题目：步行车辆的运动规划及移动能效率研究

地球上有近50%的地面不适于轮式或履带式车辆穿行，而许多多足动物却可以行走自如，其行走机理有着独特的优越性。人类研究多足步行机是受多足动物步行的启示，通过对动物行走机理的研究，将其应用于步行机的运动和控制的研究中，从而开发出能模拟动物行走的多足步行机。为了开发可用于载重的多足步行机,即步行车辆，本文进行了步行车辆的运动规划及移动能效率等基础理论研究。运动规划包括步行车辆期望的轨迹规划、运动学和动力学分析等；通过建立步行车辆的虚拟样机模型，仿真分析实现其足端期望运动轨迹的控制算法；进行步行车辆的移动能效率研究；同时开展全方位六足步行车辆的研制。首先，以ZMP(Zero Moment Point)稳定性理论为依据，介绍步行车辆实现稳定步行的步态。针对缩放式和关节式腿机构，分别采用修正组合摆线和多项式函数进行步行车辆轨迹规划，获得步行车辆期望的轨迹。由于步行车辆的多分支串并联混合机构特点，运动学分析中将整个步态周期分为支撑相和摆动相，用Denavit – Hartenberg齐次坐标变换方法，分别建立运动学方程。提出建立封闭运动链的方法，以获得整个步态周期的运动学方程，从而建立机体位移、各关节独立变量和足端位移间的映射关系，通过雅可比矩阵建立步行车辆的足端与各关节的速度和加速度映射关系，为步行车辆的运动学仿真以及运动学控制奠定了基础。其次，进行步行车辆的动力学及地面反力的分配分析。在运动学分析基础上，推导出步行车辆的牛顿-欧拉动力学方程。由于步行车辆在步行中足端与地面间存在周期性接触；另外，为了确保步行车辆稳定步行，除了要满足ZMP稳定性理论，机体还需满足作用力和力矩的平衡条件，地面反力需满足摩擦锥约束条件。故需进行足与地面间接触分析及地面反力分配的研究。通过对摩擦约束条件简化，将步行车辆的地面反力分配问题归结为在等式和不等式约束条件下的线性规划进行处理。第三，以本文所设计的步行车辆为对象，进行基于多体动力学软件ADAMS/View和控制软件MATLAB/Simulink的虚拟步行车辆足端轨迹跟踪的联合仿真，研究了经典PID控制、经典模糊控制和模糊PID控制对步行车辆足端轨迹跟踪的控制效果，实现了基于三维可视化仿真的步行车辆单腿行走控制过程，使步行车辆机械结构及控制系统的设计得到了验证，为实际步行车辆控制器提供了设计依据。第四，步行车辆需自身携带能量如电池实现步行或进行探测作业，研究其能量消耗有重要的意义。步行车辆的行走步态与能量消耗密切相关，以四足步行车辆的对角小跑步态为例，分析能量消耗与相关影响参数间的关系。建立步行车辆考虑足与地面接触的三维虚拟样机仿真模型，以移动能耗率为步行车辆的能量消耗评价指标，进行完整对角小跑步态周期中的能量消耗分析。重点分析了占地系数、步距及接触材料等参数对能量消耗的影响，分别获得移动能耗率与步行车辆步行速度间的关系曲线。最后，在前期研究的基础上，完成全方位六足步行车辆的机械部分研制。该步行车辆使用钛合金材料，具有重量较轻、结构简单、转向灵活等优点。