仿生四足-轮复合移动机构设计与多运动模式步态规划研究

摘要

随着地形环境变得复杂且具备多重特征，传统的轮式和履带式移动机构在平坦地形上表现出较好的移动性能，但难以适应崎岖不平的复杂地形。相比于轮式和履带式移动机构，腿式移动机构具有较强的灵活性和地形适应能力，但是其移动速度慢和能量效率低。为了提高移动机构的地形适应能力和机动性，腿-轮复合移动机构成为地面移动机构的一个重要研究趋势。
　　本文在总结和分析了国内外腿-轮复合移动机构研究成果的基础上，通过对比爬行类与哺乳类仿生足式移动机构的特点，提出了一种新型仿生哺乳类四足-轮式复合移动平台。基于四足哺乳动物的结构特性研究，四足机器人的四条模块化腿采用伺服电机-滚珠丝杆驱动装置，外肘配置型式。腿的配置形式使得两轮差动轮式机构安装在机体腹部，避免了足与轮运动空间的干涉。该新型复合移动机构具有多种运动模式:在崎岖不平地形上的四足行走模式、平坦地面上差动轮式滚动模式以及复杂地形环境下的四足-轮复合协调跨越模式，以适应不同地形条件下的任务需求。
　　本文研究了基于位置的逆运动学控制以及四足行走步态规划与稳定性分析。首先，基于D-H法则建立了四足移动机构单腿的运动学模型、单腿关节旋转变量的正逆运动学解、单腿关节空间与驱动空间的映射关系。其次，修改标准波浪步态(wave gait)的模型约束条件:机体仅存在横向方向上的运动和有质量腿的运动不引起的机体重心位置变化。通过引入新的步态参数:机体的侧向位移及重心偏移量，建立新的静态步态规划模型。提出了一种新型静态定性步态并进行了稳定性分析并将其用于四足行走模式的控制。阐明了新的步态参数侧向位移可提高四足移动平台在复杂地形上的运动稳定性。结合机体上不对称负载和有质量腿的运动，说明了重心偏移量对传统步态稳定裕度的影响。通过分析稳定裕度损失补偿量修改了新型静态步态的稳定裕度表达式，用于实际四足机器人的静态稳定运动规划与控制。
　　针对四足静态行走模式能量利用效率低的问题，本文采用了步态参数优化的方法降低机器人行走总功耗。首先，考虑腿的结构特性、质量分布以及转动惯量等因素，利用第二类拉格朗日-欧拉方法建立了单腿的动力学方程。其次，在运动学分析的基础上，考虑了腿部动力学特性、准静力学平衡、足端摩擦锥约束条件，以关节力矩分配为基准建立四足移动机构周期性静态步态内消耗的总功率模型。同时，以移动功率作为评估标准分析不同步态参数下系统的能量效率，仿真分析了新型静态步态参数侧向位移在一定的取值条件下可减小机器人系统的能耗，并在样机平台上展开实验加以验证。
　　研究了基于行为反应式的多运动模式步态规划与分析，采用不同的运动模式以适应不同的环境特征的策略。首先，在考虑足端工作空间的约束，基于静态步行稳定性判据准则，研究了足式行走模式和轮式滚动模式之间的相互切换机制和静态稳定性转换步态。分析了每条腿抬放时刻的纵向稳定裕度，为整个转换运动过程的稳定性奠定了理论基础。其次，在已知垂直障碍物和鸿沟尺寸、复合移动机构模型基础上研究了四足-轮复合跨越模式，设计了两种基于静态稳定性判据的越障步态和支撑腿-轮全稳定跨越步态。针对爬越障碍物的准静态行走阶段，基于规划的翻越动作次序，推导了每一动作时刻的稳定裕度。最后，通过引入雅可比矩阵，建立腿足端和主动轮之间的位置、速度和加速度之间的运动学关系，为实现足-轮复合移动模式的运动步态规划与控制提供了理论基础。
　　最后，搭建了第一代仿生哺乳类四足-轮复合移动机构的实验样机，进行了轮式快速行进，负载静态步行，轮式与足式运动模式之间的相互转换运动，攀越高的垂直障碍物以及大跨距鸿沟等诸多实验，实验结果表明了所设计的哺乳类足-轮复合移动机构设计的有效性，并具有良好的崎岖环境适应能力和机动性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 国内外腿-轮复合移动机构的研究现状及分析

1．2．1 腿-轮耦合式复合移动机构

1．2．2 腿-轮组合式复合移动机构

1．2．3 运动机构的评估标准及趋势分析

1．3 腿-轮复合移动机构的构型分类与综合分析

1．4 本论文研究的主要内容及体系结构

第2章 仿生四足-轮复合移动机构的系统设计

2．1 引言

2．2 新型仿哺乳类四足机器人与差动轮复合移动系统的设计

2．2．1 仿哺乳类四足机械系统设计

2．2．2 仿哺乳类四足机器人的模块化腿

2．2．3 腿关节驱动器设计及安装位置

2．2．4 仿哺乳类四足机器人柔性单元设计

2．2．5 仿生四足机器人腿关节的配置形式

2．2．6 差动轮式机构的设计

2．3 仿哺乳类足-轮复合移动机构多运动模式

2．4 本章小结

第3章 四足行走模式的运动学建模与新型静态步态规划及稳定性分析

3．1 引言

3．2 仿哺乳类四足机器人的运动学建模与分析

3．2．1 四足机器人的姿态分析

3．2．2 四足机器人单腿的运动学分析

3．2．3 关节空间与驱动空间的映射关系

3．3 静态步态稳定性原理

3．3．1 步态参数以及相关术语

3．3．2 静态稳定性判断准则

3．4 基于修改模型的静态步态规划与稳定性分析

3．4．1 波浪步态的稳定性分析

3．4．2 波浪步态假设及修正模型

3．4．3 新型静态步态的规划及稳定性分析

3．4．4 稳定裕度的计算

3．4．5 有质量腿的运动对新型静态步态稳定性的影响

3．5 本章小结

第4章 四足行走模式的动力学建模与基于能耗优化为目标的步态参数分析

4．1 引言

4．2 四足机器人的动力学建模与分析

4．2．1 单腿动能及势能的计算

4．2．2 单腿拉格朗日动力学方程

4．3 四足机器人的能耗模型

4．3．1 直流伺服电机功率模型

4．3．2 滚珠丝杆驱动器的传动模型

4．4 基于关节力矩分配的系统能耗优化模型

4．4．1 四足机器人系统动力学模型

4．4．2 系统静力学分析及其等式约束

4．4．3 系统足端摩擦锥约束条件

4．4．4 力矩分配与系统平衡约束之间的关系

4．5 仿真及实验结果与分析

4．6 本章小结

第5章 基于行为反应式的多运动模式步态规划与分析

5．1 引言

5．2 四足行走模式与差动轮滚动模式转换机理

5．2．1 足端运动空间约束

5．2．2 运动模式转换机理研究

5．2．3 足式行走与轮式滚动模式的转换步态规划

5．3 典型结构环境下仿生四足-轮复合行进模式越障步态规划

5．3．1 静态跨越凸状物的步态规划与分析

5．3．2 机体姿态调整策略

5．3．3 凸状物爬越步态-爬上

5．3．4 稳定裕度分析和规划

5．3．5 凸状物爬越步态-爬下

5．4 静态跨越鸿沟的步态规划与分析

5．4．1 足-轮复合协调运动模式的运动学分析

5．4．2 步态规划与分析

5．5 本章小结

第6章 仿生四足-轮复合移动平台的集成与实验验证

6．1 引言

6．2 仿生四足-轮复合移动机器人原理样机

6．3 仿生四足-轮复合移动机器人控制系统

6．4 物理样机的实验验证

6．4．1 足式行走模式基本步态实验

6．4．2 足式负载行走模式

6．4．3 轮式滚动模式与避障实验

6．4．4 足式行走模式与轮式滚动模式的相互转换实验

6．4．5 翻越垂直障碍物实验

6．4．6 爬越鸿沟物实验

6．5 本章小结

第7章 结论与展望

全文总结

未来工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果