多运动模式轮腿移动机器人的运动学分析与研究

摘要

近年来仿生机器人的研究一直是非常活跃的一个领域，运动机理在仿生学的研究当中有着至关重要的作用。有些移动机构，将轮式移动机构和腿式移动机构相结合，组合成了轮腿式移动机器人，增强了移动机器人在复杂路况环境下的道路适应性和通过性，本文的研究对象为轮腿式移动机器人，具有六条结构相同的移动腿，可利用变形关节，完成多运动模式下的移动行走功能，进一步增强了移动机器人对非结构环境的适应性和通过性。
　　首先对多运动模式轮腿移动机器人的单腿机构进行了运动学分析，利用D-H法则构建了其腿部的运动学模型，并对运动学方程正逆解进行了求解和仿真验证；而D-H法则在某些情况下影响了坐标系构建的多样性，并且带来繁杂的分析步骤，因此本文针对多运动模式轮腿移动机器人的机构特点，提出冗余坐标系的概念，从而为单腿机构坐标系的快速构建提供一种新的解决方案，提高了运动学模型的构建效率。
　　利用矢量积法对多运动模式轮腿移动机器人的雅克比矩阵进行求解，对矢量积法所求结果进行数学仿真和三维模型的仿真验证。同时利用微分变换法进行雅克比矩阵的求解，并利用所求结果对矢量积法再次进行验证，以表明矢量积法求解的正确性。
　　分析了单腿机构的灵活性，求解了多运动模式轮腿移动机器人单腿机构的工作空间，为多运动模式轮腿移动机器人运动规划、避障提供了良好的解决方法。求解单腿机构灵活性的过程中，引入灵活度、灵活工作空间等概念，利用几何构图法和数值分析法对多运动模式轮腿移动机器人的灵活性进行了分析研究。分析结果证明了单腿机构的平面灵活性，并最终通过利用遍历整个服务球的方法仿真验证了多运动模式轮腿移动机器人单腿机构在笛卡尔坐标系下的空间灵活性。
　　利用动力学求解方法对多模式移动机器人进行动力学研究的初步探索。结果表明，第二类拉格朗日方程所求结果较为繁琐，不便于计算和实时控制。
　　利用解析几何的坐标变换方法，构建此种多运动模式轮腿移动机器人并联机构的运动学模型；并利用构建并联机构各分支末端点之间的几何关系，求解下平台坐标系原点和坐标系姿态矩阵，进而构建了该机构的运动学正解模型；仿真结果表明，该并联机构运动学模型正确；最后，应用人工鱼群算法对多运动模式轮腿移动机器人并联机构的运动学正解进行求解，并对运动学正解结果进行仿真验证，给出了仿真验证结果。
　　构建了多运动模式轮腿移动机器人运动学逆解模型，给出运动学逆解的解析解，利用几何图解法求解出全部奇异解的存在状况，并给出逆解解析解的正确解，分别以位置和姿态为输入，对多运动模式移动机器人运动学逆解进行了数值求解和仿真验证。
　　利用多运动模式轮腿移动机器人移动机构的运动学逆解模型，基于逆解结果，对多运动模式轮腿移动机器人移动机构的直线行驶、转弯行驶、原地旋转的步态规划进行解算，为多运动模式轮腿移动机器人的自主步态规划提供了理论基础。

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第一章 绪论

§1-1国内外仿生机器人的研究概况

§1-2各种足式机器人运动学特性分析概要

§1-3本论文主要研究内容简述

第二章 多运动模式轮腿移动机器人腿部运动学研究

§2-1运动模式

§2-2运动学求解

§2-3性能图谱

§2-4本章小结

第三章 多运动模式轮腿移动机器人腿部动力学初步探讨

§3-1动力学模型构建

§3-2动力学模型求解

§3-3本章小结

第四章 多运动模式轮腿移动机器人并联机构运动学

§4-1自由度计算

§4-2并联机构运动学研究

§4-3并联机构运动学正解的鱼群算法求解

§4-4并联机构的运动学逆解研究

§4-5本章小结

第五章 多运动模式轮腿移动机器人的步态规划

§5-1规则步态规划

§5-2自主步态规划方法

§5-3本章小结

第六章 结论与展望

§6-1论文结论与创新性工作

§6-2论文展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间所取得的相关科研成果