一种新型六足仿生虫的结构设计与动力学分析

论文摘要

步行机器人作为一种代替轮式或履带式移动装置来穿越复杂地形的机构,以其特有的优势得到越来越多的研究。其中六足步行机作为在运动过程中具有静态稳定性,同时足的数目较少的移动机器人,对其的研究相对广泛和深入。目前,六足步行机腿部机构设计时通常模仿动物腿的形式,这使其具有多个自由度可以实现大的工作空间和运动灵活性,但同时也增加了控制的难度。本文主要关注机器虫的移动功能,目标为得到具有前进、转弯等移动功能的,具有较少自由度配置的仿生虫。本文综述了多足步行机器人的概念、发展历程;设计了达到要求的运动功能、同时腿部结构自由度数目较小、整体所需驱动源较少的仿生虫及其运动步态。通过对步行机器人腿部机构的研究,综合出了具有适合的足端轨迹的六连杆机构作为其腿机构;同时对腿部机构的正运动学分别采用隐函数方法与求解非线性方程方法进行了分析;由于旋量方法能表达明确的几何意义,本文运用旋量理论对该六连杆机构的特殊位置进行了分析。在腿机构分析的基础上,给出了仿生虫整体运动学分析的方法。在采用欧拉-拉格朗日方法的ADAMS软件和采用AB递推算法的软件DynaMechs下分别对仿生虫进行了动力学仿真和分析,并对两种算法的结果进行了比较。最后搭建实物样机对所作的工作进行验证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本文的研究背景
• 1.2 步行机器人国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 步行机的现阶段的研究任务
• 1.4 本课题的研究动机
• 1.5 本课题的主要研究内容
• 1.6 本文的结构安排
• 第二章 六足仿生虫的机械机构
• 2.1 仿生虫的腿部设计
• 2.1.1 腿部机构的选型
• 2.1.2 平面连杆机构的综合
• 2.2 仿生虫整体结构设计
• 2.2.1 仿生虫构型的分类及特点
• 2.2.2 仿生虫的整体结构
• 第三章 仿生虫运动学分析与步态选择
• 3.1 腿部机构的运动学分析
• 3.1.1 腿部机构正运动学分析
• 3.1.2 腿部机构逆运动学
• 3.2 腿部机构运动特殊位置的判断
• 3.2.1 刚体运动的指数坐标
• 3.2.2 雅可比矩阵
• 3.2.3 腿部机构特殊位置的判断
• 3.3 仿生虫整体运动学分析
• 3.4 仿生虫的行走步态
• 3.4.1 步态的描述
• 3.4.2 仿生虫步态的设计
• 第四章 仿生虫的动力学分析
• 4.1 仿生虫在ADAMS 中的动力学分析
• 4.1.1 ADAMS 动力学分析过程
• 4.1.2 仿生虫在ADAMS 中的建模与仿真
• 4.2 AB 算法对仿生虫动力学的分析
• 4.2.1 空间表示
• 4.2.2 关节模型
• 4.2.3 系统的拓扑构型
• 4.2.4 第二关节约束方程的推导
• 4.2.5 仿生虫的正动力学分析
• 4.2.6 约束违约稳定法
• 4.2.7 仿生虫的动力学仿真
• 第五章 仿生虫的步行实验
• 5.1 六足仿生机器虫的基本概况
• 5.2 六足仿生虫的步行实验
• 5.2.1 仿生虫直线行走实验
• 5.2.2 仿生虫转弯实验
• 5.3 与慧鱼仿生六足机器虫的比较
• 第六章 总结与展望
• 6.1 主要工作与总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在校期间发表的学术论文