四足机器人步态规划与仿真

论文摘要

根据调查,在地球上近一半的地面不适合于传统的轮式或履带式车辆行走,但是一般多足动物却能在这些地方行动自如。因此,足式机器人与轮式及履带式机器人相比具有独特的优势。足式机器人对崎岖路面具有很好的适应能力,足式机器人的立足点是离散的点,可以调整姿态在可能到达的地面上选择最优的支撑点。足式机器人还具有主动隔振能力,允许机身运动轨迹和足式运动轨迹解耦。尽管地面高低不平,足式机器人仍然可以相当平稳地行走。因此足式机器人受到各国研究人员的普遍重视,已经成为机器人研究中一个引人注目的研究领域。本文对比分析了一个传统的四足机器人与一种背部带关节的新型四足机器人,利用三维参数化建模软件Pro/E与机械系统动力学仿真分析软件ADAMS对四足机器人进行了步态规划与仿真研究。具体内容如下:首先,对比分析了两种四足机器人结构特点,利用Pro/E软件建立了四足机器人的三维实体模型,通过Pro/E与ADAMS之间Mechanism/Pro接口模块,将四足机器人的三维实体模型导入到ADAMS中,建立了四足机器人的虚拟样机。其次,分析了四足机器人步态基本理论与稳定性原理,规划了四足机器人的直线行走步态、定点转弯步态、横向行走步态,利用ADAMS仿真软件对四足机器人进行了步态仿真,得到四足机器人重心的位移曲线和各关节所需的驱动力矩。最后,根据四足机器人的结构制作了四足机器人的物理样机,利用AT89C52单片机成功实现对四足机器人多个舵机的独立控制以及舵机的速度控制。对四足机器人物理样机进行了步态实验验证。仿真与实验结果表明四足机器人能够根据规划步态实现稳定行走,说明整体方案的正确性与可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文课题的研究目的和意义
• 1.2 国内外研究现状分析
• 1.2.1 四足机器人国外研究概况
• 1.2.2 四足机器人国内研究概况
• 1.2.3 国内外典型四足机器人比较
• 1.3 论文课题来源与研究内容
• 第二章 四足机器人机构设计与虚拟样机
• 2.1 步行机器人机构设计
• 2.1.1 四足机器人NHQR-Ⅰ机构设计
• 2.1.2 四足机器人NHQR-Ⅱ机构设计
• 2.2 虚拟样机技术
• 2.3 Pro/E 建立三维实体模型
• 2.3.1 Pro/E 软件介绍
• 2.3.2 Pro/E 实体建模
• 2.4 Pro/E 文件导入ADAMS
• 2.4.1 直接导入
• 2.4.2 Pro/E 与ADAMS 接口模块（Mechanism/Pro）
• 2.5 添加约束
• 2.6 接触力
• 2.7 添加驱动
• 2.8 自由度分析
• 第三章 四足机器人步态规划
• 3.1 引言
• 3.2 步态基本概念
• 3.3 稳定性原理
• 3.3.1 静态稳定性原理
• 3.3.2 动态稳定性原理
• 3.4 步态规划
• 第四章 四足机器人步态仿真
• 4.1 常用函数介绍
• 4.2 四足机器人NHQR-Ⅰ步态仿真
• 4.2.1 直线行走步态
• 4.2.2 定点转弯步态
• 4.2.3 横向行走步态
• 4.3 四足机器人NHQR-Ⅱ步态仿真
• 4.3.1 定义设计变量
• 4.3.2 关节驱动函数
• 4.3.3 参数化分析
• 4.3.4 直线行走步态
• 4.3.5 爬坡步态
• 4.4 仿真结果分析
• 第五章 四足机器人步行实验
• 5.1 四足机器人基本参数
• 5.2 多路舵机控制
• 5.2.1 舵机简介
• 5.2.2 单片机实现舵机控制
• 5.2.3 舵机速度控制
• 5.3 四足机器人步行实验结果
• 第六章 总结与展望
• 6.1 主要工作总结
• 6.2 今后工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录