含脊柱驱动关节四足机器人跳跃运动落地稳定性研究

Due to the limitations of stability research of bionic robot bounding movement almostly based on rigid trunk model, a four-legged robot model with spinal joints is proposed, and the influence of spinal joint movement on touchdown stability of quadruped bounding movement is discussed in this study. First of all, a one-foot equivalent model with spinal joint of four-legged robot is constructed, according to the principle of virtual work, the kinetic parameters are determined using the model before touchdown. Further, a mathematical model of landing contact-impact is builded, the inertia matching method of the trunk movement is discussed on the basis of the vector of impact force. In order to reduce the impact force, landing strategy is determined. Finally，the stability recovery is investigated after the robot landing instability, the model of influence of spinal joint on the touchdown stability of bounding robot is determined through manipulating the robot's satability margin with ZMP method.

目前仿生机器人跳跃运动稳定性研究均建立在刚性躯干模型基础上，针对这一局限性，本研究提出含脊柱驱动关节四足机器人模型，探讨脊柱关节运动对四足机器人跳跃运动落地稳定性的影响。首先构建四足含脊柱驱动关节单足等效模型，并根据虚功原理，利用接触碰撞前腾空状态动力学模型，确定相应动力学参量，构建落地接触碰撞数学模型。进一步依据碰撞力矢量，探讨躯干运动的惯性匹配方法，研究以降低接触碰撞力为目标的稳定落地策略。在上述模型基础上，对机器人落地失稳后的稳定性恢复问题进行探讨，通过调整ZMP可操作椭圆的被操纵区域，调整机器人的稳定裕度，确定机器人跳跃运动稳定性的脊柱关节影响模型。

目前大多数四足机器人的躯体都是刚性的。但是在高速奔跑中，猎豹的躯体存在着剧烈的蜷曲与伸展运动。随着四足机器人的研究重点转向高速奔跑运动，含脊柱关节四足机器人逐渐受到越来越多机器人研究者的关注。对于含脊柱关节四足机器人，目前大部分研究都将重点集中于稳定移动的控制算法，对运动的基本性能研究的较少。而深入了解含脊柱关节四足机器人的运动性能对其结构设计和控制算法研究都有十分重要的意义。所以，有必要从动力学角度深入地分析含脊柱关节四足机器人的运动性能和脊柱运动对系统运动性能的影响。.首先建立了含脊柱关节四足机器人的简化模型和动力学方程，之后获得了该简化模型的周期运动，然后分析了脊柱运动对腿部支撑时间和腿部受力峰值的影响，最后对含脊柱关节四足机器人的运动性能进行了实物实验研究。.在了解刚性躯干四足机器人简化模型和猎豹躯体运动形态特征的基础上，建立了含脊柱关节四足机器人的简化模型，称其为含脊柱关节模型。依据欧拉–拉格朗日方程，含脊柱关节模型的动力学方程也被推导了。.依据一种刚性躯干四足机器人简化模型周期运动的生成方法，研究了含脊柱关节模型的周期运动，推导了含脊柱关节模型的庞加莱映射函数，并利用牛顿–拉夫逊算法搜索了其庞加莱映射不动点。结果表明：使用该方法可以获得含脊柱关节模型的周期运动。.以四足机器人简化模型的周期运动和动力学方程为基础，对含脊柱关节四足机器人的运动性能进行了仿真研究，主要分析了脊柱运动对腿部支撑时间和腿部受力峰值的影响。在分析中，依据竖直弹簧振子模型，将四足机器人简化模型的平面运动近似视为了竖直振动。分析结果表明：脊柱运动对腿部支撑时间是没有影响的；脊柱运动可以减小腿部受力的峰值。.为了证实仿真分析结论的正确性，对含脊柱关节四足机器人的运动性能又进行了实物实验研究。搭建了实验平台并利用实验平台完成了四个实物实验，研究了脊柱运动对系统水平运动速度、能量利用效率、腿部支撑时间和腿部受力峰值的影响。实验结果表明：脊柱运动能够提高水平运动速度和能量利用效率；脊柱运动对腿部支撑时间的确是没有影响的；脊柱运动确实能够减小腿部受力的峰值。