一种混联腿机构四足步行机器人的设计及非结构环境下的步态规划

摘要

随着移动机器人的应用范围不断扩大，对移动机器人的研究越来越多。不过在复杂环境中，机器人的保持平衡能力和工作可靠性还有很多有待改进的地方。为了使它们能在许多结构和非结构环境中行走，本文从避免传感器和驱动器因环境因素而失效的目标出发，提出了一种混联腿机构的四足机器人。 首先，机械结构分析和运动学建模是步态规划的基础，本文对腿机构自由度和三足、四足落地时的并联结构的自由度进行了分析。接着建立了腿机构运动学模型，给出了全局坐标系与腿部坐标系的变换，并分析了腿机构的理论工作空间，从中选取了适当的工作区域。在这基础之上，利用支链等效原理将三腿和四腿落地时的并联结构等效为3-UPS和4-UPS机构的方法，对原机构进行了运动学反解。 其次，为了提高环境识别方法的适应性，本文提出了一种新型的基于力反馈的非结构环境的识别方法，建立了完整的腿机构的静力学模型，通过Matlab仿真得出了简单环境下的通过在腿的杆件安装应变片进行离散识别方法。在这基础之上，为了适应更复杂的环境给出了通过应力反求足端受力的数学模型，并对机器人机身的力平衡进行了分析，得出作用在机身上的外力的求解方法。 最后，在保证稳定的条件下从耗能、效率、运动空间几个方面论证稳定行走的最佳步态。然后在运动空间的约束下，讨论其对应的初始位姿。静态稳定步态是稳定行走的最基本步态，为谋求更大的稳定裕度，先规划固定重心点的静态步态，在此基础上再规划随动静态步态以改善运动的平滑性。同时，为了解决能在不同方向上行走的问题，又规划了零半径转弯步态。利用提出的非结构环境识别方法，对机器人对障碍物的判断和避障方法进行了分析和规划。

目录

文摘

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致谢

1绪论

1.1步行机器人研究现状

1.2课题的提出

1.3课题的研究内容

1.4课题的创新点

2结构设计

2.1引言

2.2机构选型

2.3自由度分析

2.3.1螺旋理论基础

2.3.2腿机构自由度

2.3.3整机自由度

2.4腿机构尺寸

2.5本章小结

3腿机构运动学分析

3.1引言

3.2位置分析

3.2.1位置正解

3.2.2位置反解

3.3速度分析

3.3.1速度分析正解

3.3.2速度分析反解

3.4加速度分析

3.4.1加速度分析正解

3.4.2加速度分析反解

3.5工作空间分析

3.5.1理论工作空间

3.5.2实际工作空间

3.6坐标系间的变换

3.7本章小结

4并联机构运动学反解

4.1引言

4.2 3-UPS位置反解

4.3 3足支撑并联机构位置反解

4.3.1定坐标系的建立

4.3.2位姿矩阵的建立

4.4 4-UPS位置反解

4.5 4足支撑并联机构位置反解

4.5.1定坐标系建立

4.5.2位姿矩阵的建立

4.6等效支链求解

4.7本章小结

5基于力反馈的非结构环境识别

5.1引言

5.2简单非结构环境识别

5.2.1第一种情况受力仿真

5.2.2第二种情况受力仿真

5.2.3第三种情况受力仿真

5.2.4仿真结果对比

5.3复杂非结构环境识别

5.3.1静力学力学分析

5.3.2应力测量及安装

5.3.3工况识别

5.4机身力平衡

5.5本章小结

6步态规划

6.1引言

6.2基本步态规划

6.2.1步态术语

6.2.2稳定性原理

6.2.3最佳步态

6.2.4初始位姿

6.3静态步态规划

6.3.1固定重心点的静态步态规划

6.3.2随动重心静态步态规划

6.3.3转弯步态规划

6.4障碍判断及规划

6.4.1凹陷障碍判断与规划

6.4.2凸起障碍判断及规划

6.4.3顶端障碍判断及规划

6.5本章小结

7总结与展望

参考文献

作者简历