高速腿机构的仿生设计与轨迹生成方法研究

发布时间：2020-08-05 12:33

【摘要】：猎豹是自然界中奔跑速度最快的哺乳动物,以猎豹为仿生目标一直都是仿生四足机器人的研究热点。生物学研究中发现猎豹在奔跑时,主要通过后腿提供奔跑时的动力,其高速奔跑与猎豹腿部的骨骼结构、肌肉分布以及奔跑时足端的运动轨迹等因素密不可分。因此,本课题以猎豹的腿部结构作为仿生学对象,设计了一款具有高速运动功能的机械腿结构。并模仿猎豹奔跑时的足端轨迹提出了一种参数化的足端轨迹生成算法,在机械腿上进行了实验验证。论文主要完成的工作如下:通过对猎豹奔跑时足端轨迹的特征进行分析,利用贝塞尔曲线生成足端轨迹,建立合理的目标函数以及约束条件,采用粒子群优化算法优化轨迹控制参数,形成参数化的足端轨迹生成算法。该算法可以通过确定少量参数生成形状接近于猎豹奔跑时的足端轨迹曲线。对猎豹腿部骨骼结构和肌肉分布等特征进行调研,确定机械腿的结构方案以及尺寸,并结合猎豹的肌肉分布特征,采用驱动远置的设计方案来降低腿部的惯量,完成机械腿的三维建模以及样机的设计制作。针对机械腿机构搭建了控制系统,在下位机中以FreeRTOS实时操作系统作为控制核心,提高响应的实时性。编写了上位机程序界面以及上下位机通讯程序。最后,在高速腿机构实验平台上对基于贝塞尔曲线的仿生足端轨迹方法进行实验了验证。实验通过悬空测试和地面奔跑测试,证明机械腿机构能够跟随目标轨迹运动,仿生足端轨迹可以有效实现机械腿的移动。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242;Q811
【图文】：

W逡逑图１－３三维跳跃机器人【７］逦图１－４平面双足机器人［８】逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－３邋Ｔｈｒｅｅ－Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ邋Ｈｏｐｐｉｎｇ逦Ｆｉｇｕｒｅ邋１－４邋Ｐｌａｎａｒ邋Ｂｉｐｅｄ［８］逡逑Ｍａｃｈｉｎｅ１７１逡逑Ｒａｉｂｅｒｔ创立的波士顿动力公司于２００５年发布的四足机器人Ｂｉｇｄｏｇ［１Ｇ】，采用液压作逡逑为动力源，可以实现在复杂地面上的运动并且能够抵抗外部环境的干扰，Ｂｉｇｄｏｇ的每条逡逑腿有四个液压驱动器为关节提供动力，同时在足端也有一被动自由度。２００９年２月，波逡逑士顿动力发布了邋ＬｉｔｔｌｅＤｏｇ机器人，采用锂电池作为动力源，可实现持续３０分钟的运动逡逑［１１］。２０１１年９月波士顿动力研发ＡｌｐｈａＤｏｇＰｒｏｔｏ军用智能机器人，采用内燃机驱动的逡逑液压装置提供动力，能够携带４００磅负载的同时在复杂地形行走超过２０英里。在２０１２逡逑年邋９邋月波士顿动力发布了邋Ｌｅｇｇｅｄ邋Ｓｑｕａｄ邋Ｓｕｐｐｏｒｔ邋Ｓｙｓｔｅｍ邋（ＬＳ３）机器人，作为邋ＡｌｐｈａＤｏｇ逡逑Ｐｒｏｔｏ的继承

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逦Ｆｉｇｕｒｅ邋１－８邋Ｓｐｏｔ邋Ｍｉｎｉ＂４】逡逑苏黎世联邦理工学院的机器人系统实验室Ｈｕｔｔｅｒ团队在２０１０年设计了基于串联弹逡逑性驱动器（ＳＥＡ）进行控制的单腿跳跃机器人ＳｃａｒｌＥＴＨ，如图１－９。为了降低整条腿的质逡逑量，其驱动电机均位于髋关节处，电机的动力通过链将动力传递到膝关节处，如图１－１０逡逑所示。其弹性元件置于小腿的内部，同时在关节处安装有阻尼片，消除运动中的冲击带逡逑来的振动，同时提高机器人在摆动相时的控制精度［１５］。该机器人有着较高的能量利用效逡逑率２０１１年基于该单腿机器人，进一步开发了四足机器人ＳｔａｒｌＥＴＨ，如图１－１１所示。逡逑其１２个关节均为ＳＥＡ关节，总重２３ｋｇ，长０．７１ｍ，宽０．６４ｍ，高度为０．５８ｍ［１７］，控制逡逑上采用分级操作空间控制策略，实现机器人的稳定运行［１８］。该团队进一步将ＳＥＡ、电机逡逑与控制电路整合，推出了邋ＡＮＹＤｒｉｖｅ驱动器，其内部整合了电机ＰＩＤ控制器、驱动电机逡逑及ＳＥＡ。利用ＡＮＹＤｒｉｖｅ

【参考文献】

相关期刊论文 前6条

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2 夏红伟;翟彦斌;马广程;邓雅;王常虹;;基于混沌粒子群优化算法的空间机械臂轨迹规划算法[J];中国惯性技术学报;2014年02期

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相关博士学位论文 前1条

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本文编号：2781560