MIT单腿机器人1994年，美国著名的MIT大学腿部实验室Dilworth和Pratt研发了一款双腿机器人，并且起名为SpringTurkey[4]，如图1.3所示，在机器人髋部和膝关节处引入弹簧实现串联弹性驱动，在控制器中运行虚拟模型控制方法。可实现简单的连续行走，速度可达0.5m/s。
具有主-被动变刚度柔性关节的足式机器人的单腿动态特性研究-4-图1.3SpringTurkey双腿机器人1992-1994年，PedroGregorio经过多年大量的试验研究分析最终成功的设计了一款名为“ARLMonopod”的机器人[5]，如图1.4所示，在控制方法仍采用Raibert的控制思想，定向跳跃的速度可达1.0m/s。从1993到1997年，在MonopodI的机构基础之上，在髋关节上引入弹簧作为柔性元素，基于“被动动力学”研究了控制算法，设计了一款新型MonopodII机器人[6]，其样机机器人主动驱动的能量利用率达到当时的最高水平。如图1.5所示，速度可达1.2m/s的定向跳跃。图1.4ARLMonopod机器人图1.5MonopodII机器人1998年，卡耐基梅隆大学的B.BrownandG.Zeglin基于仿生学运动机理，首次设计了一种富有弹性的弓形跑跳单腿机器人，命名为“BowLegHopper”[7]，如图1.6所示，腿部设计极其简单，主要由一条弹性极高的弓和一根平衡梁组成，采用电机驱动卷线来控制机器人跳跃运动，完成了串联弹性驱动的任务，单腿机器人的跳跃特性得到了适当的改善，但是仿生性能上仍然不理想。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种仿动物关节或腿刚度的机械腿结构设计方法[J]. 赵文涛,王森,罗巍. 中国机械工程. 2015(13)
[2]高性能液压驱动四足机器人SCalf的设计与实现[J]. 柴汇,孟健,荣学文,李贻斌. 机器人. 2014(04)
[3]面向足式机器人的新型可调刚度柔性关节的设计及性能测试[J]. 尹鹏,李满天,郭伟,王鹏飞,孙立宁. 机器人. 2014(03)
[4]四足仿生机器人单腿系统[J]. 李满天,蒋振宇,郭伟,孙立宁. 机器人. 2014(01)
[5]类哺乳动物腿式机器人研究综述[J]. 秦现生,张雪峰,谭小群,冯华山,张培培. 中国机械工程. 2013(06)
[6]四足仿生机器人混联腿构型设计及比较[J]. 田兴华,高峰,陈先宝,齐臣坤. 机械工程学报. 2013(06)
[7]刚度和等效质量对SEA能量放大特性的影响[J]. 马洪文,赵朋,王立权,俞林. 机器人. 2012(03)
[8]人体足弓类型评价参数自动提取、可靠性分析及分类结果一致性研究[J]. 邱海,熊树平,孙娜,屠晏欣. 人类工效学. 2012(01)
[9]浅析BigDog四足机器人[J]. 丁良宏,王润孝,冯华山,李军. 中国机械工程. 2012(05)
[10]液压驱动四足仿生机器人的结构设计和步态规划[J]. 李贻斌,李彬,荣学文,孟健. 山东大学学报(工学版). 2011(05)
博士论文
[1]跑步经济性相关下肢刚度与神经肌肉力量训练适应性研究[D]. 聂文良.苏州大学 2013
硕士论文
[1]不同拉伸方式作用下下肢刚度与爆发力的关系[D]. 刘静.北京体育大学 2013
[2]不同高度跳深条件下下肢刚度与爆发力的关系[D]. 徐丽媛.北京体育大学 2013
[3]基于弹簧—质量模型的仿袋鼠跳跃机器人步态稳定性研究[D]. 夏旭峰.西北工业大学 2006
本文编号：3298244
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