双足机器人串并联四自由度躯干设计与分析

摘要

双足机器人作为一个高度综合的复杂系统，涉及到机构学、仿生学、人工智能和几何方法等众多学科。近年来，国内外的研究学者和科研机构对双足机器人进行了大量研究。本文针对双足机器人提出了一种新型的串并联四自由度躯干结构，并对该机构进行了分析，主要研究内容如下： 首先，介绍了人体躯干的结构和运动机理，并从仿生学原理的角度出发，分析了双足机器人躯干构型的设计需求，综合国内外前人的研究成果，针对目前存在的问题，提出了一种新型的串并联四自由度躯干结构构型。 其次，对双足机器人躯干结构进行了运动学分析。根据躯干构型分析，得到了躯干机构简图，对并联机构进行了运动学建模，由设定的各位置、姿态坐标间关系，逆运动学求解得到了驱动机构的位移；鉴于并联机构的正运动学求解较为复杂，将其转化为一种优化问题的求解，并绘制出相关曲线，对躯干转动角度随杆件长度的变化情况做了进一步的分析。串联结构部分主要考虑到的是重心波动的影响，绘制出了重心运动轨迹图，进一步验证了竖直方向驱动机构重心补偿装置的选型。 接着，详细介绍了双足机器人躯干部分的结构设计，包括驱动系统和电气元件的选型、胸腔结构的初步设计和拓扑优化设计、躯干结构的具体设计与分析、以及躯干结构的抗冲击保护设计。 然后，对双足机器人进行了零冲击轨迹规划，并采用机械系统动力学的专业分析软件，对双足机器人躯干结构进行了实体样机仿真，对俯仰、翻滚和移动这三个自由度的运动进行了仿真模拟，验证了结构设计的合理性。 最后，对全文工作进行了总结，并对未来的研究方向进行了展望。

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摘 要

Abstract

目 录

1 绪论

1.1 课题概述

1.2 国内外研究现状与分析

1.3 本文的主要工作与结构

2 双足机器人躯干构型分析

2.1 概述

2.2 人体仿生学机理研究

2.3 双足机器人躯干结构需求分析

2.4 双足机器人躯干构型设计

2.5 本章小结

3 双足机器人躯干运动学分析

3.1 概述

3.2 并联机构的运动学分析

3.3 串联机构的运动学分析

3.4 本章小结

4 双足机器人躯干结构设计与优化

4.1 概述

4.2 驱动系统及电气元件选型

4.3 双足机器人胸腔结构设计

4.4 双足机器人胸腔结构拓扑优化设计

4.5 双足机器人躯干结构设计

4.6 双足机器人躯干结构抗冲击保护设计

4.7 本章小结

5 双足机器人躯干结构虚拟样机仿真及试验

5.1 概述

5.2 虚拟样机技术简介

5.3 虚拟样机与环境的搭建

5.4 运动轨迹规划

5.5 运动仿真及分析

5.6 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致 谢

参考文献