闭链弓形五连杆机器人翻滚运动生成研究

发布时间：2020-09-28 22:02

　　移动性能是机器人在复杂环境中完成作业任务的关键,而从丰富多彩的自然界中寻求突破是开发高效快捷的新型移动机器人的主要途径。自然界生物经过了长期的进化选择,发展出了优秀而特殊的环境适应能力,是人类学习和模仿的主要对象。仿生学研究表明,自然界中存在着一类不同于轮子定轴滚动的翻滚运动,如某些生物体能以躯干和四肢形成滚动体进行运动。研究人员结合自然界中的这类翻滚运动,开发了形态各异的翻滚机器人。然而,国内外所提出的各类翻滚机器人大多采用传统结构杆件,使得机器人运动速度较低,且始终难以克服运动过程中地面对机器人的冲击,影响运动的稳定性。为了克服上述缺点,本研究采用弓形杆件设计机器人的结构,提出一种闭链弓形五连杆翻滚机器人,可通过自身变形来实现翻滚运动,且在运动中能够避免地面的冲击,运动连续平稳。本文主要研究工作如下:首先,基于形态学和对称性理论,利用弓形杆件对闭链弓形五连杆翻滚机器人进行了机械结构设计。该机器人由五个相同的弓形杆模块首尾相连组成,通过对机器人进行配重,各个弓形杆件模块具有相同的结构参数和质心分布。建立运动学模型并定义广义坐标,得到主、被动关节变量的关系;利用齐次变换法推导各个杆件以及机器人系统的质心坐标、速度、加速度。将机器人的动态翻滚运动等效为圆盘在平面内的滚动,计算得出滚动过程中机器人相对于触地点的转动惯量。其次,分析机器人动态翻滚的约束条件,研究动态翻滚机理。利用蒙特卡洛算法得到机器人质心工作空间以及最大质心偏距随翻滚角的变化关系。建立机器人加速度关于三个广义坐标的非线性耦合模型,利用数值解耦得到机器人加速度范围,并在此范围内利用正弦、三角形、梯形、修正梯形等四种规律构造翻滚角加速度曲线,从而求解得到关节角的解空间。在关节角解空间中,以初始位形与目标位形的连线为关节运动参考轨迹,以关节点与参考轨迹之间的模最小为优化目标,得到关节角的优化轨迹。进而采用零力矩点法分析机器人动态翻滚的稳定性,得到了ZMP点相对于触地点的偏置曲线,结果表明,加速度曲线的突变会造成ZMP振荡,影响运动稳定性。再次,根据机器人翻滚运动的动能和势能,以及机器人非完整约束条件,建立了非冗余驱动条件下的拉格朗日动力学方程。并将基于影响系数法所得的被动关节关于主动关节的函数关系以及动态轨迹规划所得到的关节运动规律代入该动力学方程中,得出了四种加速度规律所对应的广义驱动力矩。然后,将机器人与障碍物的接触点看作支点,分析机器人的越障能力,并将其转化为约束条件下质心运动范围的优化问题。从而建立了包含结构参数以及机器人与障碍物水平距离在内的越障高度模型,并采用数值解法得到了越障高度随翻滚角的变化曲线。进而根据质心运动范围及其内凹的特点,遵循质心运动行程最短原则,规划了机器人越障时的关节轨迹。最后对越障时的动力学进行了建模与分析,得到机器人在越障过程中不发生滑移的摩擦系数。最后,制作、调试全尺寸物理样机测试平台,设计闭环控制系统,开展机器人动态翻滚、准静态越障等试验。机器人关节的运动以轨迹规划理论值与传感器实测值之差作为控制信号。样机试验较好的验证了理论分析的结果。本项目既是对闭链连杆机构移动理论的发展,也是对新型运动方式的实践探索,具有重要的意义。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP242
【部分图文】：

步行模式,移动机器人,偏摆

华中科技大学博士学位论文外一个自由度用来提供输出轴在任意偏摆方位上的自旋。全方位的偏摆运动使得该机构具有仿生物肢体运动特征，连续自旋转动则正是轮式移动所必需的。这种新型机构可以实现滚动与步行运动模式而无需转换装置，在结构上实现了“轮”与“腿”的合并，且不存在冗余装置，结构更为简洁。

偏摆,新型机构,仿生物,自旋转

移动机器人,弧形

有仿生物肢体运动特征，连续自旋转动则正是轮式移动所必需的。这种新型机实现滚动与步行运动模式而无需转换装置，在结构上实现了“轮”与“腿”的且不存在冗余装置，结构更为简洁。7 新型轮-腿复合移动机器人及其滚动、步行模式图 1-8 新型仿生复合关天津大学田润等人在对轮式机器人最佳轮辐数量研究的基础上，采用三轮辐弧计了一种轮腿式移动机器人，如图 1-9 所示[62]。采用三轮辐腿式结构，对台阶有良好的通过性，而且在运动过程中弧形腿还能起到很好的吸收振动作用。在上，该研究团队对三轮辐弧形腿复合机器人进行了扩展，提出了一种具有水陆运动能力的机器人，如图 1-10 所示[63]。

【参考文献】