C型腿六足机器人样机研制及其攀爬楼梯的步态设计

摘要

随着人力成本的增加和机器人技术的发展，移动机器人在各行各业的应用越来越广泛。现在比较流行的移动机器人包括轮式、履带式、足式等类型的机器人，但它们或多或少存在着克服障碍能力差、机动性不足、适应地形少等弊端。节肢型和人形机器人的出现尽管一定程度上解决了上述问题，但是节肢型的机器人机动性能仍不足，稳定性也较差，而人形机器人却存在结构复杂，控制困难等缺点。20世纪初期，科学家结合仿生形态学和机构学的理论，研制了一种C型腿六足机器人，它不仅具有以往六足机器人可以适应多种地形的优点，而且其结构和控制都相对简单。　　楼梯在城市生活中是一种常见地形，且崎岖程度较高，是测试六足机器人越障能力的理想地形。本文首先对C型腿六足机器人进行了样机研制，搭建了一个体积更小、质量更轻的C型腿六足机器人实验平台，并比较了新制作的六足机器人与其他版本C型腿六足机器人各方面的参数和性能。为了设计C型腿六足机器人的控制算法，本文基于经典牛顿力学建立了C型腿六足机器人的运动学和动力学模型。　　其次，针对机器人攀爬楼梯的步态研究，构建了C型腿六足机器人攀爬楼梯过程的仿真环境与力学模型；由于样机尺寸更小，文章研究了机器人底盘与楼梯面呈最大角度时，其质心位置对其攀爬楼梯的决定性作用；分析了机器人中间腿与楼梯面的接触位置对机器人运动效率的重要影响，以及机器人后腿在攀爬高尺寸楼梯时的重要作用。基于影响机器人攀爬成功性与效率的关键因素分析，文章首先提出了一种实现优化攀爬路径的步态控制方法，提高了小尺寸C型腿六足机器人攀爬速度。另外，基于攀爬高度，提出了一种提高C型腿六足机器人攀爬高度的步态控制方法。　　最后，通过三维软件动态仿真和实验验证，其结果表明了本文提出的步态能使C型腿六足机器人成功并高效地爬升多级楼梯，验证了两种不同步态的可靠性和有效性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 轮式、履带式和混合式机器人攀爬楼梯

1.2.2 足式机器人攀爬楼梯

1.2.3 C型腿六足机器人

1.3 主要研究工作及逻辑结构

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 论文结构安排

第2章 机器人描述与实验平台搭建

2.1 C型腿六足机器人机械系统设计

2.1.1 车身设计

2.1.2 腿的设计

2.2 CLHR控制系统设计

2.2.1 机器人硬件系统总体结构

2.2.2 机器人微控制器

2.2.3 机器人运动控制模块

2.2.4 电源模块

2.2.5 机器人控制系统软件设计

2.3 C型腿六足机器人运动学与动力学建模

2.3.1 运动学分析

2.3.2 动力学分析

2.4 本章小结

第3章 C型腿六足机器人攀爬楼梯的步态分析

3.1 楼梯几何参数与生物观察

3.1.1 楼梯的几何参数

3.1.2 对生物观察的步态分析

3.2 CLHR攀爬楼梯常规步态

3.2.1 机器人及其步态参数描述

3.2.2 CLHR攀爬楼梯常规步态规划

3.3 CLHR攀爬楼梯步态分析

3.3.1 CLHR攀爬楼梯质心变化分析

3.3.2 准备步态

3.3.3 连续攀爬步态

3.4 基于速度的优化步态——BSGC

3.5 本章小节

第4章 C型腿六足机器人攀爬楼梯步态优化

4.1 准备步态

4.2 攀爬步态

4.2.1 姿态/位置调整阶段

4.2.2 爬升阶段

4.3 基于攀爬高度的优化步态——BHGC

4.4 本章小节

第5章 步态仿真比较与实验结果分析

5.1 BSGC步态控制仿真与实验

5.1.1 BSGC步态仿真比较与实验

5.1.2 BSGC步态最大攀爬高度测试

5.2 BHGC步态控制仿真验证

5.3 本章小节

总结与展望

一、论文工作总结

二、工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果