● 摘要
跳跃机器人的单点支撑运动方式对非连续路况具有很强的适应性，它能在自然地形中灵巧移动，表现出高效的越障能力，在侦察、勘探等领域具有潜在应用价值。本文提出了一种新型的欠驱动弹性单腿跳跃机器人，对其动力学、运动规划和控制问题进行了分析和研究。首先，对跳跃机器人进行运动学和动力学分析。根据系统所受约束条件的不同，分别建立机器人在支撑相和飞行相运动学方程，并在此基础上应用拉格朗日方程推导了机器人在不同运动阶段的动力学模型，为运动规划和控制研究提供了必要的基础。然后，在跳跃机器人动力学方程的基础上，对其非完整性进行分析。讨论了约束方程的可积性，从而将跳跃机器人的动力学模型归结为带漂移项的二阶非完整约束系统。从此类系统的一般控制模型出发，研究了适用于欠驱动单腿跳跃机器人控制的指数稳定控制方法。接着，研究了单腿跳跃机器人的运动规划问题。针对跳跃机器人的不同运动方式，给出了系统在支撑相和飞行相的控制任务，基于非线性输入扩展变换的时变反馈方法，设计了跳跃机器人在支撑相和飞行相的控制器。最后，结合物理参数，对跳跃机器人的动态站立平衡、稳定起跳、连续垂直跳跃、横向跳跃等运动过程进行仿真。分析了分解运动加速度控制器、计算力矩控制器、以及时变反馈控制器在单腿跳跃机器人运动控制中的可行性。仿真结果表明，基于非线性输入扩展变换的时变反馈方法实现了以控制腿部姿态和振动规律、系统动量为目标的全状态稳定控制，可以实现多种运动方式，证明了运动规划和控制方案是可行的。本论文的研究工作对设计新型弹性欠驱动机械系统、研究能以多种方式灵巧移动的机器人具有指导意义和参考价值。