仿猎豹四足机器人结构设计与足端轨迹规划研究

摘要

面向奔跑的四足机器人研究成为近年四足机器人研究的热点之一。刚性的四足机器人存在奔跑速度慢，运动稳定性和协调性不足等缺点。对四足机器人进行腿结构和脊椎的柔性设计可提高其运动性能。
　　本文仿生动物猎豹，对面向奔跑的四足机器人进行了柔性结构设计和足端轨迹规划研究。主要内容如下:
　　(1)基于对猎豹后腿骨骼-肌肉结构特性的分析，设计了具有缓冲性能的腿结构。通过对猎豹脊椎结构和在奔跑时脊椎形态变化的分析，设计了一种结构简单并能够实现上下弯曲的柔性脊椎结构。设计了以液压缸作为驱动机构的仿猎豹四足机器人，该四足机器人具有缓冲腿结构和柔性脊椎。
　　(2)对仿猎豹四足机器人进行了详细的运动学分析和动力学分析，推导出了关节转角的表达式。根据液压缸布置形式及与各构件间的位置关系，求出了髋关节液压缸和膝关节液压缸长度与关节转角之间的函数关系。
　　(3)基于对猎豹在奔跑时足端的运动轨迹存在回缩和后摆现象的分析，提出了两种适合奔跑的足端轨迹:一是改进的椭圆足端轨迹，二是修正摆线足端轨迹。基于bound步态的运动特点，详细地推导了两种足端轨迹的函数表达式。
　　(4)将设计的两种足端轨迹应用于本文的仿猎豹四足机器人，并进行了仿真分析。仿真结果表明，两种足端轨迹均能使机器人实现稳定的bound步态运动。通过对比分析，修正摆线足端轨迹更适合奔跑运动。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 奔跑四足机器人研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 足端轨迹研究现状

1．4 本文的主要研究内容及章节安排

第2章 仿猎豹四足机器人结构设计

2．1 猎豹肢体结构分析

2．1．1 猎豹后腿骨骼-肌肉结构特性分析

2．1．2 猎豹脊椎结构特性分析

2．2 仿猎豹四足机器人结构设计

2．2．1 腿结构设计

2．2．2 柔性脊椎结构设计

2．2．3 仿猎豹四足机器人整体结构

2．3 本章小结

第3章 四足机器人运动学和动力学分析

3．1 运动学分析

3．1．1 正向运动学分析

3．1．2 逆向运动学分析

3．1．3 液压缸位移驱动函数

3．2 动力学分析

3．3 本章小结

第4章 仿猎豹奔跑足端轨迹规划

4．1 奔跑状态下猎豹足端轨迹分析

4．2 奔跑足端轨迹规划

4．2．1 改进的椭圆足端轨迹规划

4．2．2 修正摆线足端轨迹规划

4．3 本章小结

第5章 四足机器人奔跑运动仿真分析

5．1 基于ADAMS与MATLAB／Simulink的联合仿真

5．1．1 仿猎豹四足机器人虚拟样机建模

5．1．2 控制方案建模

5．2 基于改进的椭圆足端轨迹的机器人仿真分析

5．2．2 仿真结果分析

5．3 基于修正摆线足端轨迹的机器人仿真分析

5．4 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士期间取得的研究成果

致谢