六足机器人横向行走步态规划及稳定性研究

论文摘要

六足机器人技术作为机器人领域研究的热点,一直以来都受到众多科研人员的关注。其优越的运动性能和良好的地形适应能力,以及优良的稳定性是其它步行机器人所无法比拟的。本论文从六足机器人的机构设计入手,在理论分析的基础上,为所设计的六足机器人规划了一种横向行走步态,并对其稳定性进行了分析。又借助相关软件对所规划步态进行了仿真验证,研究了相关运动参数对其运动性能的影响。同时还搭建了六足机器人实物样机实验平台,并进行了调试。首先,本论文是在本校机电工程研究所前期研究的基础上,对原有的六足机器人机构进行了适当的改进和优化设计,在保留原有虚拟样机单腿六自由度优点的同时,使其易于实现实物样机的搭建。在机构设计的同时,为各驱动关节选择了合适的驱动器,完成相关零件的加工之后,搭建了实物样机实验平台。在机构设计的过程中,对其腿部机构的工作空间进行求解,以确定腿部机构的可达范围,同时也验证了机构设计的合理性。还建立了腿部机构的数学模型,对处于站立相和摆动相状态的腿部机构进行运动学求解,为下一步的研究打下基础。其次,以所设计的六足机器人机构为研究对象,为其规划了一种横向行走三角步态,并对该步态下行走的稳定性进行了分析。针对目前六足机器人领域横向行走步态方面理论研究较少的现状,在深入研究自然界中六足生物行走方式和六足机器人运动机理的基础上,从步态总体规划、步态分析、最大步幅计算以及足端运动轨迹规划等方面入手,为其规划了一种横向行走三角步态。完成步态规划之后,又采用不同的稳定性判别方法,对水平地面上行走和坡面上行走两种情况下的行走稳定性进行了计算分析。最后,采用虚拟样机技术对所规划的横向行走步态进行仿真,验证了该步态的行走能力以及该步态行走的稳定性和连续性,并得出了该步态行走时机器人腿部各关节的转角曲线,为实物样机实验提供了依据。同时,又运用仿真的方法研究了各运动参数对六足机器人运动性能的影响,得到了各关节转角速度随步高和步长等运动参数的变化规律,为步态优化和机器人控制提供参考。并对所搭建的六足机器人实物样机实验平台进行了调试,验证了所设计六足机器人机构的运动能力和驱动元件的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究目的及意义
• 1.2 六足步行机器人研究现状
• 1.2.1 国内外具有代表性的六足步行机器人
• 1.2.2 六足步行机器人步态及稳定性研究现状
• 1.2.3 当前六足步行机器人研究发展趋势
• 1.3 本论文的主要研究工作
• 1.4 本文结构
• 第二章 六足机器人实验平台机构设计
• 2.1 六足机器人机构建模
• 2.2 六足机器人结构设计
• 2.2.1 驱动部件的选择
• 2.2.2 机械结构设计
• 2.3 六足机器人腿部工作空间计算
• 2.4 本章小结
• 第三章 六足机器人运动学分析
• 3.1 腿部机构运动学分析
• 3.1.1 站立腿运动学分析
• 3.1.2 摆动腿运动学分析
• 3.2 本章小结
• 第四章 六足机器人步态规划及稳定性分析
• 4.1 六足机器人步态规划
• 4.1.1 步态的参数定义
• 4.1.2 横向行走步态规划
• 4.1.3 横向行走步态分析
• 4.1.4 最大步幅计算
• 4.1.5 足端轨迹规划
• 4.2 横向行走步态稳定性分析
• 4.2.1 水平路面行走时静态稳定性计算
• 4.2.2 坡面上行走时的能量稳定性分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 基于虚拟样机技术的运动学仿真与实物样机调试
• 5.1 虚拟样机建模仿真工具简介
• 5.2 六足机器人运动仿真模型的构建
• 5.3 六足机器人横向行走步态仿真
• 5.3.1 添加运动约束和驱动
• 5.3.2 六足机器人横向行走步态运动学仿真
• 5.3.3 六足机器人运动性能研究
• 5.4 实物样机调试过程
• 5.4.1 舵机控制器和电源的选择
• 5.4.2 样机调试过程
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果