六足步行机器人直行关键技术研究

论文摘要

双足或多足交替行走的方式之所以被所有的生物采纳,是因为它具有明显的优势,那就是对自然环境高度的适应能力,以及灵活的自我操控能力。足类行走是否有开发的价值,它的优势有多大,如何用不太复杂的控制系统实现足类机器人强大的越障能力和快速移动一直是我们关心的问题。本研究中的机器人,采用了仿哺乳类的直立腿部结构,腿部共有12个自由度。直立的腿结构使得机器人的机构更加紧凑,跨越能力也相应增强。在研究的初期,我们关注这种仿生哺乳结构的直行能力。本论文针对这种特殊腿部结构设计了六足的行走方式,并通过动力学仿真验证了运动的可行性。最终完成了六足步行机器人的样机制作。该机器人可作为今后开展进一步深入研究时的参考模型和实验对象。本论文共分为六章。第一章为绪论,综合论述六足机器人的发展概况,应用前景,目前的研究状况,本研究的目的和任务等。第二章,建立了机器人简单的步态模型,从理论上推导了机器人直行时的运动学公式,并通过电机的运动曲线介绍了电机运动的特性和设计方法。第三章,在ADAMS动力学仿真软件中建立机器人模型,通过仿真结果验证运动学模型并优化机器人的结构参数。第四章,重点介绍了六足步行机器人样机的制作过程,包括机械设计、总体控制策略设计、电路设计及软件设计四部分。最后测试并分析了机器人直行的试验结果。第五章,总结了本论文研究的内容,并对课题中需要进一步研究、完善的重点进行了一定的探讨、分析和展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 六足机器人的发展概况
• 1.2 多足机器人的研究现状
• 1.2.1 多足机器人的机构类型
• 1.2.2 多足步行机器人的运动规划
• 1.2.3 六足步行机器人的驱动方式
• 1.2.4 六足步行机器人的控制策略
• 1.3 课题背景和研究内容
• 1.3.1 课题背景
• 1.3.2 课题研究内容
• 1.4 本章小结
• 第2章 六足机器人步态原理与运动学计算
• 2.1 六足步行机器人的步态原理
• 2.1.1 仿生机构
• 2.1.2 三角直行步态
• 2.1.3 支撑和摆动
• 2.2 六足步行机器人运动学计算
• 2.2.1 直行运动的简化模型
• 2.2.2 电机运动的逆运算推导
• 2.2.3 电机角位移计算
• 2.3 本章小结
• 第3章 六足步行机器人步态仿真与分析
• 3.1 动力学仿真软件ADAMS
• 3.2 建立六足步行机器人仿真模型
• 3.2.1 三维机构模型建立
• 3.2.2 添加运动约束及驱动
• 3.3 六足步态运动学仿真分析
• 3.3.1 机器人步行运动分析
• 3.3.2 足端运动曲线分析
• 3.3.3 腿摆动幅度分析
• 3.4 ADAMS动力学仿真结果分析
• 3.5 六足机器人结构参数优化
• 3.5.1 身位高度优化分析
• 3.5.2 腿的起始角度优化分析
• 3.5.3 行进速度对于扭矩变化的影响分析
• 3.5.4 腿的位置优化分析
• 3.5.5 其他优化分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 六足机器人样机直行实验与分析
• 4.1 六足机器人机械结构设计
• 4.1.1 驱动元件的选择
• 4.1.2 机构设计
• 4.1.3 材料选择
• 4.2 六足机器人控制策略设计
• 4.2.1 选择控制芯片
• 4.2.2 总体控制策略
• 4.3 六足机器人电路设计
• 4.3.1 系统时钟电路
• 4.3.2 电源电路
• 4.3.3 JTAG接口电路
• 4.3.4 串口电路
• 4.3.5 系统I/O分配
• 4.3.6 电压转换电路
• 4.4 六足机器人软件实现
• 4.4.1 控制信号
• 4.4.2 多路PWM的输出方法
• 4.4.3 串口通讯
• 4.5 步行实验与分析
• 4.5.1 离线控制实验
• 4.5.2 串口控制实验
• 4.6 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 论文总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢