基于球形两栖机器人的步态规划与运动分析

摘要

随着人类社会不断地向前发展，机器人技术已经与我们的生活建立了密不可分的关系。球形两栖机器人作为机器人的一种，由于其对称的结构构型，在环境适应性和运动稳定性上具有优势，已经广泛地应用于各种领域。因此对于球形两栖机器人的研究已经成为机器人领域的一个热门话题。
　　本论文提出了一种新型的球形两栖机器人系统。机器人整体对称的球形结构，其动力学稳定，环境扰动小，运动灵活等优点，采用带直流喷水推进器的机械腿作为驱动单元，不仅可以完成陆地多自由度运动，还可以实现水下环境的运动和作业。两栖机器人可以通过配置GPS、陀螺仪、加速度计和避障传感器在地面和水下充当一个多用途结构、侦查、通信的可回收装置，在狭窄的密闭空间，它还可以释放一些小型水下机器人来完成水下任务。
　　为了分析球形两栖机器人陆地运动学和动力学特性，分别运用D-H参数法和拉格朗日函数建立机器人运动学和动力学方程。推导出雅克比矩阵，反映了速度和关节角速度之间的关系，提供了虚拟样机仿真分析的理论基础。其次使用三维软件SolidWorks建立简化的机器人实体模型，并导入到动力学仿真软件ADAMS进行运动学和动力学仿真，验证了步态规划算法的可行性。最后对所设计的球形两栖机器人进行陆地运动实验。根据实验结果验证了步态算法的可行性，说明虚拟样机技术（ADAMS）可以准确地描述机器人的运动特性。
　　利用欧拉方程建立球形两栖机器人水下动力学模型，并对其进行了参数估计。其次对喷水推进器进行识别建模，建立输入电压与喷水推进器的关系。最后完成机器人水下运动实验，通过输出不同的电压值，测得机器人前进运动速度，对实验结果进行了分析和总结，验证球形两栖机器人水下前进运动的可靠性。

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第一章 绪论

1.1两栖机器人的研究背景和意义

1.2两栖机器人的国内外研究现状

1.3总结已有研究存在的问题

1.4论文的主要研究内容和结构

1.5本章小结

第二章 球形两栖机器人机械结构及硬件系统

2.1球形两栖机器人的整体机械结构

2.2球形两栖机器人主要结构部件

2.3球形两栖机器人控制系统

2.4本章小结

第三章 球形两栖机器人陆地运动学和动力学分析

3.1机器人运动学分析两个基本问题

3.2球形两栖机器人运动学建模

3.3球形两栖机器人动力学建模

3.4本章小结

第四章 球形两栖机器人陆地运动仿真与实验

4.3虚拟样机技术概述

4.4虚拟样机模型建立

4.5 ADAMS/View环境下运动学和动力学仿真

4.6球形两栖机器人仿真结果分析

4.7球形两栖机器人陆地轨迹运动测试

4.8本章小结

第五章 球形两栖机器人水下运动分析

5.1球形两栖机器人动力学建模

5.2动力学模型参数计算

5.3喷水电机建模

5.4球形机器人模型简化

5.5球形机器人水平前进和后退实验

5.6本章小结

第六章 总结和展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

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