八足机器人步行机制及稳定性研究

论文摘要

随着机器人技术研究的深入,足式仿生机器人逐渐成为了研究热点。这得益于其在非结构化环境下显现出的运动灵活、稳定性好和行走速度快的性能优势。本课题源自于国家自然科学基金“多足仿生机器蟹复杂地貌行走方法研究”。旨在通过对生物蟹身体结构的分析研究,设计制作出八足仿生机器人本体；并模仿生物蟹的运动机理,研究合理有效的步态规划方法,使八足机器人行走更加平稳高效。本文首先对国内外多足机器人的发展研究概况进行了简要的阐述,分析了多足机器人领域的研究重点和未来技术发展趋势。在此基础上,对八足机器人进行了总体结构的设计,完成了基于弹性转动驱动的模块化关节及圆弧式仿生足端结构设计。并对八足机器人递阶式控制系统硬件电路设计进行了简要的介绍。在结构设计的基础上,对八足机器人的整体和单步行足进行了模型简化分析,利用D-H法建立了摆动步行足的运动学模型,并对八足机器人整体运动学进行了简要的分析；同时,对八足机器人进行了动力学分析,其中包括弹性转动驱动关节动力学分析,摆动足动力学分析和整体动力学分析。运动学和动力学分析为机器人运动机制研究奠定了完整的理论基础。随后,在八足机器人机构特征分析和运动学分析的基础上,应用规范化能量稳定裕度判据得出了八足机器人静态稳定性描述方法。建立了各种行走环境下机器人静态稳定裕度计算的通用数学模型,并分别对水平面、斜面两种典型行走环境下的不同行走方式的稳定性进行了对比分析。接着,结合稳定性研究的成果对八机器人的行走步态进行了深入研究,提出了连续类滚步态,并与传统的双四足步态进行了性能对比分析,得出了连续类滚动步态的优越特性；在横向行走步态研究的基础上,又对纵向行走步态和越障步态进行了研究,将跟导步态的思想应用到了八足机器人纵向行走步态规划方法中。最后,针对八足机器人研究的关键技术进行了实验。其中包括基于"ADAMS"和“Pro/E”联合虚拟仿真的弹性转动驱动关节吸振性能测试实验；基于"dSPACE"和原理样机的连续类滚动步态行走性能实验、纵向跟导步态行走性能实验。通过实验分析,验证了弹性转动驱动关节的良好吸振特性和连续类滚动步态的优良行走性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究背景
• 1.2 国内外多足机器人研究发展概况
• 1.2.1 国外多足机器人研究概况
• 1.2.2 国内多足机器人研究概况
• 1.3 多足机器人稳定性研究概况
• 1.3.1 静态稳定性理论研究概况
• 1.3.2 动态稳定性理论研究概况
• 1.4 论文主要研究内容
• 第2章 八足机器人总体结构及控制系统方案设计
• 2.1 引言
• 2.2 八足机器人总体结构设计
• 2.2.1 八足机器人整体结构布局
• 2.2.2 弹性转动驱动关节模块化结构设计
• 2.2.3 仿生足端结构设计
• 2.3 八足机器人控制系统方案设计
• 2.3.1 控制系统体系结构
• 2.3.2 控制系统硬件设计
• 2.4 本章小结
• 第3章 八足机器人运动学及动力学分析
• 3.1 引言
• 3.2 八足机器人结构分析
• 3.2.1 单步行足机构分析
• 3.2.2 整体机构分析
• 3.3 八足机器人运动学分析
• 3.3.1 摆动足运动学分析
• 3.3.2 整体运动学分析
• 3.4 八足机器人动力学分析
• 3.4.1 弹性转动驱动关节动力学分析
• 3.4.2 摆动足动力学分析
• 3.4.3 整体动力学分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 八足机器人稳定性研究及步态规划
• 4.1 引言
• 4.2 八足机器人静态稳定性描述
• 4.3 八足机器人行走稳定性分析
• 4.3.1 水平面行走稳定性分析
• 4.3.2 斜面行走稳定性分析
• 4.4 八足机器人行走步态研究
• 4.4.1 步态基本参数描述
• 4.4.2 横向行走步态研究
• 4.4.3 纵向行走步态研究
• 4.5 八足机器人越障步态研究
• 4.6 本章小结
• 第5章 八足机器人实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 弹性转动驱动关节性能仿真实验
• 5.2.1 仿真平台及实验设计
• 5.2.2 仿真实验结果分析
• 5.3 八足机器人行走实验
• 5.3.1 实验系统简介
• 5.3.2 横向行走性能测试实验
• 5.3.3 纵向跟导步态行走实验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢