轮腿混合式六肢体轮滑机器人运动学模型与仿真研究

论文摘要

被动轮与腿融合机器人是一种新型轮腿混合式机器人,与主动轮与腿混合机器人相比,不必附加额外的驱动、转向和制动等装置,大大的减小了机器人的体积和重量,降低了能量损耗,更好的体现了轮腿混合式机器人机动灵活性好和环境适应性强的特点。但是目前针对其运动学基础理论的研究相对匮乏。本文提出了轮腿混合式六肢体轮滑机器人的物理模型,并对其运动学问题展开了相关研究。依据轮滑原理,本文提出了轮腿混合式六肢体轮滑机器人物理模型,分别建立了单肢体运动学数学模型和机器人运动学数学模型。分别对上述运动学模型进行了求解,得到了机器人机体中心、肢体关节变量、肢体末端脚轮中心和地面固定参考之间的相互运动关系。根据运动学理论,进行了步行和滑行两种移动模式的步态规划。步行模式,采用六足机器人最通用的三角步态,并对直线行走步态和原地旋转步态做了规划。滑行模式,对直线滑行、原地旋转滑行、转弯滑行和斜线滑行分别进行了系统研究,给出了步态规划方案。利用ADAMS软件对所建立的机器人运动学模型和步态规划方案进行了验证和仿真分析。首先,建立了机器人参数化虚拟样机;然后,按照步态规划方案,进行了步行和滑行两种移动模式的运动学仿真,成功的实现了直线步行、旋转步行、直线滑行、旋转滑行、转弯滑行和斜线滑行;最后,对肢体运动参数对机器人运动的影响进行了分析。虚拟样机验证表明,机器人运动学建模与求解正确,步态规划方案设计合理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 轮腿混合式机器人研究现状
• 1.2.1 行星探测车
• 1.2.2 其它轮腿混合式机器人
• 1.3 课题研究目的和意义
• 1.4 主要研究目标和内容
• 第2章 机器人的运动学建模与求解
• 2.1 物理模型的建立
• 2.1.1 机体的物理模型
• 2.1.2 肢体的物理模型
• 2.2 单肢体运动学求解
• 2.2.1 单肢体正运动学
• 2.2.2 单肢体逆运动学
• 2.3 机器人运动学求解
• 2.3.1 机器人正运动学
• 2.3.2 机器人逆运动学
• 2.4 机器人运动学验证
• 2.5 机器人滑行动力学
• 2.5.1 滑行动力学模型假设
• 2.5.2 滑行动力产生机理
• 2.5.3 双肢体滑行动力学
• 2.5.4 多肢体滑行动力学
• 2.6 本章小结
• 第3章 多种移动模式的步态规划
• 3.1 步行移动模式
• 3.1.1 三角步态运动原理
• 3.1.2 步行步态设计
• 3.2 滑行移动模式
• 3.2.1 直线滑行
• 3.2.2 原地旋转
• 3.2.3 转弯滑行
• 3.2.4 斜线滑行
• 3.3 其他移动模式
• 3.3.1 高速行进模式
• 3.3.2 紧急模式
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于ADAMS虚拟样机的运动学仿真与分析
• 4.1 ADAMS参数化建模
• 4.1.1 定义设计变量
• 4.1.2 建立参数化模型
• 4.1.3 添加约束和施加载荷
• 4.2 机器人运动学虚拟样机验证
• 4.3 步行移动模式运动学仿真
• 4.3.1 直线行进仿真
• 4.3.2 原地旋转仿真
• 4.4 滑行移动模式运动学仿真
• 4.4.1 直线滑行仿真
• 4.4.2 原地旋转仿真
• 4.4.3 转弯滑行仿真
• 4.4.4 斜线滑行仿真
• 4.5 肢体运动参数分析
• 4.5.1 运动周期T
• 4.5.2 关节变量幅值
• 4.5.3 肢体间相位差β
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢