一种腿轮四足机器人机构及其步态与仿真的研究

论文摘要

四足机器人有很强的环境适应性和运动灵活性,可广泛运用于抢险救灾、排雷、探险、娱乐及军事等领域,因此,对四足机器人的研究已成为机器人研究领域的重要课题。但是四足机器人的结构复杂,在用传统的机械系统实物试验研究方法设计四足机器人时,不仅周期长,成本大,而且设计过程中计算量巨大,直观性较差,为了提高四足机器人设计的效率和可靠性,本文采用三维结构建模对四足机器人进行仿真研究。论文的主要内容包括:进行了腿轮四足机器人的结构设计,建立了该机器人的运动坐标体系,及其等效简化结构的多刚体动力学模型,对上述模型进行了运动学和动力学分析,给出了该机器人的运动学、逆运动学方程和雅可比矩阵,并导出了其简化结构多刚体系统的第二类Lagrange动力学方程组。为后面的基于三维结构模型的仿真分析提供了理论基础。参照四足机器人实际的几何参数、物理特性,借助PRO/E软件建立了三维实体模型,将该模型导入ADAMS平台,施加约束,建立四足机器人的仿真模型。对腿轮式四足机器人进行了平面爬行、平面滑行和阶梯爬行步态的规划。以稳定裕量作为四足机器人静态稳定的标准,以象限为分界线明确了不同初始落足点时机器人迈腿的可能性;建立了步态描述的数学模型,基于模型对步态进行了分类,明确了静平衡步态的模型参数。基于迈腿次序将所有步态划分为6种类型,并对比分析了6种步态的两个特性参数:稳定裕量以及机器人的运动复杂性。基于机器人平台实际参数进行了平面爬行、阶梯以及大落差阶梯爬行、平面滑行步态的仿真研究。采用规划好的四足机器人步态,在ADAMS环境下,对四足机器人进行仿真,获取一系列重要的结果,验证了方案和结构设计的合理性,也为提升控制品质的后续研究工作提供有价值的数据信息。从步态仿真结果来看,上述研究工作是有效、可靠的,达到了预期的效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 多足机器人的研究概述
• 1.2.1 多足机器人的研究现状
• 1.2.2 未来多足步行机器人的研究方向
• 1.3 本课题的主要研究内容
• 第2章 腿轮式四足机器人机构及其运动学、动力学分析
• 2.1 引言
• 2.2 腿轮四足机器人结构
• 2.2.1 机构总体方案
• 2.2.2 机构运动学分析
• 2.2.3 关节角速度和角加速度
• 2.2.4 机器人重心
• 2.3 运动支链运动空间的分析
• 2.3.1 单腿运动空间的分析
• 2.3.2 四腿支撑时运动空间的分析
• 2.4 腿轮式四足机器人动力学分析基础
• 2.4.1 动力学分析的理论基础
• 2.4.2 动力学方程式
• 2.5 动力学分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 腿轮式四足机器人的步态研究
• 3.1 引言
• 3.2 腿轮四足机器人平面爬行步态的规划
• 3.2.1 平面爬行的静平衡判定
• 3.2.2 腿轮四足机器人平面爬行步态的分类
• 3.2.3 腿轮四足机器人平面慢步步态分析
• 3.2.4 腿轮四足机器人平面爬行的运动规划
• 3.3 腿轮四足机器人平面滑行步态的规划
• 3.3.1 滑行原理
• 3.3.2 腿轮四足机器人滑行运动规划
• 3.3.3 腿轮四足机器人滑行时摆腿过程的轨迹规划
• 3.4 腿轮四足机器人爬阶梯步态的规划
• 3.4.1 爬阶梯迈腿过程的运动规划
• 3.4.2 爬阶梯稳定性分析
• 3.4.3 爬相同高度阶梯的规划
• 3.4.4 爬不同高度阶梯的规划规划
• 3.5 本章小结
• 第4章 腿轮式机器人步态及动力学仿真研究
• 4.1 引言
• 4.2 平面爬行步态的运动仿真
• 4.2.1 迈腿顺序为1234 步态的仿真
• 4.2.2 迈腿顺序为1423 单独移动机体的仿真
• 4.2.3 迈腿顺序为1423 同时移动机体的仿真
• 4.3 平面滑行步态的动力学仿真
• 4.3.1 直线滑行的仿真
• 4.3.2 转弯滑行仿真
• 4.3.3 原地滑行仿真
• 4.4 阶梯步态的运动仿真
• 4.4.1 爬跨度比较小的步态仿真
• 4.4.2 爬跨度比较大时的步态仿真
• 4.4.3 爬落差比较大时的步态规划的仿真
• 4.5 动力学仿真分析
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢