电动四足机器人单腿设计与轨迹规划研究

发布时间：2020-05-19 16:03

【摘要】：随着机器人技术的不断发展,腿足式机器人逐渐成为近几年的热门研究主题。腿足式机器人落足点离散,地形适应能力强,且在自然界中有大量的参照物可供研究,在室内办公、抢险救灾、野外勘察等领域都可以大展身手。相对于液压驱动,电力驱动噪声小,为室内应用创造了先决条件;四足机器人稳定性高,承载力强,结构又相对简单,因此电动四足机器人占据了腿足式机器人的研究主流。本文主要设计了一种电动四足机器人单腿系统,并针对该单腿系统组成的四足机器人进行了轨迹规划,最后进行了四足联合仿真与单腿实验。首先,本文总结了四足机器人的地面反馈力(Ground Reaction Force,GRF)模型,设计了一条简单的复合摆线轨迹作为腿部的设计依据。对比了现有四足机器人产品的经典关节构型,提出了关节力矩的泛化公式,并对不同腿部姿态时的关节力矩进行了分析。针对降低关节力矩和转速的目标,确定腿部采用串联双平行四连杆构型,前后腿对称放置。最后,给出了该单腿系统的动力学与运动学模型,并对动力学模型进行了仿真验证。然后,本文对单腿系统的机械与电气系统进行了设计。根据外部载荷求得关节与腿部连杆最大受力,并据此完成了腿部连杆的优化设计与校核、电机和减速器的选型与校核、电气系统的选型与设计。而后,本文详细分析了该单腿系统的结构和工作原理。本文研究了基于线性二阶倒立摆模型的四足机器人足端轨迹规划方法,提出了变质心高度的双足支撑相轨迹,给出了包括启动过程、中间过程和制动过程的完整阶段的轨迹规划,解决了现有的线性二阶倒立摆轨迹速度波动值过大、加速度不连续的问题。最后,基于Adams-MATLAB平台进行了四足间歇小跑步态联合仿真,验证了提出的轨迹规划方法,分析了轨迹规划中存在的两个变量对于关节性能的影响,得到了单腿系统可以达到的最大运动速度。最后,搭建了单腿试验平台,进行了摆腿实验与蹲起实验,验证了所研制单腿系统的合理性。
【图文】：

图 1-1 Phony Pony 图 1-2 TITAN-XIII20 世纪 70 年代开始至今，日本东京工业大学先后研制了十三代 TITAN 四足机器人。TITAN 机器人均采用蜘蛛形结构，四条腿完全相同。1978 年的第二代机器人PV-II[17]是世界上第一个成功利用基于足底触觉传感器和姿态传感器完成了面向楼梯地形运动的四足机器人。2013年，该研究小组推出了代表作TITAN-XIII[18]，如图 1-2 所示。其结构小巧而紧凑，整机自重仅有 5.68kg，可以实现 1.38m/s 的步行。20 世纪 80 年代，麻省理工学院 MIT-leg 实验室的 Raibert 首次提出了弹簧负载倒立摆(SpringLoaded InvertedPendulum,SLIP)原理，并成功应用于实践，开发了第一个可以在一个平面内实现单腿跳跃前进的单腿机器人[19]，如图 1-3a)所示。基于弹簧负载倒立摆原理的控制算法凭借其出色的性能，很快被应用在大量的四足机器人控制算法中。单腿机器人研制成功后，Raibert 等人开始将目光转向四足机器人，并采用类似的结构开发了 MIT-leg 实验室的四足机器人，实现了四足机器人的对角小跑、溜蹄和跳跃等动作[20]，如图 1-3b)。这是早期四足机器人的经典之作。

图 1-1 Phony Pony 图 1-2 TITAN-XIII20 世纪 70 年代开始至今，日本东京工业大学先后研制了十三代 TITAN 四足机器人。TITAN 机器人均采用蜘蛛形结构，四条腿完全相同。1978 年的第二代机器人PV-II[17]是世界上第一个成功利用基于足底触觉传感器和姿态传感器完成了面向楼梯地形运动的四足机器人。2013年，该研究小组推出了代表作TITAN-XIII[18]，如图 1-2 所示。其结构小巧而紧凑，整机自重仅有 5.68kg，可以实现 1.38m/s 的步行。20 世纪 80 年代，麻省理工学院 MIT-leg 实验室的 Raibert 首次提出了弹簧负载倒立摆(SpringLoaded InvertedPendulum,SLIP)原理，并成功应用于实践，，开发了第一个可以在一个平面内实现单腿跳跃前进的单腿机器人[19]，如图 1-3a)所示。基于弹簧负载倒立摆原理的控制算法凭借其出色的性能，很快被应用在大量的四足机器人控制算法中。单腿机器人研制成功后，Raibert 等人开始将目光转向四足机器人，并采用类似的结构开发了 MIT-leg 实验室的四足机器人，实现了四足机器人的对角小跑、溜蹄和跳跃等动作[20]，如图 1-3b)。这是早期四足机器人的经典之作。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242

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本文编号：2671137