基于五杆机构四足机器人结构设计与步态实验研究

摘要

四足机器人以其非全时接触式的行走形式，面对非连续路面时较轮式、履带式等机器人具备更佳的适应性与更强的机动性，同时既具有优于双足机器人的运动性能和负载能力，又较多足机器人结构相对简单，便于控制，成为机器人研究的热点领域。随着技术的发展，在面对空间狭小的救援搜索环境或航空航天等领域时，大多数具有实际应用价值的机器人质量体型较大，能耗较高，负重比较小，难以满足工作需求。针对这些问题，本文提出一种五杆机构的腿部构型，基于此设计一种轻小型、低惯量、低能耗与较大负载能力的四足机器人，具体的研究内容如下：　　①四足机器人单腿模块的设计与优化。提出了一种基于五杆机构的腿部构型，选取电驱动的驱动方式，集中驱动系统于机身上，降低腿部关节运动惯量，同时引入闭链机构，以此提高其负载能力。采用虚拟样机与正交实验相结合的方法分析机构各杆杆长尺寸对腿部摆动高度与长度的影响程度，选取最佳匹配组合，扩大了足端运动范围，并对腿部较重零部件进线轻量化设计，将单腿模块集成为四足机器人，其整体质量为1.876kg，在水平面的投影在一张A4纸范围内。　　②建立腿部构型的数学模型并进行性能分析。采用代数法建立其正逆运动学模型，得到了驱动输入空间与足端轨迹空间的函数映射关系，采用开链机构的拉格朗日方程与铰接处的约束方程联立得到其动力学模型，并对该构型的力学性能、灵巧性以及奇异位形进行分析，体现该构型具有较好的负载能力与灵巧性，并得到速度灵巧性较高的运动范围及奇异位形，为足端轨迹规划与步态研究提供理论依据。　　③单腿足端轨迹规划与机器人步态研究。在建立的数学模型基础上，进行正弦轨迹、椭圆轨迹以及改进复合摆线轨迹规划，选取合适的腿部机构初始姿态将其规划在灵巧性较高的足端运动范围内，并通过单腿虚拟样机仿真选取能耗最低、速度性能最佳的改进复合摆线作为足端轨迹进行对角步态研究，建立整机机器人的虚拟样机，采用配重法来克服运动换相时的倾覆力矩，通过步态仿真验证了该方法有效的提高了机器人的运动稳定性。　　④加工机器人物理样机进行单腿轨迹跟踪实验与步态运动实验。搭建了决策-协调-执行三层控制系统，通过单腿足端轨迹跟踪实验验证了机构设计的合理性与轨迹规划的正确性，同时选取较优的PID控制参数，进行整体机器人步态运动实验，验证了步态规划的可行性、控制系统搭建的有效性以及机器人运动的平稳性。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2.1 串联腿式四足机器人

1.2.2 并联腿式四足机器人

1.2.3 混联腿式四足机器人

1.3 不同腿部构型及驱动方式下性能特点分析

1.4 本文主要研究内容与技术路线

2 五杆机构四足机器人腿部结构设计与优化

2.1 引言

2.2 设计目标及其方法

2.3.1 驱动方式选择

2.3.2 单腿构型设计

2.4 单腿机构参数的设计

2.5 单腿机构轻量化设计

2.6 本章小结

3 五杆机构四足机器人腿部机构模型建立与性能分析

3.1 引言

3.2 运动学分析

3.2.1 正运动学分析

3.2.2 逆运动学分析

3.3 动力学分析

3.3.1 单腿动力学分析

3.3.2 单腿动力学仿真

3.4 腿部机构性能分析

3.4.1 机构力学性能分析

3.4.2 机构奇异位形分析

3.4.3 机构的灵巧性分析

3.4.4 单腿工作范围分析

3.5 本章小结

4 单腿足端轨迹规划与整体机器人步态研究

4.1 引言

4.2.1 足端轨迹规划

4.2.2 初始姿态选取

4.2.3 单腿轨迹仿真

4.3 整机步态规划研究

4.3.1 对角步态规划

4.3.2 对角步态仿真

4.3.3 倾覆力矩分析

4.4 本章小结

5 单腿足端轨迹跟踪与整体机器人步态实验

5.1 引言

5.2.1 单腿实验系统搭建

5.2.2 足端轨迹跟踪分析

5.3 整体机器人步态实验

5.3.1 整机实验系统搭建

5.3.2 整机步态运动分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文专利

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目

C. 学位论文数据集

致谢