全膝式四足机器人步态联合仿真与试验研究

摘要

随着机器人技术的快速发展，机器人的应用领域不断扩大，其性能得到不断提升。相比于轮式机器人和履带式机器人，足式机器人具有更强的环境适应能力、灵活性和承载能力，在工程探险和农业生产等领域具有良好的运用前景。其中，四足机器人避免了六足、八足机器人的结构冗余与复杂性，又有超两足机器人的负载能力与稳定性，成为机器人领域的研究热点。
　　四足机器人的运动能力主要依赖于机器人的机械结构、驱动方式和运动控制策略等。本文通过对猎豹骨骼和关节结构的分析，确定了四足机器人的三段式腿部结构。建立了四足机器人三维模型，并对四足机器人单腿进行了正、逆运动学以及动力学分析。建立了四足机器人的物理模型，采用Adams和Matlab/Simulink进行了Trot步态和Walk步态的联合仿真分析。最后制作了四足机器人样机，验证了腿部机构设计的合理性以及步态设计的正确性。本文进行了如下主要工作:
　　1.通过分析猎豹的腿部骨骼及关节结构，确定了四足机器人的三段式腿部结构，即单腿具有两个主动自由度，分别为髋关节和膝关节的转动。利用D-H参数法建立了运动学方程，完成了四足机器人的正、逆运动学分析，计算出四足机器人从机体到足端的位姿变换矩阵。通过对四足机器人单腿动能及势能的计算，运用拉格朗日函数，建立了动力学方程，为制作物理样机提供依据。
　　2.利用Creo建立了四足机器人的简化物理模型，并将其导入到Adams中进行参数定义等设置;将Adams模型导入到Matlab/Simulink中完成相应的控制系统设计和S函数编写，完成了四足机器人的Trot步态和Walk步态的联合仿真。通过联合仿真得到的四足机器人质心波动曲线和各关节驱动力矩等曲线，可为以后选择舵机的型号等提供依据。
　　3.根据四足机器人模型，制作了物理试验样机。通过上位机对舵机转角的控制，完成了Trot步态下不同粗糙度地面的稳定行走。实验表明腿部的结构设计是合理的，所编写的步态函数是正确的，说明了整体方案的可行性和正确性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 四足机器人的研究状况

1．2．1 国外研究状况

1．2．2 国内研究状况

1．3 论文主要内容

第二章 四足机器人模型的确定

2．1 仿生学概述

2．2 四足机器人整体设计要求

2．3 四足机器人腿部结构确定

2．3．1 腿部机构类型优缺点分析

2．3．2 腿部结构类型分析

2．3．4 腿部结构方案确定

2．3．5 腿部驱动方案的选择

2．4 四足机器人的整体结构

2．5 本章小结

第三章 四足机器人的运动学和动力学研究

3．1 四足机器人模型分析

3．1．1 定义坐标系

3．1．2 运动和结构参数

3．2 四足机器人单腿运动学分析

3．2．1 单腿正运动学分析

3．2．2 单腿逆运动学分析

3．2．3 雅克比矩阵

3．3 四足机器人单腿动力学分析

3．3．1 拉格朗日方程

3．3．2 动力学方程的建立

3．4 本章小结

第四章 四足机器人的联合仿真

4．1 基本概念

4．1．1 步态

4．1．2 虚拟样机技术与Matlab／Simulink简介

4．2 四足机器人仿真流程

4．3．1 四足机器人三维模型的建立

4．3．2 四足机器人参数定义

4．3．3 约束及驱动的添加

4．3．4 状态变量的建立

4．3．5 摩擦力和接触力的设定

4．3．6 虚拟样机模型的输出

4．4 四足机器人控制系统的建立

4．4．1 控制系统的建立

4．4．2 函数的编写

4．5 四足机器人步态的联合仿真及分析

4．5．1 Trot步态的结果分析

4．5．2 Walk步态的结果分析

4．6 本章小结

第五章 四足机器人步态试验及分析

5．1 实验软硬件

5．1．1 舵机

5．1．2 控制板和上位机

5．2 步态实验及分析

5．2．1 足端轨迹验证

5．2．2 单周期步态对比分析

5．2．3 Trot试验对比分析

5．3 本章小结

第六章 总结与建议

参考文献

附录

致谢