六足机器人落足点规划与足底花纹设计

摘要

足式机器人具有优秀的地形适应能力及多任务处理能力，在勘探、救援、教育等众多领域具有广阔的应用前景，特别是面对复杂野外环境作业需求，相对于其他类型的移动装备，足式机器人是最有效的解决方案。要充分发挥足式机器人的复杂地形运动能力，需要高度成熟的运动控制系统和性能优异的机体构件。在高度复杂地形中，合理的落足点规划是保证足式机器人平稳行进的必要条件，而足端作为机器人与地面的唯一接口，其性能是影响落足点选取的关键因素。本文从足端性能出发，开展面向高陡度崎岖地形的六足机器人落足点规划研究，并对足端附着性能进行优化。 首先考虑足端踝关节摆动性能对机器人运动能力的制约，分析机器人整体结构、腿部构型及足端关键结构，建立足式机器人崎岖地形行走几何模型，提出基于单腿逆运动学的触地角求解方法。考虑腿部补偿角，根据落足点“理想位置”，计算腿部补偿角，并通过仿真计算总结落足点对触地角的影响规律，为后续落足点规划做准备。 然后考虑足端附着性能对机器人运动能力的制约，对机器人机身、腿部驱动器及足端进行受力分析，以机身受力平衡、驱动器受载合理及足端有效支撑为约束条件，以各端力切法比最大值最小化为优化目标，建立足力分配模型。基于标准粒子群算法，提出多策略改进的粒子群算法，利用罚函数处理优化模型约束条件建立适应度评价函数，实现足力分配优化模型求解，为后续落足点规划做准备。 最后，基于前面研究内容，分析落足点与机器人足端触地角度、足端力及机身稳定性的关系，给出落足点可行性判断标准。并综合考虑机器人足端接触状态、稳定裕度以及足端力切法比构造落足点评价函数，提出面向高陡度崎岖地形的落足点规划方法，提高足式机器人高陡度崎岖地形通过性能。并建立足式机器人高陡崎岖地形运动仿真模型，验证落足点规划方法的正确性及有效性。 为进一步提高足式机器人复杂地形通过能力，开展足端附着性能优化研究。建立足底与地面相互作用有限元仿真模型，并在此基础上利用响应曲面法构造足底附着系数与足底花纹结构参数之间的多元二次回归方程。进一步建立足底附着性能优化设计模型，采用最优化方法对足底花纹结构进行优化，优化后的足底附着性能得到提高。 研究结果对足式机器人复杂地形运动规划及足端结构设计具有积极的指导意义，同时为后续深入研究如何提高足式机器人复杂地形通过能力的问题提供一定的参考。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景及研究的目的和意义

1.1.1 课题研究背景

1.1.2 课题研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 足式机器人研究现状

1.2.2 足式机器人关键技术研究现状

1.2.3 研究现状总结

1.3 本文主要研究内容

（1）基于单腿逆运动学的触地角求解方法研究

（2）面向高陡度崎岖地形的足力分配策略研究

（3）面向高陡度崎岖地形的落足点规划方法研究

（4）足式机器人底花纹结构优化设计研究

2 基于单腿逆运动学的触地角求解方法

2.1 仿哺乳足式机器人整体结构

2.2 基于单腿逆运动学的触地角求解

2.3 仿真计算及结果

2.4 本章小结

3 面向高陡度崎岖地形的足力分配策略

3.1 足力分配优化模型

3.2 基于粒子群算法的足力分配求解方法

3.2.1 粒子群算法及改进研究

3.2.2 足力分配求解方法实现及验证

3.3 本章小结

4 足式机器人落足点规划研究

4.1 落足点可行性分析

4.2 面向高陡度崎岖地形的落足点选取策略

4.3 仿真模型建立及分析

4.3.1 仿真模型建立

4.3.2 仿真实验分析

4.4 本章小结

5 足底花纹结构优化设计

5.1 足-地作用仿真模型

5.1.1 土壤本构模型

5.1.2 基于Abaqus的有限元建模

5.2 基于响应面法的足底花纹优化设计

5.2.1 足底花纹结构设计变量

5.2.2 响应面模型的建立及误差分析

5.2.3 足底附着性能优化设计及仿真验证

5.3 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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