一种腿轮四足机器人机构及其步态与仿真的研究

摘要

四足机器人有很强的环境适应性和运动灵活性，可广泛运用于抢险救灾、排雷、探险、娱乐及军事等领域，因此，对四足机器人的研究已成为机器人研究领域的重要课题。但是四足机器人的结构复杂，在用传统的机械系统实物试验研究方法设计四足机器人时，不仅周期长，成本大，而且设计过程中计算量巨大，直观性较差，为了提高四足机器人设计的效率和可靠性，本文采用三维结构建模对四足机器人进行仿真研究。论文的主要内容包括：
　　进行了腿轮四足机器人的结构设计，建立了该机器人的运动坐标体系，及其等效简化结构的多刚体动力学模型，对上述模型进行了运动学和动力学分析，给出了该机器人的运动学、逆运动学方程和雅可比矩阵，并导出了其简化结构多刚体系统的第二类Lagrange动力学方程组。为后面的基于三维结构模型的仿真分析提供了理论基础。
　　参照四足机器人实际的几何参数、物理特性，借助PRO/E软件建立了三维实体模型，将该模型导入ADAMS平台，施加约束，建立四足机器人的仿真模型。
　　对腿轮式四足机器人进行了平面爬行、平面滑行和阶梯爬行步态的规划。以稳定裕量作为四足机器人静态稳定的标准，以象限为分界线明确了不同初始落足点时机器人迈腿的可能性；建立了步态描述的数学模型，基于模型对步态进行了分类，明确了静平衡步态的模型参数。基于迈腿次序将所有步态划分为6种类型，并对比分析了6种步态的两个特性参数：稳定裕量以及机器人的运动复杂性。基于机器人平台实际参数进行了平面爬行、阶梯以及大落差阶梯爬行、平面滑行步态的仿真研究。
　　采用规划好的四足机器人步态，在ADAMS环境下，对四足机器人进行仿真，获取一系列重要的结果，验证了方案和结构设计的合理性，也为提升控制品质的后续研究工作提供有价值的数据信息。
　　从步态仿真结果来看，上述研究工作是有效、可靠的，达到了预期的效果。

目录

一种腿轮四足机器人机构及其步态与仿真的研究

STUDY ON MECHACHONIC AND GAITSIMULATION OF A HYBRIDQUADRUPED ROBOT

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 多足机器人的研究概述

1.2.1 多足机器人的研究现状

1.2.2 未来多足步行机器人的研究方向

1.3 本课题的主要研究内容

第2章 腿轮式四足机器人机构及其运动学、动力学分析

2.1 引言

2.2 腿轮四足机器人结构

2.2.1 机构总体方案

2.2.2 机构运动学分析

2.2.3 关节角速度和角加速度

2.2.4 机器人重心

2.3 运动支链运动空间的分析

2.3.1 单腿运动空间的分析

2.3.2 四腿支撑时运动空间的分析

2.4 腿轮式四足机器人动力学分析基础

2.4.1 动力学分析的理论基础

2.4.2 动力学方程式

2.5 动力学分析

2.6 本章小结

第3章 腿轮式四足机器人的步态研究

3.1 引言

3.2 腿轮四足机器人平面爬行步态的规划

3.2.1 平面爬行的静平衡判定

3.2.2 腿轮四足机器人平面爬行步态的分类

3.2.3 腿轮四足机器人平面慢步步态分析

3.2.4 腿轮四足机器人平面爬行的运动规划

3.3 腿轮四足机器人平面滑行步态的规划

3.3.1 滑行原理

3.3.2 腿轮四足机器人滑行运动规划

3.3.3 腿轮四足机器人滑行时摆腿过程的轨迹规划

3.4 腿轮四足机器人爬阶梯步态的规划

3.4.1 爬阶梯迈腿过程的运动规划

3.4.2 爬阶梯稳定性分析

3.4.3 爬相同高度阶梯的规划

3.4.4 爬不同高度阶梯的规划规划

3.5 本章小结

第4章 腿轮式机器人步态及动力学仿真研究

4.1 引言

4.2 平面爬行步态的运动仿真

4.2.1 迈腿顺序为1234 步态的仿真

4.2.2 迈腿顺序为1423 单独移动机体的仿真

4.2.3 迈腿顺序为1423 同时移动机体的仿真

4.3 平面滑行步态的动力学仿真

4.3.1 直线滑行的仿真

4.3.2 转弯滑行仿真

4.3.3 原地滑行仿真

4.4 阶梯步态的运动仿真

4.4.1 爬跨度比较小的步态仿真

4.4.2 爬跨度比较大时的步态仿真

4.4.3 爬落差比较大时的步态规划的仿真

4.5 动力学仿真分析

4.6 本章小结

结论

参考文献

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致谢