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载人两足步行机器人是一种为残疾人设计,用来替代轮椅和假肢的新型步行机器人。近些年来,随着两足步行机器人研究的迅速发展,载人两足步行机器人逐渐成为一个新的热点。
本文首先对载人两足步行机器人的本体结构进行了三维建模,并对其自由度模型进行了分析。在ZMP的基础上从纵向稳定性和横向稳定性两方面对机器人的平衡稳定性进行了论述,为步态规划提供了理论依据。
然后针对载人两足步行机器人的特点,提出基于笛卡儿坐标系和广义坐标的建模方式,这种建模方式可以简洁地表达出机器人在基坐标中的位姿,并推导了步行机器人正向运动学和反向运动学的相关公式。
采用五杆动力学模型,将机器人的腿分成大腿和小腿,身躯作为一个质量块,忽略了前向和侧向运动的耦合。在此基础上,对单腿支撑期的动力学模型进一步简化,利用拉格朗日-欧拉方程推导出关节力矩与关节转角变化规律的关系,进而求解不同步态下关节力矩。并以踝关节力矩为参考指标对各步态进行评估,并参考载人两足步行机器人的功能选择载人两足步行机器人所采用步态。
最后,基于ZMP稳定条件,对载人两足步行机器人的脚部轨迹以及髋关节轨迹进行了规划,在规划中力求满足稳定裕度最大化。结合反向运动学公式,对其它关节角进行了规划。利用ADAMS对规划结果进行了计算机仿真,证明规划的有效性与可行性。