面向舞台表演的海龟机器人及其多足稳定步态规划研究

摘要

随着机器人技术和仿生学的发展，仿生机器人的研究正被国内外学者们广泛关注，其中仿生四足机器人因其良好的运动灵活性和优异的环境适应性成为热点。本文研制一种用于数字舞台表演的海龟机器人系统，推导了其运动学方程，并分析了四足协调行走的稳定性问题，提出相应的步态规划方法，最后开展了多种典型步态下的运动控制实验。
　　针对舞台表演的需要，确定了海龟机器人的功能及性能指标要求，结合真实海龟的外形结构和运动原理，设计了海龟机器人的系统构型、本体框架、4条3DOF的腿部和柔性脖子。其中，腿部关节的电机及传动机构放置在腿部后端与本体的结合处，减小了关节所承受的负载，提高了传动效率，而柔性脖子采用绳索驱动的方式，运动灵活，可以模仿海龟脖子的运动，增加人机互动的效果。另外，设计了龟壳开合装置，通过该装置可以打开海龟机器人外壳，然后从海龟身体中发出彩色光束，增加艺术效果。
　　完成海龟机器人系统设计后，开展了多足协调的稳定步态规划研究。基于腿部结构特点，采用D-H法建立了单足的运动学模型，基于此，采用常规方法规划了爬行步态和转弯步态，并且用Webots软件进行了步态仿真，验证了其合理性。考虑腿部重量对系统重心的影响，建立了结构尺寸与静态稳定性之间的关系，定义了运动步态的稳定性判据，该判据考虑了各足几何特性、质量特性和系统构型对稳定性的影响，基于此，提出了斜侧向重心控制的稳定步态规划方法，实现了多足协调的步态稳定控制。最后基于模块化的思想，开发了基于ARM处理器的嵌入式控制器和遥控器，实现了海龟机器人舞台表演时的远程操控。
　　基于上述工作，研制了海龟机器人系统样机，并开展了实验，包括直线稳定行走、弯道转弯、脖子摆动、龟壳开合和重心调整等实验，并且成功完成了在数字舞台机器人戏剧中的演出。实验表明，该海龟机器人运动能力强，控制方便，满足运用需求。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 本文主要研究内容

第2章 海龟机器人机械设计及典型步态规划

2.1 引言

2.2 机械设计

2.3 腿部机构运动学求解

2.4 典型步态规划

2.5 基于Webots的步态仿真

2.6 本章小结

第3章 多足协调稳定性判据及其在步态规划上的应用

3.1 引言

3.2 稳定性影响因素分析及稳定性判据

3.3 基于稳定性判据的步态规划应用

3.4 本章小结

第4章 海龟机器人嵌入式控制系统研制

4.1 引言

4.2 控制系统的功能要求分析和处理器的选择

4.3 海龟机器人控制系统硬件设计

4.4海龟机器人控制系统软件设计

4.5本章小结

第5章 海龟机器人样机集成与实验研究

5.1 引言

5.2 海龟机器人控制系统和样机系统集成

5.3 海龟机器人实验研究

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

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