具有可变刚度的四足机器人仿生脊柱设计与应用研究

发布时间：2017-06-27 08:24

  本文关键词：具有可变刚度的四足机器人仿生脊柱设计与应用研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：现有的四足机器人躯干以刚体为主,刚性躯体的仿生四足机器人平台由于无法充分利用四足哺乳动物例如猎豹等身体的重要机能—脊柱在动物奔跑中的作用,而无法实现灵活的运动和快速奔跑。受猎豹等四足哺乳动物在快速奔跑时利用其柔顺脊柱上下弯曲实现高速运动和在转弯运动过程中利用其柔顺脊柱左右侧向弯曲实现灵活转弯等场景的启发,本文提出了一款具有可变刚度的四足机器人仿生脊柱,并将其应用于四足机器人DCat Ⅱ。通过改变仿生脊柱在pitch(俯仰)和yaw(偏转)两个方向上的刚度,提高四足机器人的运动的速度和灵活性。论文完成的主要工作如下：通过对猎豹的身体结构和躯干运动特征进行观察,提出了一款具有可变刚度的四足机器人仿生脊柱,对仿生脊柱进行了整体结构设计。仿生脊柱具有胸椎、腰椎和骶椎三部分,每部分均由不同厚度的刚性椎骨和弹性椎间盘组成,椎骨和椎间盘采用四叶草结构形状。同时设计了采用螺旋传动的仿生脊柱的刚度调节机构,完成了仿生脊柱的静刚度特性测试实验。针对设计的四足机器人仿生脊柱,利用柔顺机构学伪刚体模型法建立两端同时受力的伪刚体模型分析仿生脊柱的力学特性,并对脊柱进行了有限元力学仿真分析。改造实验室现有的四足机器人DCat的硬件结构,编写了四足机器人DCatⅡ的控制程序,并设计实验研究仿生脊柱对机器人足端力、脊柱整体刚度对运动速度和脊柱在yaw方向刚度值的大小对机器人转弯半径的影响。实验结果显示,仿生脊柱可以减小足端力,四足机器人DCatⅡ可以利用柔顺脊柱的上下弯曲增大跨步长以提高其运动速度,合理选择仿生脊柱在yaw方向刚度的值可以实现四足机器人的转弯运动。
【关键词】：四足机器人 仿生脊柱 模块化 可变刚度
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-10
• 1 引言10-28
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 四足哺乳动物脊柱的形态结构及其运动特征11-13
• 1.3 柔顺脊柱在四足机器人中的应用13-14
• 1.4 柔顺脊柱结构设计与控制14-24
• 1.4.1 主动柔顺脊柱14-20
• 1.4.2 被动柔顺脊柱20-22
• 1.4.3 可变刚度机构设计与分析方法22-24
• 1.5 柔顺机构的设计和分析方法24-26
• 1.5.1 伪刚体模型法24-25
• 1.5.2 多刚体离散元法25-26
• 1.6 主要研究内容及论文章节安排26-28
• 2 具有可变刚度柔顺脊柱的仿生学设计28-44
• 2.1 可变刚度柔顺脊柱的设计28-35
• 2.1.1 猎豹身体结构及躯干运动特征28-30
• 2.1.2 柔顺脊柱的刚度调节原理30-32
• 2.1.3 柔顺脊柱的结构设计32-33
• 2.1.4 柔顺脊柱的材料选择33-34
• 2.1.5 刚度调节机构设计34-35
• 2.2 可变刚度柔顺脊柱的刚度调节特性曲线35-41
• 2.2.1 刚度特性测试平台搭建35-37
• 2.2.2 刚度特性实验37-38
• 2.2.3 整体刚度大小可调实验38-40
• 2.2.4 刚度方向可调实验40-41
• 2.3 本章小结41-44
• 3 柔顺脊柱力学特性分析44-52
• 3.1 两端同时受力的柔顺脊柱力学建模44-48
• 3.2 脊柱强度与变形有限元仿真48-50
• 3.3 本章小结50-52
• 4 具有可变刚度柔顺脊柱的四足机器人运动实验52-66
• 4.1 四足机器人平台DCatⅡ52-58
• 4.1.1 硬件平台及结构改造53-55
• 4.1.2 控制软件55-58
• 4.2 刚性脊柱和柔顺脊柱对机器人足端力的影响58-59
• 4.3 柔顺脊柱整体刚度对机器人运动速度的影响59-62
• 4.4 柔顺脊柱的刚度方向对机器人转弯半径的影响62-64
• 4.5 本章小结64-66
• 5 总结与展望66-68
• 参考文献68-72
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果72-76
• 学位论文数据集76

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