四足机器人机构分析及仿真研究

论文摘要

本课题来源于国家自然科学基金项目,论文以提高四足步行机器人的机动性、柔性、负载能力和适应复杂地形的能力为目标,对步行腿机械本体结构设计、运动学数学模型、运动空间、减震缓冲能力和虚拟样机运动仿真技术开展了研究。首先,在分析国内外各种步行机器人及步行腿相关技术研究的基础上,根据四足哺乳动物腿部的特点,提出了一种三自由度混联弹性驱动步行腿,该步行腿由一个串联机构和一个2自由度并联机构相结合而成。设计了一种新型的混联驱动四足步行机器人,对它的驱动系统展开了研究,提出了一种由弹性驱动器来提供动力的混联弹性驱动方案,并提出了机器人控制系统的实施方案。其次,通过建立步行腿正向、逆向运动学数学模型,得到了运动学特征方程,给出了步行腿速度和加速度的计算方法并建立了步行腿的足尖刚度矩阵。采用图解法和蒙特卡罗法对运动空间进行了分析,得到了足尖运动空间的云点分布图。分析结果表明步行腿的运动空间在步行前进方向上的范围较大,在抬腿和侧摆方向的范围相对较小,这与四足哺乳动物行走时腿部的运动相似,满足四足步行机器人腿部运动空间的要求,为步行腿的机械本体结构设计提供了依据；足尖刚度矩阵的建立提高了步行腿的运动特性和定位精度,为步行机器人的阻抗研究提供了参考。再次,为了对四足机器人进行进一步的基础研究,设计了步行腿的具体结构,大腿部位采用并联驱动方式,增大了步行腿的垂直驱动力和承载能力；小腿部位采用串联驱动方式,增加足部的运动空间。探讨了虎克铰链与球铰链在步行腿运动过程中的干涉情况,对它们的结构进行了设计,并对虎克铰链进行了优化,使得虎克铰链在不发生干涉的情况下,结构尺寸更小。最后,利用ADAMS和MATLAB软件建立了四足机器人步行腿虚拟仿真模型,进行了大量的仿真实验,主要对步行腿作了运动学和抗冲击力性能仿真实验。仿真结果表明,步行腿具有良好的运动特性和减震缓冲性能,使用弹性阻尼环节时足部触地的冲击力远小于不使用时足部触地的冲击力。以上实验得到了一些有意义的数据和结果,证明了步行腿的结构是合理的,为四足机器人样机的研制提供了有力的参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题概述
• 1.1.1 本课题的来源
• 1.1.2 研究背景
• 1.1.3 研究目的及意义
• 1.2 四足步行机器人研究概况
• 1.2.1 串联腿式机器人
• 1.2.2 并联腿式机器人
• 1.2.3 混联腿式机器人
• 1.3 本论文的主要研究内容及体系结构
• 1.3.1 本论文的主要研究内容
• 1.3.2 本论文的体系结构
• 第2章 四足步行机器人总体方案研究
• 2.1 四足步行机器人机械本体结构
• 2.1.1 仿生四足机器人结构模型
• 2.1.2 四足步行机器人方案设计
• 2.1.3 四足步行机器人本体结构
• 2.2 机器人驱动系统研究
• 2.2.1 机器人驱动系统实施方案
• 2.2.2 弹性驱动器的研制
• 2.2.3 弹性驱动器的选取
• 2.3 传感模块设计
• 2.4 四足步行机器人控制系统方案
• 2.4.1 控制系统总体设计方案
• 2.4.2 控制系统硬件设计方案
• 2.4.3 控制系统程序结构
• 2.5 本章小结
• 第3章 步行腿运动学研究及运动空间分析
• 3.1 机构的数学理论基础
• 3.1.1 刚体的位姿描述和齐次变换
• 3.1.2 连杆的变换通式
• 3.1.3 雅可比矩阵
• 3.2 步行腿数学位姿模型的建立
• 3.2.1 步行腿机构的描述
• 3.2.2 坐标系的建立
• 3.2.3 步行腿机构的等效简化
• 3.3 步行腿运动学研究
• 3.3.1 步行腿的正运动学分析
• 3.3.2 步行腿的逆运动学分析
• 3.3.3 速度与加速度分析
• 3.3.4 足尖的刚度矩阵
• 3.4 步行腿运动空间分析
• 3.4.1 基于图解法的运动空间分析
• 3.4.2 基于蒙特卡罗方法的运动空间分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 四足机器人步行腿结构设计
• 4.1 机器人腿部系统结构
• 4.1.1 混联式步行腿总体结构设计方案
• 4.1.2 混联弹性驱动步行腿运动原理
• 4.2 步行腿机械本体设计
• 4.2.1 弹性驱动器简介
• 4.2.2 并联弹性驱动机构设计
• 4.2.3 串联弹性驱动机构设计
• 4.2.4 腿部连杆模块设计
• 4.2.5 足部模块设计
• 4.3 虎克铰链的结构设计及优化
• 4.3.1 虎克铰设计方案
• 4.3.2 虎克铰干涉判定
• 4.3.3 虎克铰机械结构优化
• 4.4 球铰链结构设计
• 4.4.1 球铰链简介
• 4.4.2 球铰链的结构及设计方法
• 4.4.3 球铰链结构的改进方案
• 4.5 本章小结
• 第5章 四足机器人步行腿仿真实验
• 5.1 混联式步行腿运动学仿真实验
• 5.1.1 仿真工作模块及实验仿真步骤
• 5.1.2 步行腿虚拟样机的建立
• 5.1.3 步行腿运动学仿真结果及分析
• 5.2 步行腿抗冲击力仿真实验
• 5.2.1 数学模型的提出及动力学分析
• 5.2.2 抗冲击力仿真实验研究
• 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