新型四足步行机器人混联腿部机构的运动学研究

摘要

由于四足步行机器人具有稳定性高、地形适应能力强的特点，四足步行机器人的研究受到了越来越多专家和学者的重视，成为机器人领域的研究热点之一。四足步行机器人多采用串联式腿部机构或并联式腿部机构，然而由于这两种结构各自的局限性，使得四足步行机器人的性能也都受到一定的限制，串并混联式腿部机构的开发和研究应运而生。
　　本文提出了一种新型串并混联四足步行机器人，并对其混联腿部机构进行了运动学和静力学研究。该混联腿部机构主要由髋关节、大腿、膝关节和小腿顺次连接组成，其中髋关节为三自由度球面并联机构，膝关节具有一个转动自由度。本文的主要研究工作如下：
　　1、对提出的新型串并混联腿部机构，利用螺旋理论对其进行了自由度分析，基于 D-H方法建立了机构坐标系，以能耗最小姿态为该混联腿部机构运动的最优姿态，基于矢量法对其进行了运动学正解和反解分析，得出了该混联腿部机构的运动学正解和反解模型。
　　2、基于矢量法和微分变换法，建立了该混联腿部机构关节空间和操作空间的速度传递关系和加速度传递方程，得到了其速度雅克比矩阵，并根据速度雅克比矩阵对该混联腿部机构进行了奇异性分析。提出了一种适用于混联机构的灵巧度指标，并根据该指标对该混联腿部机构的参数δ和L2L1进行了优化，最后利用MATLAB软件，采用边界搜索法搜索出了该混联腿部机构的运动空间。
　　3、对提出的新型混联腿部机构建立了静力学模型，同时考虑约束力和驱动力之间的映射关系，基于矢量法和虚功原理建立了其静力传递平衡方程。提出了适用于混联机构的全局刚度系数指标。提出具体算例，利用MATLAB软件绘制出该混联腿部机构足端受到外界力和力矩作用时，驱动电机和电缸的受力情况。
　　4、建立了该混联腿部机构的ADAMS虚拟样机。对该混联腿部机构规划了一段典型运动轨迹，利用MATLAB和ADAMS对运动学模型进行联合仿真；结合运动学反解模型，利用MATLAB软件验证了运动学正解的正确性；最后用试制出的腿部机构样机对该混联腿部机构的运动学模型进行了实验验证。仿真和实验都验证了该腿部机构的运动学正解和反解模型的正确性。
　　本研究对该新型串并混联四足步行机器人的刚度分析、动态性能、机构优化设计和系统控制等一系列的进一步研究具有重要意义。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外足式步行机器人发展历史及研究现状

1.3 课题来源

1.4 本文主要研究内容及章节安排

1.5 本章小结

第二章 腿部机构的运动学正解和反解研究

2.1 腿部机构模型建立

2.2 腿部机构坐标系建立

2.3 腿部机构自由度分析

2.4 腿部机构反解分析

2.5 腿部机构正解分析

2.6 本章小结

第三章 混联腿部机构的工作空间分析

3.1 混联腿部机构工作空间约束条件

3.2 混联腿部机构雅克比矩阵分析

3.3 混联腿部机构加速度分析

3.4 奇异性分析

3.5 混联机构的灵巧度指标

3.6 工作空间分析

3.7 本章小结

第四章 混联腿部机构静力学分析

4.1 静力学分析

4.2 混联机构全局刚度系数

4.3 具体算例分析

4.4 本章小结

第五章 运动学仿真和实例验证

5.1 混联腿部机构的ADAMS建模

5.2 运动学反解模型仿真

5.3 运动学正解仿真验证

5.4 实验验证

5.5 本章小结

第六章 结论

参考文献

作者简介

在学期间发表的学术论文及研究成果

致谢