基于串并混联机械腿的四足机器人机构分析与设计

发布时间：2020-08-14 11:10

【摘要】：目前,四足机器人机械腿主要有串联机构、并联机构和串并混联机构。采用串联机构的机械腿较多,具有运动灵活、运动空间大的优点,但也存在承载能力小、刚度较差等缺点。采用并联机构的机械腿具有承载能力大的优点,但运动灵活性较串联机构的机械腿差。采用串并混联机构的机械腿结合了串联和并联机构的优点,得到了很好的发展,但承载能力强、能实现快速行走的四足机器人机械腿还较少。因此,本文提出一种可实现快速行走、承载能力大的串并混联机构的机械腿,完成了整机设计与研究,最终研制出四足机器人样机。本文研究的主要内容如下:根据四足动物的种类,总结出四足机器人的整体布局及构型,进行对比分析与选型,确定了机械腿的自由度数及机构形式。提出了采用行程放大机构作为机械腿的行走机构,设计了行走机构及驱动输入布局。构型出多种机械腿驱动支链,综合出多种基于行程放大机构的机械腿构型,以构型制造的复杂度作为优选准则,确定了机械腿机构的实施方案。建立了并联行程放大机构的位置反解方程,推导了并联行程放大机构的速度雅克比矩阵,分析了机械腿的工作空间。定义了并联行程放大机构的运动学、静力学性能指标,揭示出机构尺寸参数对性能指标的影响规律。结合定义的机构性能指标,采用多目标优化法确定了总体性能均较好的并联行程放大机构尺寸参数,并优化了侧摆机构主要尺寸参数。完成初步的腿部样机模型设计,为机器人的动力学分析奠定了基础。建立了四足机器人的位置反解方程,推导出了四足机器人的速度和加速度逆解;采用拉格朗日法建立四足机器人腿部的动力学方程;通过仿真实例验证了四足机器人运动学和动力学理论模型的正确性;通过动力学分析,揭示出迈步步长对机械腿驱动力影响规律,为四足机器人系统动力参数预估奠定基础。规划了满足机械腿行走要求的多种足端轨迹,对比分析了多种足端轨迹的运动学特性,在综合考虑系统的稳定性基础上,优选出2种性能较好的足端运动轨迹。提出了一种新的能耗指标,分别研究了样条函数和修正摆线函数足端轨迹在不同步态参数下四足机器人的能耗情况,揭示出不同步态参数对四足机器人能耗的影响规律,为机器人节能行走提供参考。为实现稳定地、连续地行走,提出了一种新的机器人重心轨迹调整方案,规划了机器人的行走步态,通过实例仿真验证了方案的可行性。采用全微分理论建立了机械腿的误差模型,推导出各误差源相对于末端位置误差的映射关系;建立位置误差灵敏度模型与评价指标,揭示出统计意义下各几何误差源对末端位置精度的影响程度;依据3?原则与灵敏度评价指标,确定了各误差源的零件制造公差。采用三坐标测量仪对实际构件制造误差值进行测量,依据误差模型对末端位置精度在工作空间内的分布进行预估,验证误差模型的正确性及精度预估的正确性。预估了液压系统动力参数,设计了液压缸结构尺寸参数,为液压系统的实施奠定基础;完成了四足机器人结构设计与样机的研制。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242
【图文】：

随后，该研究室又研制出 PV-II 四足机器人，如图 1-3 所示。由于在该机器人的足端增加了传感器，能够感知外界环境，实现躯体的平衡，因此该机器人具有很好的地形适应能力，能够完成爬楼梯等动作。在此之后，该研究室又成功开发了TITAN 系列四足机器人，主要用于野外探测和挖掘地雷等，其典型代表为TITAN-VI、TITAN-VIII 四足机器人。TITAN-VI 机器人机械腿采用了直立四杆机构，有效地避免在上下楼梯时腿与腿之间的干涉问题，如图 1-4 所示。TITAN-VIII 机器人的腿部机构由电机和绳索驱动，具有 3 个转动自由度，在髋关节处有实现腿部俯仰和侧摆的两个旋转自由度，还有一个实现膝关节俯仰的旋转自由度，同时具有多种步态选择，在足底安装有传感器，功能较为完备，但承载能力较弱[8-10]，如图 1-5 所示。截至到现在，该研究室已成功研制出 TITAN-XIII 机器人。该机器人腿部通过绳索机构牵引实现腿部机构的移动，腿部机构的驱动安装在其根部，目的是来减轻腿部机构运动部件的重量，提高其动态特性，如图 1-6 所示。同时该团队还开发了 2 套功能完备的控制系统应用于该系列机器人的控制。

随后，该研究室又研制出 PV-II 四足机器人，如图 1-3 所示。由于在该机器人的足端增加了传感器，能够感知外界环境，实现躯体的平衡，因此该机器人具有很好的地形适应能力，能够完成爬楼梯等动作。在此之后，该研究室又成功开发了TITAN 系列四足机器人，主要用于野外探测和挖掘地雷等，其典型代表为TITAN-VI、TITAN-VIII 四足机器人。TITAN-VI 机器人机械腿采用了直立四杆机构，有效地避免在上下楼梯时腿与腿之间的干涉问题，如图 1-4 所示。TITAN-VIII 机器人的腿部机构由电机和绳索驱动，具有 3 个转动自由度，在髋关节处有实现腿部俯仰和侧摆的两个旋转自由度，还有一个实现膝关节俯仰的旋转自由度，同时具有多种步态选择，在足底安装有传感器，功能较为完备，但承载能力较弱[8-10]，如图 1-5 所示。截至到现在，该研究室已成功研制出 TITAN-XIII 机器人。该机器人腿部通过绳索机构牵引实现腿部机构的移动，腿部机构的驱动安装在其根部，目的是来减轻腿部机构运动部件的重量，提高其动态特性，如图 1-6 所示。同时该团队还开发了 2 套功能完备的控制系统应用于该系列机器人的控制。

在足底安装有传感器，功能较为完备，但承载能力较弱[8-10]，如图 1-5 所示。截至到现在，该研究室已成功研制出 TITAN-XIII 机器人。该机器人腿部通过绳索机构牵引实现腿部机构的移动，腿部机构的驱动安装在其根部，目的是来减轻腿部机构运动部件的重量，提高其动态特性，如图 1-6 所示。同时该团队还开发了 2 套功能完备的控制系统应用于该系列机器人的控制。图1-1 Walking Truck 机器人Fig. 1-1 Walking Truck robot图 1-2 KUMO-I 机器人Fig. 1-2 KUMO-I robot

【参考文献】

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本文编号：2792949