伸缩腿被动行走器的动力学建模与仿真

发布时间：2017-09-14 20:39

  本文关键词：伸缩腿被动行走器的动力学建模与仿真

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【摘要】：仿人机器人因为适合人的生活工作环境,所以是未来的发展趋势。而行走是仿人机器人最基本的功能,成为这项研究的关键基础。目前仿人机器人大多采用主动行走方式,通过精确控制关节的ZMP轨迹来模仿人的步态,从而导致它们过于昂贵、沉重、复杂和低效。而被动行走具有结构简单、步态自然、能耗低等诸多优点,成为突破该难题的新途径。目前,被动行走的基础模型主要有简单被动行走模型、Compass模型和简单带上体被动模型等三个,但均存在脚擦地问题而不能直接应用。为此,本文在简单被动行走模型的基础上,提出全新的伸缩腿被动行走模型。在不增加自由度的前提下,克服了脚擦地的问题,同时该模型还具有自带被动上体、驱动简单高效等优点。主要工作如下:1.设计出伸缩腿被动行走模型解决被动行走脚擦地问题,并利用Newton-Euler正交法推导出该模型的动力学方程。2.结合Poincaré映射方法,提出了新的不动点(平衡点)搜索算法。通过该算法寻找出伸缩腿被动行走模型的稳定参数,并通过分析典型步态特性总结该模型的步态特性。3.通过伸缩腿被动行走模型大斜坡步态仿真和误差初始值步态仿真的分析,得出该模型相比传统基础被动行走模型具有更高的稳定性。4.对伸缩腿被动行走模型的各个参数进行分析,总结各参数的意义以及对该模型步态的影响。5.使用ADAMS软件对伸缩腿被动行走模型进行虚拟样机仿真。通过对比虚拟样机仿真与数值仿真结果,验证了该模型动力学建模和数值仿真的正确性。本文主要提出一种新型的伸缩腿被动行走模型,并通过动力学建模分析该模型的各参数和步态特性为后续样机的研制提供理论指导。在2015年10月27日,基于伸缩腿被动行走模型而设计的行走器样机——“行者一号”,打破了由Ranger保持多年的单次行走最远距离的世界纪录,更说明了本论文研究的伸缩腿被动行走模型的价值。
【关键词】：被动行走 步态 ADAMS仿真 行者一号
【学位授予单位】：重庆邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 引言8-12
• 1.1 论文研究背景8-9
• 1.2 国内外研究现状9-11
• 1.3 本文主要内容和安排11-12
• 第2章 被动行走研究的一般方法12-19
• 2.1 一般步骤12
• 2.2 模型简化12-13
• 2.3 建立动力学方程13-17
• 2.3.1 摆动阶段15-16
• 2.3.2 碰撞阶段16-17
• 2.4 模型Poincaré映射和步态分析17
• 2.5 实验（虚拟）样机17-18
• 2.6 本章小结18-19
• 第3章 伸缩腿被动行走模型的设计与建模19-30
• 3.1 基础模型的简要介绍19-23
• 3.1.1 被动行走模型的发展19-20
• 3.1.2 简单被动行走模型20
• 3.1.3 Compass模型20-21
• 3.1.4 含上体被动行走模型21-23
• 3.2 伸缩腿被动走模型的设计23-25
• 3.3 伸缩腿被动行走模型的数值建模25-29
• 3.3.1 摆动阶段25-27
• 3.3.2 碰撞阶段27-28
• 3.3.3 伸缩腿被动行走模型的正确性检验28-29
• 3.4 本章小结29-30
• 第4章 伸缩腿被动行走模型步态分析30-40
• 4.1 模型的Poincaré映射30-31
• 4.2 步态分析方法31-33
• 4.3 典型步态分析33-37
• 4.4 参数分析37-39
• 4.5 本章小结39-40
• 第5章 虚拟样机测试与参数验证40-52
• 5.1 ADAMS软件简介40
• 5.2 虚拟样机的设计40-45
• 5.2.1 伸缩腿被动行走器结构设计41-42
• 5.2.2 伸缩腿被动行走器参数设置42-44
• 5.2.3 伸缩腿被动行走器初始状态44-45
• 5.3 虚拟样机仿真分析45-51
• 5.3.1 ADAMS仿真器参数设置46-47
• 5.3.2 ADAMS仿真实验与分析47-51
• 5.4 本章小结51-52
• 第6章 结束语52-54
• 6.1 主要工作与创新点52
• 6.2 后续研究工作52-54
• 参考文献54-59
• 致谢59-60
• 攻读硕士学位期间从事的科研工作及取得的成果60

【参考文献】

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本文编号：852225