重载液压六足机器人的单腿设计及仿真分析

发布时间：2018-04-25 11:45

  本文选题：六足机器人 + 单腿设计　； 参考：《吉林大学》2017年硕士论文

【摘要】：步行机器人是地面移动机器人中的一个重要分支,有自身独特的优势。相比于传统的轮式、履带式机器人,同等尺寸的步行机器人可以获得更大的越障能力,而且能更好地隔绝地面起伏对机载设备的影响,由于不需要连续地克服路面阻力,步行机器人在松软地面上的能量消耗会更低。从步行机器人驱动装置的角度看,液压系统的承载能力大、系统重量轻,而且可以利用多种动力源,自持力好;从步行机器人的腿足数量上看,六足机器人在稳定性、承载能力和系统复杂度之间取得了较好的平衡,因此液压六足机器人非常适合作为野外崎岖地形下的运输工具或者新奇的载人游乐设施。本文正是为这样一种大承载、高机动性的液驱六足机器人设计腿部结构。通过调研目前国内外液压驱动步行机器人的整体布局、单腿结构,本文采用了比较主流的串联式三铰接关节的腿部机构,每个单腿具有三个主动自由度,之后对单腿进行了正、逆运动学的计算。总结了单腿各个节段之间的比例对机器人整机灵活度的影响,根据机器人的目标性能选取了基节、大腿和小腿的长度。根据六足机器人的应用场景,选取了平路快速行走、垂直越障、通过纵坡和侧坡四种工况作为机器人的典型工况,在每种工况下都进行了步态规划,完成了机器人的虚拟样机仿真。仿真结果显示,六足机器人在四种工况下都能稳定行走。从仿真得到的各个单腿的足端受力来看,六足机器人的性能指标是可达到的,并将足端受力作为单腿设计的约束条件。此外,依据仿真结果还对机器人极限越障能力、坡面行走时的打滑现象和功率消耗情况做了简单的讨论。综合各种工况下6条腿共18个关节的需求转矩,分别得出了摆动关节、大腿关节和膝关节的需求转矩同关节转角之间的关系,作为单腿设计的约束条件。在满足约束的前提下,以液压缸出力最小为目标优化了大腿液压缸和小腿液压缸的铰点位置,以峰值流量最小为目标优化了摆动液压缸的铰点位置,得到了单腿的具体结构。按照优化后的液压缸出力要求,结合有关设计规范,选定了液压缸的主要参数。最后搭建并调试了单腿试验台,对单腿的运动性能做了初步的测试,试验中暴露出了液压缸位置精度不足,响应速度也较慢的问题,未来将应用更合理的控制方法提高液压系统的性能。
[Abstract]:Walking robot is an important branch of ground mobile robot, which has its own unique advantages. Compared with the traditional wheeled robot, the walking robot of the same size can achieve greater obstacle surmounting ability, and can better insulate the influence of the ground undulation on the airborne equipment, because it does not need to overcome the road resistance continuously. Walking robots consume less energy on soft ground. From the point of view of the driving device of the walking robot, the hydraulic system has a large bearing capacity, a light system weight, and it can use a variety of power sources, so it has good self-sustaining power. From the point of view of the number of legs and feet of the walking robot, the six-legged robot is stable. There is a good balance between the bearing capacity and the complexity of the system, so the hydraulic hexapod robot is very suitable as a transportation vehicle in the rough terrain or a novel manned amusement facility. In this paper, the leg structure is designed for such a large bearing, high mobility liquid drive six-legged robot. By investigating the whole layout and single leg structure of the hydraulic driven walking robot at home and abroad, this paper adopts the leg mechanism of series three hinged joints, each leg has three active degrees of freedom, and then the single leg is straightened. The calculation of inverse kinematics. The effect of the proportion of each segment of a single leg on the flexibility of the robot is summarized. The length of the base segment, thigh and calf is selected according to the robot's target performance. According to the application scene of the hexapod robot, we select the fast walking path and the vertical obstacle, and take the longitudinal slope and the side slope as the typical conditions of the robot, and carry out the gait planning under each condition. The virtual prototype simulation of the robot is completed. The simulation results show that the hexapod robot can walk stably under four conditions. According to the simulation results, the performance index of the six-legged robot can be achieved, and the force on the foot end is taken as the constraint condition of the single-leg design. In addition, according to the simulation results, the limit obstacle surmounting ability of the robot, the skidding phenomenon and the power consumption of the robot when walking on the slope are simply discussed. According to the requirement torque of 18 joints of 6 legs under various working conditions, the relationship between the torque requirement of swing joint, thigh joint and knee joint and the angle of joint rotation is obtained, which is the constraint condition of single leg design. On the premise of satisfying the constraint, the hinge position of the hydraulic cylinder and the shank hydraulic cylinder is optimized with the aim of minimizing the output force of the hydraulic cylinder, and the hinge position of the oscillating hydraulic cylinder is optimized with the minimum peak flow rate as the target, and the concrete structure of the single leg is obtained. The main parameters of the hydraulic cylinder are selected according to the requirements of the optimized hydraulic cylinder and the relevant design specifications. Finally, the single leg test bench was built and debugged, and the motion performance of one leg was preliminarily tested. The problems of insufficient position accuracy and slow response speed of hydraulic cylinder were exposed in the test. In the future, more reasonable control methods will be applied to improve the performance of hydraulic system.
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP242

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本文编号：1801171