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1、第25卷第3期机械设计与研究Vol.25No.32009年6月MachineDesignandResearchJun.,2009文章编号:100622343(2009)032022205一种新型机器人支撑相动力学建模及可控性分析熊小琴,何广平(北方工业大学机电工程学院,北京100144,E2mail:hegp55@126.com)摘要:从生物研究中受到启发,兼顾机器人的运动能耗问题,设计了一种新型机器人机构———仿袋鼠单腿跳跃机器人。机构设计是在模仿自然界袋鼠骨骼结构的基础上,充分利用产生被动动力学的机械结构来减少机器人的运动能耗,将膝关节设计为弹性被
2、动关节来减少腿的质量和转动惯量,以达到减小驱动力矩的目的。采用拉格朗日方法建立了机器人支撑相的动力学模型。以动力学模型为基础,推导出了机器人在支撑相平衡点的线性化系统,证明了机器人在支撑相是线性地可控的,为机器人的稳定控制提供了理论依据。关键词:仿袋鼠机器人;动力学;可控性中图分类号:TP242文献标识码:ADynamicsModellingandControllabilityAnalysisinStancePhaseoftheKangaroo-likeHoppingRobotWithOneLegXIONGXiao2qin,HEGuan2ping(Co
3、llegeofMechanicalandElectricalEngineering,NorthChinaUniversityofTechnology,Beijing100144,China)Abstract:Motivatedfromthebiologicresearchandconsideredrobotspenergydissipationproblemtodesignanewtyperobotmachine—Kangaroo2likehoppingrobotwithoneleg.Thedesignofthemodelwasbasedonimita
4、tingtheKangaroopsskeletoninnature,andmakedfulluseofmechanicalstructurewhichcanproducepassivedynamicstore2ducetheenergydissipationduringmotion,meanwhilethekneejointisdesignedasanpassivespringjointtoreducethelegpsmassandinertia,soastominishthedrivingmoment.UsingtheLagrangemethodto
5、establishdynamicsmodeloftherobotinstancephase.Onthebasisofthedynamicsmodel,thelinearsystemaroundtheequilibriumpointinstancephaseoftherobotisdeducedandtherobotinstancephaseislinearlycontrollablewhichprovidestheoreticalevidencefortherobotpsstablizationcontrol.Keywords:kangaroo2lik
6、erobots;dynamics;controllability单腿跳跃机器人的研究大约有30年的历史,最早的单一方面,正如上面所举的例子,从生物研究中受到启发,腿跳跃机器人模型是由Raibert及其合作者共同研制的SLIP设计一些新的机构模型是很重要的。仿袋鼠单腿跳跃机器[1-3]模型。随后的单腿跳跃机器人的研究大部分是基于人机构模型正是根据自然界中袋鼠的骨骼结构而设计的。[4][5]SLIP模型,如弓形腿弹跳机器人、ARLMonopod等。但与实际袋鼠相比,仿袋鼠单腿跳跃机器人的机构要简单一众所周知,SLIP模型对腿型机器人的研究有着重大价些,如没
7、有考虑袋鼠的脚部,这样做的目的是为了便与分析值,但其在对理解动物运动能力方面有着局限性。首先,和计算。SLIP模型不能体现自然界中动物关节腿的特征。其次,SLIP另一方面,前期机器人研究者们对于减少机器人运动能模型的系统质心位置始终保持在股关节上,而自然界中动物耗的考虑,主要是考虑采用弹性伸缩腿。自从M.H.Raibert的整体质心是偏离股关节的,甚至在其跳跃过程中,质心相[8]和C.M.Thompson提出在身体和腿之间增加扭簧可以减少对于股关节的位置是变化的。机器人在飞行阶段腿绕身体摆动的能耗以来,大部分机器人近年来,机器人研究者们正试图研制能够很
8、好地体现动研究者们都是以M.H.Raibert和C.M.Thompson提出的机物运动原理的机
