基于虚拟样机技术的仿壁虎机器人步态规划及运动仿真

论文摘要

仿壁虎机器人作为仿生机器人的一个重要分支,是当前特种机器人研究的热点。壁虎是一种可在地面、陡壁、天花板等不同法向面上灵活运动的四足动物。仿壁虎机器人就是模仿自然界中壁虎的精巧结构、运动原理和行为方式的机器人系统。仿壁虎机器人有着很强的运动灵活性,同时对行走地面要求低,有着广阔的发展前景。本文首先介绍了国内外爬壁机器人的研究进展。然后论述了足式步行机器人结构设计的相关理论。基于对大壁虎解剖学和运动方式的研究,介绍了仿壁虎机器人的结构设计和技术特点。对机器人腿部关节机构进行正向与逆向运动学分析,推导了机器人三自由度手臂的运动学方程及雅可比矩阵。设计了具有主动脱附和吸附系统的第二代仿壁虎机器人,并对其结构特点进行了简要的分析。通过对大壁虎步态的研究,针对仿壁虎机器人,规划了一种仿生物的墙面爬行对角步态。针对第二代仿壁虎机器人,规划了一种身体呈S型的对角步态和三角步态。在MSC.ADAMS软件中建立机器人的虚拟样机并进行了步态仿真,对仿真结果进行分析,检验了机器人结构和步态的可行性。研究了仿壁虎机器人地面-墙面过渡步态。利用ADAMS和Matlab/Simulink分别建立机器人机械系统模型和控制系统模型,对仿壁虎机器人虚拟样机进行了联合仿真:建立了基于PID的控制系统模型,实现了仿壁虎机器人的联合步行仿真;通过对仿生学的研究,设计使用弹簧-阻尼模型来模拟粘附力,并以此为基础建立机器人的动力学模型,对以运动学为基础生成的步态数据进行模拟分析,认定其可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图清单
• 表清单
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 国内外研究现状
• 1.1.2 仿壁虎机器人的发展趋势
• 1.2 虚拟样机技术
• 1.2.1 虚拟样机技术概述
• 1.2.2 基于虚拟样机技术的仿壁虎机器人仿真研究的意义
• 1.3 课题提出及本论文的主要工作
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 本论文的主要工作
• 第二章 仿壁虎机器人结构设计及运动学分析
• 2.1 机器人的总体机构方案
• 2.1.1 坐标型式
• 2.1.2 驱动形式的选择
• 2.2 步行机器人的结构设计
• 2.2.1 腿机构的基本要求和分类
• 2.2.2 腿的数量及其配置
• 2.3 仿壁虎机器人的结构设计
• 2.4 运动学分析
• 2.4.1 位姿的表示
• 2.4.2 确定杆系的D-H 法
• 2.4.3 连杆变换和运动学方程
• 2.5 仿壁虎机器人正向与逆向运动学分析
• 2.6 第二代仿壁虎机器人结构分析
• 2.7 本章小结
• 第三章 机器人步态规划及虚拟样机的建立
• 3.1 足式机器人步态规划概述
• 3.1.1 足式机器人步态研究现状
• 3.1.2 步态的基本定义
• 3.2 大壁虎步态研究及仿壁虎机器人步态规划
• 3.2.1 大壁虎垂直上爬步态
• 3.2.2 仿壁虎机器人对角步态规划
• 3.2.3 稳定性度量
• 3.3 仿壁虎机器人虚拟样机建模
• 3.3.1 机器人虚拟样机仿真分析步骤
• 3.3.2 建立仿壁虎机器人虚拟样机模型的步骤
• 3.4 本章小结
• 第四章 仿壁虎机器人的仿真及结果分析
• 4.1 仿壁虎机器人墙面爬行的仿真分析
• 4.1.1 运动仿真及各关节的运动控制规律
• 4.1.2 运动学仿真分析
• 4.2 仿壁虎机器人地面爬行的仿真分析
• 4.3 第二代仿壁虎机器人对角步态的规划与仿真分析
• 4.3.1 身体呈S 型的对角步态规划步骤及仿真
• 4.3.2 仿真分析
• 4.4 第二代仿壁虎机器人三角步态的规划与仿真分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 仿壁虎机器人地面-墙面过渡步态研究
• 5.1 大壁虎地-壁过渡步态研究
• 5.2 仿壁虎机器人单足工作空间求解
• 5.2.1 机器人工作空间定义
• 5.2.2 工作空间求解步骤及程序设计
• 5.2.3 工作空间求解结果及分析
• 5.3 身体位姿及质心轨迹的规划
• 5.4 腿的各关节变量求解
• 5.5 本章小结
• 第六章 联合仿真
• 6.1 基于PID 控制的仿壁虎机器人步态联合仿真
• 6.1.1 仿真系统的总体设计
• 6.1.2 机器人动力学建模及控制模型的建立
• 6.1.3 系统仿真
• 6.2 模拟脚掌粘附力的联合仿真
• 6.2.1 仿生学研究及弹簧阻尼模型的建立
• 6.2.2 动力学建模及控制模型的建立
• 6.2.3 系统仿真
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结和展望
• 7.1 本文的主要工作和结论
• 7.2 今后工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果