广西师范大学学报（自然科学版） ›› 2022, Vol. 40 ›› Issue (6): 131-144.doi: 10.16088/j.issn.1001-6600.2021101201

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脉冲推力作用下上楼梯双足机器人行走的建模与动力学分析

陈嘉睿, 凌琳, 蒋贵荣*   

  1. 桂林电子科技大学数学与计算科学学院, 广西桂林541004
  • 收稿日期:2021-10-12 修回日期:2022-01-11 出版日期:2022-11-25 发布日期:2023-01-17
  • 通讯作者: 蒋贵荣(1968—),男,湖南永州人,桂林电子科技大学教授,博士。E-mail:grjiang9@163.com
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(11662001); 广西自然科学基金(2018GXNSFAA138177); 广西科技计划项目(AD20297006); 广西中青年教师能力提升项目(2019KY0228); 桂林电子科技大学研究生创新项目(2021YCXS112)

Modeling and Dynamics Analysis of an Ascending Stairs Biped Robot Under Impulse Thrust

CHEN Jiarui, LING Lin, JIANG Guirong*   

  1. School of Mathematics and Computational Science, Guilin University of Electronic Technology, Guilin Guangxi 541004, China
  • Received:2021-10-12 Revised:2022-01-11 Online:2022-11-25 Published:2023-01-17

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172

摘要： 本文研究脉冲推力作用下带伸缩腿的上楼梯双足机器人行走的复杂动力学。利用伸缩腿结构解决上楼的触碰台阶问题,采用沿支撑腿方向的脉冲推力提供动力源,运用拉格朗日方程和角动量守恒定律,建立上楼梯双足机器人行走的动力学模型。通过施加幅值限制和与支撑腿角速度相关的脉冲推力构造庞加莱映射。结合理论分析和数值模拟,研究系统的周期解及其分岔等复杂动力学,讨论脉冲参数及自身结构参数对双足机器人稳定行走的影响。研究结果表明:选择合适的参数,系统具有稳定的周期-1解,双足机器人能够稳定完成爬升楼梯的动作;相较于固定脉冲推力,幅值限制和与支撑腿角速度相关的脉冲推力有助于上楼梯双足机器人快速进入稳定的行走状态。

关键词: 双足机器人, 上楼梯, 脉冲推力, 不动点, 分岔

Abstract: The complex walking dynamics of an ascending stairs biped robot with telescopic legs and pulse thrust is studied. The telescopic leg structure is used to solve the problem of touching steps and pulse thrust along the supporting leg is used to provide the power source. The dynamic model of biped robot walking up stairs is established by using Lagrange equation and angular momentum conservation law. Impulse thrust with velocity dependent and amplitude constraint is considered and a Poincaré map is constructed. By using theoretical analysis and numerical simulation, the complex dynamics, such as periodic solution and its bifurcation of the system, are studied, and the effects of pulse parameters and structural parameters on the stable walking of biped robot are discussed. The results show that when the appropriate parameters are selected, the system has a stable periodic-1 solution, and the biped robot can climb stairs stably. Compared with constant pulse thrust, impulse thrust with velocity dependent and amplitude constraint can help the stair climbing biped robot to quickly enter a stable walking state.

Key words: biped robot, ascending stair, impulse thrust, fixed point, bifurcation

中图分类号: 

  • TP242.6
[1] MCGEER T. Passive dynamic walking[J]. International Journal of Robotics Research, 1990, 9(2): 62-82.
[2] SAFARTOOBI M, DARDEL M, DANIALI H M. Gait cycles of passive walking biped robot model with flexible legs[J]. Mechanism and Machine Theory, 2021, 159: 104292.
[3] ZNEGUI W, GRITLI H, BELGHITH S. A new Poincaré map for investigating the complex walking behavior of the compass-gait biped robot[J]. Applied Mathematical Modelling, 2021, 94: 534-557.
[4] 刘宋, 杨鑫.平面双足机器人建模与仿真研究[J].计算机仿真, 2020, 37(8): 281-285, 352.
[5] 吉巧丽, 钱志辉, 任雷, 等.基于遗传算法的双足机器人足踝蹬地参数优化[J].农业机械学报, 2020, 51(S1): 584-591.
[6] 钟浩然, 李新宇, 高亮, 等.适应非平整地面的双足机器人柔顺步态优化方法[J].华中科技大学学报(自然科学版), 2021, 49(7): 97-102.
[7] NODA S, SUGAI F, KOJIMA K, et al. Semi-passive walk and active walk by one bipedal robot: mechanism, control and parameter identification[J]. International Journal of Humanoid Robotics, 2020, 17(2): 2050012.
[8] 吴青青, 张奇志, 周亚丽.变刚度双足机器人半被动行走控制研究[J].系统仿真学报, 2020, 32(8): 1588-1597.
[9] DENG K, ZHAO M G, XU W L. Level-ground walking for a bipedal robot with a torso via hip series elastic actuators and its gait bifurcation control[J]. Robotics and Autonomous Systems, 2016, 79: 58-71.
[10] KERIMOLU D, MORGÜL Ö, SARANLI U. Stability of a compass gait walking model with series elastic ankle actuation[C]// 2015 International Conference on Advanced Robotics (ICAR). Piscataway: IEEE, 2015: 351-356.
[11] KUO A D. Energetics of actively powered locomotion using the simplest walking model[J]. Journal of Biomechanical Engineering, 2002, 124(1): 113-120.
[12] 周亚丽, 张奇志.基于脉冲推力的半被动双足机器人无模型神经网络控制[J].计算机应用研究, 2018, 35(1): 56-61.
[13] DONG E Z, WANG D D, TONG J G, et al. A stable gait planning method of biped robot based on ankle motion smooth fitting[J]. International Journal of Control Automation and Systems, 2018, 16(1): 284-294.
[14] VATANKHAH M, KOBRAVI H R, RITTER A. Intermittent control model for ascending stair biped robot using a stable limit cycle model[J]. Robotics and Autonomous Systems, 2019, 121: 103255.
[15] SHIH C L. Ascending and descending stairs for a biped robot[J]. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics-Part A: Systems and Humans, 1999, 29(3): 255-268.
[16] GONG L L, ZHAO R W, LIANG J Y, et al. Periodic motion generation for the impactless biped walking up slopes via genetic algorithm[J]. Natural Computing, 2020, 19(4): 743-755.
[17] MANDAVA R K, VUNDAVILLI P R. Design and development of an adaptive-torque-based proportional-integral-derivative controller for a two-legged robot[J]. Soft Computing, 2021, 25(16): 10953-10968.
[18] HAO M, CHEN K, FU C L. Effects of hip torque during step-to-step transition on center-of-mass dynamics during human walking examined with numerical simulation[J]. Journal of Biomechanics, 2019, 90: 33-39.
[19] 李松涛, 李群宏, 张文.三自由度碰撞振动系统的余维二擦边分岔与混沌控制[J].广西师范大学学报(自然科学版), 2021, 39(4): 79-92.
[20] YANG X B, YU J Y, GAO H J. An impulse control approach to spacecraft autonomous rendezvous based on genetic algorithms[J]. Neurocomputing, 2012, 77(1): 189-196.
[1] 邵慧婷, 杨启贵. 具有4个正Lyapunov指数的六维超混沌系统的复杂动力学研究[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2022, 40(5): 433-444.
[2] 徐王军, 曹进德, 伍代勇, 申传胜. 一类具有迁移和Allee效应的食饵-捕食者系统稳定性[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2022, 40(2): 103-115.
[3] 阮文静, 杨启贵. 具有有限和无限孤立奇点的新四维超混沌系统的复杂动力学分析[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2021, 39(5): 173-181.
[4] 李松涛, 李群宏, 张文. 三自由度碰撞振动系统的余维二擦边分岔与混沌控制[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2021, 39(4): 79-92.
[5] 黄春贤, 周效良. 含等级治疗率与不完全康复率的SIRS模型的分岔分析[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2020, 38(6): 74-81.
[6] 朱娅萍, 屈国荣, 范江华. 不动点指数法研究拟变分不等式解的存在性[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2019, 37(4): 79-85.
[7] 洪玲玲,杨启贵. 新四维超混沌系统的复杂动力学研究[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2019, 37(3): 96-105.
[8] 黄燕萍, 韦煜明. 一类分数阶微分方程多点边值问题的多解性[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2018, 36(3): 41-49.
[9] 庞 杨,韦煜明,冯春华. 一类分数阶微分方程两点边值问题正解的存在性[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2017, 35(4): 68-75.
[10] 闫荣君, 韦煜明, 冯春华. 带p-Laplacian算子的时滞分数阶微分方程边值问题3个正解的存在性[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2017, 35(3): 75-82.
[11] 章美月. 关于电子束聚焦系统模型的一些新结果[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2015, 33(1): 38-44.
[12] 刘军贤, 裴启明, 覃宗定, 蒋玉凌. Lorenz方程在新参数空间的研究[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2012, 30(4): 1-12.
[13] 郝丽杰, 蒋贵荣, 鹿鹏. 具垂直传染的SIRS传染病模型的脉冲控制和分岔分析[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2012, 30(4): 42-47.
[14] 薛晋栋, 冯春华. 一类时滞脉冲微积分方程的正概周期解[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2012, 30(4): 48-53.
[15] 韦煜明, 王勇, 唐艳秋, 范江华. 具p-Laplacian算子时滞微分方程边值问题解的存在唯一性[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2012, 30(2): 48-53.
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[1] 陈宁,何明先,李钰慧,陈洁萍,李诗林,马姜明. 应用正交设计法优选红背山麻杆扦插繁殖方法[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2018, 36(2): 128 -133 .
[2] 李珏璇, 赵明. 网络的平均度和规模对部分同步状态的影响[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2019, 37(1): 115 -124 .
[3] 韩会庆, 蔡广鹏, 尹昌应, 马庚, 张英佳, 陆艺. 2000年和2015年乌江中上游景观稳定性变化研究[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2019, 37(1): 197 -204 .
[4] 邝先验, 陈自如. 考虑礼让行人的交叉口机非混合交通流模型[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2019, 37(4): 1 -15 .
[5] 刘伟铭, 陈纲梅, 林观荣, 李静宁. 高速公路收费站与衔接信号交叉口协调控制研究[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2019, 37(4): 16 -26 .
[6] 邹艳丽, 汪洋, 刘树生, 姚飞. 带有邻居度信息的容量负载模型下电网级联故障研究[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2019, 37(4): 27 -36 .
[7] 谢丽娜, 蒋品群, 宋树祥, 岑明灿. 一款低损耗低噪声宽调谐的高阶级联N通道滤波器[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2019, 37(4): 37 -44 .
[8] 罗兰, 周楠, 司杰. 不确定细胞神经网络鲁棒稳定新的时滞划分法[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2019, 37(4): 45 -52 .
[9] 王健, 郑七凡, 李超, 石晶. 基于ENCODER_ATT机制的远程监督关系抽取[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2019, 37(4): 53 -60 .
[10] 肖逸群, 宋树祥, 夏海英. 基于多特征的快速行人检测方法及实现[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2019, 37(4): 61 -67 .
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