简单双足被动行走模型仿真和分析_胡运富VIP专享VIP免费

书第42卷第3期2010年3月哈尔滨工业大学学报JOURNALOFHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYVol.42No.3Mar.2010简单双足被动行走模型仿真和分析胡运富，朱延河，吴晓光，赵杰(哈尔滨工业大学机器人研究所，哈尔滨150001，huyunfu134@yahoo.com.cn)摘要:为了更准确理解双足被动机器人运动的本质特征，加强模型研究对实际样机设计的指导作用，采用数值仿真和Adams验证的方法研究简单两杆直腿圆弧足被动模型.分析了该被动模型的特点并通过拉格朗日法建立了与其对应的动力学模型;根据机器人稳定行走周期步态在相平面内表现为极限环特点，通过Matlab工具给出了理想模型稳态行走仿真的详细过程，分析并得出机器人能够周期稳态行走的初值条件，运动特点和运动过程中动能、势能的分布、变化过程以及相互转化关系，同时利用Matlab的仿真结果实现Ad-ams对现实样机模型稳态行走的仿真分析，为下一步对机器人稳定性分析提供了基础，为后续研究被动机器人样机提供设计依据.关键词:被动行走;不动点;双足机器人;相空间;庞加莱映射中图分类号:TP242文献标志码:A文章编号:0367－6234(2010)03－0490－05SimulationandanalysisofsimplebipedpassivedynamicwalkingmodelHUYun-fu，ZHUYan-he，WUXiao-guang，ZHAOJie(RoboticsInstitute，HarbinInstituteofTechnology，Harbin150001，China，huyunfu134@yahoo.com.cn)Abstract:Forabetterunderstandingoftheessentialcharacteristicsofpassiverobot，makingtheresearchofmodelbeabetterguidetothedesignofactualprototype，methodsofnumericalsimulationandverificationofAdamswereemployedtoresearchatwo-dimensionalpurepassivewalkingmodelwithroundfeet.Characteris-ticsofthepassivemodelwereanalyzedandthedynamicequationswerederivedwithLagrangeEquation.Basedonthephenomenonofdynamicsofsymmetricgaitoftherobotappearingtobealimitcycleinthephasespace，acompleteprocessofthesimulationofsteady-walkingofthismodelwasgivenwithMatlabtoolandtheinitialconditionsofthesteady-walkingmodelwereachieved.Thedynamicsandcharacteristicsineachstageofthebipedlocomotioncyclewerediscussed.Adamswasusedtoverifythesimulation.Thisstudywillbethebasisofstabilityanalysisoftherobotandaguidetothedesignofapassiverobotprototype.Keywords:passivewalking;fixedpoint;bipedrobot;phasespace;Poincaremapping收稿日期:2009－01－13.基金项目:国家高技术研究发展资助计划项目(2006AA04Z220);国家自然科学基金资助项目(60705027).作者简介:胡运富(1985—)，男，硕士研究生;赵杰(1968—)，男，教授，博士生导师.传统双足机器人的研究主要是基于ZMP稳定判据和工业机器人轨迹跟踪的控制方法［1］.这些机器人依赖于大力矩，高增益反馈的驱动系统以及上层的轨迹规划和姿态平衡控制.复杂的控制和驱动系统以及过高的能量消耗限制了此类机器人的实用化.相对于传统机器人而言，被动步行机器人以其结构和控制简单，步态自然，节能和在非结构化环境中具有更好的移动能力等特点引起广大学者的极大关注［2］.Mochon和McMahon研究仅依靠重力下坡的机器人［3］，指出人类在行走过程中，部分依靠了重力来驱动摆动腿运动，这与双摆很相似.在1989年，McGeer发现［4－5］:完全不用驱动和控制的机器人也能实现稳定的步行运动，进而提出了“被动动力步行”概念.在此之后，许多人开始对被动机器人进行了研究，Garcia［6］，Collins［7］等还对机器人行走的参数匹配问题进行了研究.近年来美国Cornell大学［8］，MIT［9］和荷兰的Delft大学［10］在被动机器人研究方面成绩突出［11］.被动机器人具有自然的步态和类似于人类步行的能量效率，通过研究被动步行可以更好地挖掘人类步行的本质.然而，被动机器人理论研究尚不成熟，理论模型与实际样机差异大，且所有的分析只能建立在机器人能成功行走的基础上.本文以此为出发点，从被动机器人模型的建立、仿真过程和运动特点，都给出了详细的阐述;利用数值仿真的结论，在Adams中对实际样机模型进行验证，给出了从机器人建模到能行走的全...