平面型点接触两足跑步运动稳定性分析与控制策略研究--《国防科学技术大学》2011年硕士论文
平面型点接触两足跑步运动稳定性分析与控制策略研究
【摘要】：仿人机器人具有广阔的应用前景,一直以来受到各方面的高度关注。经过四十多年的发展,取得了众多骄人的研究成果,但就目前发展水平来看,还远未达到人类的期望。一个重要原因就是运动性能较差,主要体现在速度低、能耗大、环境适应性差等方面。为研究仿人机器人的高速高效运动,研究者们提出了点接触两足机器人这一崭新的机器人结构。与仿人机器人相比,点接触两足机器人没有脚掌,只能与地面点接触形成欠驱动系统,因而可以充分利用重力和惯性力,实现高速、高效、动作自然、环境适应性强的步态。
本文主要研究平面型点接触两足机器人跑步运动的稳定性以及控制策略问题,主要内容包括:
首先对平面型点接触两足机器人的系统模型进行研究。分别基于D-H坐标建立机器人运动学模型,基于Lagrange函数建立单脚支撑期和飞行期的控制系统模型,基于刚性冲击过程建立状态切换模型,从而为后续的研究奠定基础。
稳定控制是点接触两足机器人控制难点之一。由于机构特殊,现有仿人机器人稳定判据并不能直接用于点接触两足机器人领域。针对目前已有的点接触两足机器人稳定判据,分析了其各自的特点和存在的问题。然后从仿生学角度研究了人类跑步运动模式,归纳出跑步的仿生学特点,并给出了一个跑步的稳定性描述。
点接触两足机器人跑步运动的控制策略是本文研究的重要内容。基于人类跑步运动模式的仿生学研究,通过简化机器人为具有伸缩腿结构的倒立摆模型,提出了分解控制策略,即将机器人的跑步运动分解为竖直速度控制、水平速度控制和姿态控制三个方面单独进行控制,通过等效控制,实现了平面型五连杆机器人稳定的跑步运动。
为验证提出的跑步稳定性描述和分解控制策略,搭建了仿真平台。通过仿真平台,建立了平面型点接触两足机器人系统模型,验证了跑步稳定性描述的正确性和分解控制算法的有效性。
最后,总结本文所做工作,分析不足之处,并提出今后的研究重点。
【关键词】：
【学位授予单位】：国防科学技术大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2011【分类号】：TP242【目录】：
摘要8-9ABSTRACT9-11第一章 绪论11-23 1.1 研究背景及意义11-13 1.2 国内外研究现状13-22
1.2.1 国内外仿人机器人研究现状13-17
1.2.2 国内外点接触机器人研究现状17-22 1.3 本文研究的主要内容22-23第二章 点接触两足机器人系统模型23-33 2.1 引言23 2.2 点接触两足机器人运动学模型23-26
2.2.1 点接触两足机器人模型选择和运动假设23-24
2.2.2 点接触两足机器人运动学模型24-26 2.3 点接触两足机器人控制系统模型26-32
2.3.1 控制系统模型26-29
2.3.2 状态切换模型29-32
2.3.3 论域32 2.4 小结32-33第三章 点接触两足机器人稳定性研究33-42 3.1 引言33 3.2 点接触两足机器人跑步稳定判据33-36
3.2.1 极限环稳定判据33-35
3.2.2 截面映射稳定判据35
3.2.3 失衡度稳定判据35-36 3.3 人类跑步运动的仿生学研究36-38
3.3.1 跑步的步态特征36-37
3.3.2 重心的运动规律37-38
3.3.3 跑步的技术效率38 3.4 跑步运动的稳定性描述38-41
3.4.1 倒立摆模型38-40
3.4.2 重心的运动区域40-41 3.5 小结41-42第四章 点接触两足机器人跑步控制策略研究42-52 4.1 引言42 4.2 点接触两足机器人控制策略42-44
4.2.1 基于动力学模型的控制策略42-43
4.2.2 基于仿生学的控制策略43-44 4.3 点接触两足机器人跑步控制策略研究44-51
4.3.1 重心运动模式44-45
4.3.2 分解控制策略45-48
4.3.3 策略的等效运用48-51 4.4 小结51-52第五章 仿真与分析52-64 5.1 引言52 5.2 仿真平台52-54 5.3 倒立摆对称运动的条件54-58 5.4 分解控制58-60
5.4.1 速度控制59
5.4.2 姿态控制59-60 5.5 运动区域的稳定60-61 5.6 极限环稳定判据验证61-62 5.7 跑步技术效率62-63 5.8 小结63-64第六章 总结与展望64-66 6.1 全文总结64-65 6.2 研究展望65-66致谢66-67参考文献67-73作者在学期间取得的学术成果73
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试一试这些跑步新方法
人类是习惯性动物，跑者也不例外：我们会依赖某种特定的训练方式，一直重复，直到感觉无聊或者不感兴趣了。如果你觉得训练失去了新鲜感，快用科学来充实一下训练内容吧。研究人员们一直在试图测试运动员对不同训练技术的反应，有时候这些研究会发现高效的新训练方法，挑战身体、提升能力。目前正是尝试新方法的绝佳时间，“Life Time Fitness”的全国跑步训练经理丽贝卡?梅尔如是建议。她有自己的理由：“夏天是不错的空窗期，因为跑量相对来说较少。因此是尝试新事物的好时机。”下面这些貌似古怪的方法，都是从最近的科学发现中借鉴过来的，能够振奋你对跑步的感受。调转方向偶尔把跑步的方向转一转也许能让你的身体在每次跑步的时候可以更有效地利用能量，这是一项近期研究的结论。研究人员们发现在为期十周的训练里，加入后退跑，足以将训练充分的跑者们的跑步效率提升2.5％。因为近似的配速下，不熟悉的动作(后退跑)会给心脏和肺部提出更高的要求。后退跑，或者任何需要你倒退着进行的训练，还能提升肌肉的稳定性和协调性，网站的登山训练教练，美国力量训练协会认证专家，科特莱?舒尔曼(Courtenay Schurman)如是解释。另外，倒退移动能动用到股四头肌，对于在平坦地面上跑步的跑者尤其有益(平坦地面主要会锻炼到腿筋)。怎么做？ 每周1－2次的轻松跑后，尝试在平坦、没什么交通的路面上加入6组25－50码的后退跑。改良歌单高能的音乐(每分钟至少125拍)能有效提升状态，但舒缓的旋律同样可以在训练中起到作用。一项新研究的作者发现，当测试对象跑20分钟后，听慢节奏的音乐，他们的心率回到正常状态的时间要比听激烈音乐或者静电噪音的时候更快。研究人员们推测，在速度训练或者节奏跑的间歇时间里听慢节奏的音乐能有相似的效果。《在训练和运动中运用音乐》一书的作者，寇斯塔斯?卡拉季奥吉斯(Costas Karageorghis)博士为这个效果提出了一个解释：当身体相当疲倦的时候，心跳和呼吸频率会试着跟着音乐的节奏特征。怎么做？ 制作一张歌单，用一两首快节奏的歌来提升高强度训练前的状态，然后放一两首慢节奏的歌用于恢复的间歇。卡拉季奥吉斯推荐每分钟100－120拍的歌(比如，Fifth Harmony的新歌单Work From Home)用于恢复。但在训练中把音乐关掉，好让感官能注意自己的发力和姿态，卡拉季奥吉斯建议。步行休息新手们在训练中穿插步行放松已经很多年了，但资深跑者们在挑战高难度的坡度时，也能从步行中受益。新的研究显示，步行登上陡峭的坡道(超过15.8度的坡度) 要比同样的配速跑上去更有效。步行上坡让你的心率受到控制并且防止触及无氧阀值(身体从此刻只燃烧碳水化合物供能)。怎么做？在陡峭坡道的底部，将爬升的距离分为三段。第一段用跑，第二段换成快走。一旦完成了前两段后，分析自己的状态，根据梅尔的建议，如果呼吸平稳，可以继续跑，但要是还在大口地喘气，步行能够帮助你节省能量，还不会花太多的时间。
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跑步不能只使蛮力 3种方法教你提高跑步效率
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　　耗费较少的能量跑出更快的速度，这就是跑步效率的问题。相信很多跑者都希望自己的效率变高，从而取得更好的成绩。不妨尝试一下这三种方法。
　　变得强壮
　　肌无力或者肌肉失衡在跑者中并不罕见，哪怕是经常进行力量训练的跑者，如果锻炼方法不正确或者找不到肌肉失衡的根本，很容易成为肌无力的受害者。当肌肉失衡或者肌无力时，跑步效率自然不会高。
　　比如，长时间的坐着会引发臀部两侧的肌肉变弱，导致臀部的不稳定和侧向位移。这种情况会通过浪费横向移动来影响跑步的姿势，同时也会引起一些过劳性伤病，比如髂胫骨综合征等。
　　要想变得强壮，不能只进行一些典型的多关节运动，像弓步、深蹲等，也要进行一些简单的运动。简单的运动看起来不起什么作用，实际上它会帮助激活和加强疲软的、不活跃的肌肉。
　　这几项运动能够帮助跑者平衡身体肌肉，拥有更好的稳定性，让跑步变得更有效率。平板撑（标准姿势、登山姿势和侧姿）、弓步、深蹲（单腿和双腿）、贝壳（侧躺时保持像贝壳一样的姿势）、俯卧撑、抗阻训练、单双腿背桥。
　　牵张训练
　　在日常训练中加入一些增强式训练，通过牵张-收缩循环提升肌肉的弹性，进而增强力量和速度。在肌肉进行爆发性收缩之前进行拉伸，比如单腿跳跃之前进行膝盖弯曲，收缩时会更有力量速度更快。
　　因为这些运动从本质上来说都是爆发性的，所以最好是在建立了一定力量训练的基础上加入到训练项目中，每周进行一次，和力量训练交替进行。在跑步之后进行这些运动时，要注意姿势，否则很容易受伤。
　　下面介绍三种适合跑者的牵张训练。单腿向上跳跃：胳膊摆出跑步的姿势，每条腿跳跃各20次，注意落地时要轻，逐渐增加每一次跳跃的高度。
　　向前跳跃：摆出略显夸张的跑步姿势，向前使劲跳跃，注意膝盖向上提，连续进行20秒，然后返回重复2-3次。
　　蹲跳：双腿与肩同宽，然后弯曲膝盖做出下蹲的姿势，双手摸着地面。然后向空中跃起，双手向上伸直。落地时，膝盖稍微弯曲，接触地面之后再跳起。重复20秒。
　　提高步频
　　步频就是跑者一分钟之内迈步的数量。理想的步频是180步/分钟，如果低于170步，说明跑者在垂直方向上用了太多的能量，向前的方向能量消耗少，自然降低了效率。在提高步频时，一方面是缩短步幅，也就是缩短了每步之间的时间，让自己在规定时间内迈出更多的步伐；另一方面，可以利用节拍器进行训练。（来源：千龙网）
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