两栖多足机器人运动规划及相关技术研究

论文摘要

本文来源于国家自然科学基金项目“两栖仿生机器蟹基础技术研究”。在国内外研究调研的基础上,本文针对两栖多足机器人的运动规划,在机器人的机械结构设计、运动学模型的建立、运动学正反解分析、步态规划、控制系统设计和仿真分析等方面做了以下研究:对机器人的自由度进行设计,安排自由度的个数及分布,通过计算验证了其合理性。在此基础上,按照模块化设计思想,进行了机器人的机械结构设计。针对两栖多足机器人控制系统的特点,进行了机器人的控制系统的设计。在此基础上,设计了系统中的关节伺服驱动模块的硬件、USB接口模块的软硬件,并对其它模块展开了研究。针对此机器人的结构特点,根据D-H坐标法则,建立了单足及多足运动学模型。在此基础上进行运动学正反解分析,得到了用于运动学反解的方程和雅可比矩阵。此外,对运动学逆解的循环逼近法进行了分析,研究了循环死区现象,并提出了改进算法。建立了落地足运动学模型并对其进行了运动学分析。根据步态规划的任务,针对此机器人提出了平面移动步态及用于步态规划的躯体固定法。对躯体固定法进行了理论分析,并提出了具体的应用步骤。按照此法给出了步态规划的实例,获得了各腿末端的运动学方程。在Simulink仿真环境下搭建仿真模型,根据步态规划的结果进行了运动学反解运算,获得了此步态中各关节驱动变量。同时对循环逼近法进行仿真分析,验证了理论分析的正确性。然后搭建基于SimMechanics的运动模型,进行了单足和多足运动仿真分析,分析结果表明反解运算是正确的,并与步态规划的期望一致。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 多足机器人的国内外研究现状
• 1.3 多足机器人运动规划的主要研究问题
• 1.4 本文的主要内容和研究思路
• 1.4.1 本文的主要内容
• 1.4.2 本文的研究思路
• 第2章 两栖多足机器人的总体设计
• 2.1 机械结构设计
• 2.1.1 自由度的设计
• 2.1.2 机械结构组成
• 2.1.3 步行足的结构设计
• 2.2 控制系统设计
• 2.2.1 控制系统的总体设计方案
• 2.2.2 关节伺服驱动模块
• 2.2.3 USB总线接口模块
• 2.2.4 其它模块
• 2.3 本章小结
• 第3章 两栖多足机器人的运动学分析
• 3.1 模型的建立
• 3.1.1 单足运动学模型
• 3.1.2 多足运动学模型
• 3.2 摆动足运动学分析
• 3.2.1 运动学正解
• 3.2.2 运动学反解的基础方程
• 3.2.3 雅可比矩阵
• 3.2.4 运动学反解的循环逼近法
• 3.3 落地足运动学分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 两栖多足机器人的步态规划
• 4.1 步态规划的任务及特征
• 4.2 以躯体为参考系的躯体固定法
• 4.2.1 理论分析
• 4.2.2 应用步骤
• 4.3 步态规划的实例
• 4.3.1 可行区域的确定
• 4.3.2 腿8末端轨迹
• 4.3.3 腿5末端轨迹
• 4.3.4 各腿末端轨迹
• 4.4 本章小结
• 第5章 运动仿真分析
• 5.1 运动学反解运算
• 5.1.1 仿真参数的设置
• 5.1.2 基于fsolve函数的求解方法
• 5.1.3 基于循环逼近法的反解运算及分析
• 5.2 反解验证分析
• 5.2.1 单足运动仿真分析
• 5.2.2 多足运动仿真分析
• 5.3 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