【摘要】：雙足機(jī)器人的研究一直是機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn),因其外形與人類相似,對(duì)其研究可以增進(jìn)對(duì)人類步行過(guò)程的認(rèn)識(shí)。同時(shí),殘疾人對(duì)假肢需求量的不斷提升,進(jìn)一步推動(dòng)了人類步行機(jī)理及雙足步行機(jī)器人的研究。近年來(lái),隨著機(jī)器人步行過(guò)程中所存在的混沌現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),各國(guó)學(xué)者開(kāi)始對(duì)非線性動(dòng)力學(xué)理論,尤其在混沌理論方面進(jìn)行大量的研究。確定性混沌理論一般用來(lái)描述不穩(wěn)定系統(tǒng)中的隨機(jī)現(xiàn)象。盡管學(xué)者們發(fā)現(xiàn)了機(jī)器人在步行過(guò)程中存在混沌現(xiàn)象的證據(jù),但是很少有人嘗試將混沌理論應(yīng)用在機(jī)器人樣機(jī)上并定量的分析混沌對(duì)機(jī)器人步行的影響。因此,本文基于非線性時(shí)間序列分析方法研究人類及被動(dòng)動(dòng)態(tài)步行機(jī)器人的步行,揭示混沌理論與機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域的內(nèi)在聯(lián)系及相關(guān)性。本文的主要研究?jī)?nèi)容是通過(guò)非線性時(shí)間序列法分析人類的步態(tài)及被動(dòng)動(dòng)態(tài)步行規(guī)律,旨在增進(jìn)對(duì)帕金森病患者步態(tài)及殘疾人步態(tài)的認(rèn)識(shí)。由于動(dòng)態(tài)步行的能耗比靜態(tài)步行的能耗低的多,更接近人類的步行過(guò)程,因此主要研究基于動(dòng)態(tài)步行的雙足被動(dòng)動(dòng)態(tài)步行。本文對(duì)近年來(lái)在混沌理論領(lǐng)域的研究成果做了詳細(xì)的總結(jié),并深入探討了在被動(dòng)動(dòng)態(tài)步行機(jī)器人上出現(xiàn)的混沌現(xiàn)象。將步行時(shí)間序列數(shù)據(jù)通過(guò)非線性系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行研究及處理,可以深刻揭示出雙足動(dòng)態(tài)步行過(guò)程的復(fù)雜機(jī)理。人類及被動(dòng)雙足步行機(jī)器人步行過(guò)程會(huì)出現(xiàn)混沌現(xiàn)象,這種混沌現(xiàn)象可以通過(guò)關(guān)聯(lián)維數(shù)及李雅普諾夫指數(shù)進(jìn)行描述。發(fā)現(xiàn)在不同的關(guān)聯(lián)維數(shù)及李雅普諾夫指數(shù)值下,機(jī)器人的步行穩(wěn)定性也不同,并最終通過(guò)圓規(guī)步態(tài)機(jī)器人樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種現(xiàn)象。首先,介紹了被動(dòng)動(dòng)態(tài)步行、混沌理論、非線性時(shí)間序列分析及機(jī)器人中混沌現(xiàn)象的相關(guān)研究背景及成果。同時(shí)指出確定性混沌現(xiàn)象是機(jī)器人研究領(lǐng)域中普遍存在的一種現(xiàn)象。混沌理論的出現(xiàn)加深了人們對(duì)物理世界的認(rèn)識(shí),且非線性時(shí)間序列分析法是揭示雙足機(jī)器人步行復(fù)雜內(nèi)在規(guī)律的有效方法。其次,分析了被動(dòng)動(dòng)態(tài)步行機(jī)器人步行過(guò)程中出現(xiàn)的混沌現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)不同被動(dòng)機(jī)器人中混沌現(xiàn)象進(jìn)行分析可以加深對(duì)發(fā)現(xiàn)混沌現(xiàn)象的方法及混沌控制策略的理解。同時(shí)指出,盡管目前通過(guò)研究混沌及分叉現(xiàn)象加深了對(duì)被動(dòng)動(dòng)態(tài)步行機(jī)器人的理解,但仍有很多問(wèn)題有待于解決。再次,建立了用于被動(dòng)動(dòng)態(tài)步行混沌分析的非線性時(shí)間序列分析方法的基本框架,該方法可以揭示混沌理論與現(xiàn)實(shí)世界的聯(lián)系,也是本文分析人類及被動(dòng)動(dòng)態(tài)步行機(jī)器人步行過(guò)程中非線性度的基礎(chǔ)。非線性時(shí)間序列法在缺少數(shù)學(xué)模型的情況下或者多變量系統(tǒng)中都有廣泛應(yīng)用。通過(guò)重建狀態(tài)空間可以研究非線性時(shí)間序列的非線性度,這種重建是基于“系統(tǒng)的過(guò)去及未來(lái)的信息可以用來(lái)描述系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)”這一概念進(jìn)行的。確定性混沌動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是系統(tǒng)中所有的變量都是具有普遍聯(lián)系的,因此通過(guò)研究單一變量就可以揭示這種系統(tǒng)的規(guī)律。通過(guò)諸如李雅普諾夫指數(shù)及分形維數(shù)等混沌不變量的計(jì)算,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步行系統(tǒng)的建模、預(yù)測(cè)及描述。然后,通過(guò)非線性時(shí)間序列法研究并分析了不同正常人及帕金森病人的步行步態(tài)。對(duì)于不同的步行過(guò)程,低的步態(tài)數(shù)據(jù)嵌入維意味著低維度的混沌現(xiàn)象。鑒于對(duì)應(yīng)的李雅普諾夫指數(shù)值及分形維度值都為正數(shù),所有的正常人及帕金森病人的步態(tài)都呈現(xiàn)出了混沌的動(dòng)態(tài)過(guò)程。帕金森病人的步行動(dòng)態(tài)過(guò)程雖然存在混沌現(xiàn)象,但相對(duì)于年輕人及健康的人來(lái)說(shuō)相關(guān)性更低且更敏感。非線性時(shí)間序列法的定量分析可用來(lái)協(xié)助對(duì)諸如帕金森的運(yùn)動(dòng)疾病的診斷及治療,而對(duì)健康人步態(tài)的各種影響因素的研究則可以為傷者的康復(fù)訓(xùn)練提供理論參考。最后,通過(guò)非線性時(shí)間序列法研究并分析了被動(dòng)動(dòng)態(tài)步行機(jī)器人的復(fù)雜動(dòng)態(tài)步行過(guò)程。首先對(duì)圓規(guī)步態(tài)機(jī)器人進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模,并通過(guò)MATLAB數(shù)值仿真獲得了步行的不動(dòng)點(diǎn)及步態(tài)時(shí)間序列。然后,通過(guò)計(jì)算步行時(shí)間序列的混沌不變量(李雅普諾夫指數(shù)及關(guān)聯(lián)維數(shù))分析了圓規(guī)步態(tài)機(jī)器人的步行過(guò)程。通過(guò)對(duì)比數(shù)值仿真與非線性時(shí)間序列法計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著關(guān)聯(lián)維度值的減小,被動(dòng)機(jī)器人步行穩(wěn)定性逐漸增加。因此,可以通過(guò)計(jì)算不同參數(shù)下相關(guān)指數(shù)值來(lái)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。最后,建立了圓規(guī)步態(tài)機(jī)器人樣機(jī),并在不同的質(zhì)心位置及斜面坡度參數(shù)下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。通過(guò)記錄步行成功的次數(shù)及成功的步行中步行的步數(shù)來(lái)分析步行的穩(wěn)定性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著機(jī)器人腿部質(zhì)心位置的升高,機(jī)器人的關(guān)聯(lián)維度值變小,步行穩(wěn)定性變高,這驗(yàn)證了雅普諾夫指數(shù)值及關(guān)聯(lián)維度值可以預(yù)測(cè)被動(dòng)機(jī)器人步行穩(wěn)定性的結(jié)論。
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【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP242
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本文編號(hào)：2280772