| 【摘要】：传统地面机械在复杂路况下都会丧失移动能力。足式机器人尤其是模仿动物运动的足式机器人与传统机械相比最大的优点就是足式机器人有较强的地面适应性。在整个仿生足式机器人中,仿生四足机器人占有很大比重,这是由于仿生四足机器人比仿生两足机器人承载能力强、稳定性好,同时又比仿生六足、八足机器人的结构简单,从稳定性和控制难易程度及制造成本等方面综合考虑,四足机器人都是最佳的足式机器人形式。因此对仿生四足机器人的探讨具有重要的现实意义。 四足动物步态探讨是仿生四足机器人探讨的基础,四足动物如牧羊犬、山羊等能在复杂恶劣的地理环境下牧羊或生存,并在极度恶劣的非结构环境下表现出了卓越的移动能力,且能在地形发生变化时,及时调整姿态,保证安全、稳定、顺利、高效的通过。对典型四足动物-德国牧羊犬步态略论为设计和制造具有高稳定性、高通过性、高柔顺性的仿生机器人提供了优异的仿生蓝本,也为完成工程探险、深空探测、反恐防暴、军事侦察等提供了仿生学基础。通过对德国牧羊犬步态测量获取运动学和动力学数据,略论其步态,可为研制四足机器人自由步态行走提供理论依据,使所设计仿生四足机器人具有自由步态,使其更好地运用到军事、工业和星球表面探测等领域。 本文以德国牧羊犬为探讨对象,对其不同步态的时序以及运动学进行略论,探讨德国牧羊犬步态运动学特性,定量探讨德国牧羊犬的运动稳定性,建立仿犬四足运动模型的运动学及动力学计算模型,为四足机器人仿生设计及稳定性判断提供理论依据。 论文完成的具体工作和取得的主要结论与成果如下： (1)德国牧羊犬运动学数据捕捉及运动时序略论。基于德国牧羊犬生理结构,采用Vicon MX运动捕捉系统进行运动学试验。基于试验采集的数据,略论德国牧羊犬运动时序策略。德国牧羊犬慢走步态下,两前肢落地滞后时间占周期百分比F≈50%,两后肢落地滞后时间占周期百分比H≈50%,同侧前后肢落地滞后时间占周期百分比50%P100%；对角小跑步态下,F≈50%,H≈50%,P≈50%；同侧小跑步态下,F≈50%,H≈50%,P≈0%。因此时间参数F及H用于确定德国牧羊犬步态是否为对称步态,P用于区别对称步态种类。德国牧羊犬各肢周期和支撑相时间随运动速度增大而减少,而摆动相时间变化不大,即通过减少支撑相时间来满足运动速度的变化。 (2)对德国牧羊犬关节位移以及关节角运动特性进行探讨。德国牧羊犬左右前肢/左右后肢在空间位移以及关节角变化上具有很好对称性,且每个关节运动均呈现周期性运动规律。随着速度增大,各关节垂直最大位移提前,运动频率增大,在相同时间间隔内垂直向位移变化周期数增多,且小跑步态下各关节垂直位移幅度大于慢走步态。德国牧羊犬运动速度增大时,支撑相内,各关节并不改变伸展的最大程度,充分伸展可保证有足够的能量完成运动,同时为满足犬的运动速度要求,各关节达到最大伸展的速度增大。在整个步态运动周期中,髋关节和膝关节,膝关节和踝关节有着紧密的协调运动关系,增加速度并未显著改变关节之间的协调机制。 (3)从非线性时间序列略论角度探讨了德国牧羊犬作为动力系统对微小扰动的敏感性。通过Lyapunov指数的计算,对德国牧羊犬动态稳定性进行定量描述,比较不同速度下德国牧羊各关节最大Lyapunov旨数,探讨速度与动态稳定性之间的关系,结果表明随着速度增大,各关节最大Lyapunov指数均增大,也即德国牧羊犬动态稳定性在一定速度范围内随着速度增大均有所降低。 (4)建立并简化仿德国牧羊犬四足运动模型,对四足运动模型进行了正运动学和逆运动学略论。正运动学略论得出了四足运动模型在给定关节角时躯干和腿的位置和姿态,逆运动学则解决了在四足运动模型位置和姿态给定时相应各关节的关节角计算问题。同时,基于不同步态下的德国牧羊犬各肢运动时间顺序,对仿犬四足运动模型进行时序略论,得出了各肢步态周期内的时序模型。 (5)采用拉格朗日措施,对所建立的四足运动模型进行动力学计算。通过对腿以及躯干的运动解析,推导出腿和躯干运动的速度以及角速度,最终建立拉格朗日方程进行动力学计算。 本文采用时序略论措施对德国牧羊犬不同步态的运动控制策略进行了探讨,选取时序参数描述德国牧羊犬不同步态的四肢运动时间序列,使得德国牧羊犬不同步态的各肢运动时间规律清晰化。绘制关节角以及位移相位图,对德国牧羊犬前后肢关节角协调运动进行了阐释。采用非线性时间序列的措施探讨德国牧羊犬动态稳定性,为探讨四足动物以及四足机器人稳定性提供了新的措施。建立仿德国牧羊犬四足运动模型,并对其进行了运动学和动力学计算,得到各关节与躯干之间运动关系以及系统拉格朗日方程,为进行运动仿真和机构设计提供依据。 |
