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随着仿生机器人向适应非结构化、未知的环境和灵活、可靠地完成各种复杂工作任务的要求的方向发展,解决其运动稳定性问题已成为仿生机器人研究的关键问题和前沿性课题。为此,本论文以仿生机器人运动稳定性的基本理论和袋鼠生物体跳跃运动的特性分析为基础,建立了仿袋鼠跳跃机器人的系统简化模型,对其跳跃运动步态稳定性进行了分析研究。 本文首先在大量查阅和分析国内外相关机器人运动稳定性研究文献资料的基础上,综述了当前仿生机器人运动稳定性理论及方法研究的现状,并归纳出了其未来的研究方向。接着对袋鼠生物体的运动特点和其跳跃的运动及力特性进行了分析研究,为仿袋鼠机器人跳跃运动步态稳定性建模分析研究提供了必要的基础。 其次,根据袋鼠跳跃运动的特性,建立了仿袋鼠跳跃机器人的弹簧一单质量模型。采用拉格朗日法和线性化近似分析法建立了机器人动力学方程,并进行了着地阶段的径向与横向运动分析。根据步态运动稳定性的条件,研究了仿袋鼠跳跃机器人顶点反射映像函数、固定点的存在性及稳定性,获得了仿袋鼠机器人在跳跃过程中满足步态稳定性的各个参数的取值范围和各参数之间关系的显式表达式。通过实例计算,获得了满足步态稳定性的各参数之间的变化关系,证明了线性化近似分析法的有效性。分析结果表明:在存在固定点的情况下,当系统无量纲能量Es≥2,触地角α0≥37°及弹簧刚度系数K≥0.5kN/m时,仿袋鼠机器人的跳跃运动就能够保持连续跳跃的步态稳定性。 最后,考虑到袋鼠脚踝关节力矩的作用,建立了仿袋鼠跳跃机器人的弹簧—双质量模型。采用能量法获得了仿袋鼠跳跃机器人着地阶段满足步态稳定性的稳定区域前、后边界稳定裕量的临界条件,并通过Matlab仿真计算获得了其动态稳定性区域,同时获得了满足动态稳定区域的各个参数的取值范围及各参数相互之间的变化关系。分析结果证明:对于质量为6.6kg的仿袋鼠跳跃机器人,当跳跃速度v∈[0.2,2]m/s、弹簧刚度系数K∈[0.01,1.36]kN/m、触地角α∈[18°,75°]时,其能够在着地阶段站稳。 本论文的研究工作为今后提高仿袋鼠机器人性能设计和对其进行跳跃运动的控制建立了理论基础。