一种新型四足仿生机器人性能分析与仿真

论文摘要

仿生机器人是现代研究的热点领域之一，空间机构作为近几年来新兴的研究方向，在仿生机器人领域内鲜有应用。目前仿生机器人关节大都采用串联结构，普遍存在承载能力差、行走效率低等缺点。本文基于空间曲柄摇杆机构与平面两自由度并联机构，提出一种新型空间机构，作为四足仿生机器人的腿机构。介绍了机构的构型，建立了四足仿生机器人的结构模型。求解出该腿机构的位置正反解解析表达式，对位置正解进行了验证。给出了该四足仿生机器人腿机构虎克铰、球铰、杆长等约束，采用三维球坐标边界搜索法，绘制了多组运动空间边界图及截面图。绘制了机构各参数对运动空间体积大小的影响曲线图，为机构参数的选取提供了依据。用函数求导方法求解出了该机构的速度传递雅克比矩阵，并通过拆杆法建立了机构的静力学平衡方程。定义了线速度、角速度传递性能评价指标，静力、力矩传递性能评价指标，绘制出多组评价指标在运动空间内不同截面处的分布图。针对影响四足仿生机器人步态稳定性的因素，推导反映机器人静态稳定性和动态稳定性的评价准则计算公式，得出判别稳定行走的条件，并给出稳定行走状态下的步态规划。基于上述的分析，规划了机器人的足端、躯体运动轨迹，并进行了稳定行走步态仿真，得出各驱动输入位移、速度及力矩等曲线，为后续设计工作奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 国外四足仿生机器人研究概况
• 1.2.2 国内四足仿生机器人研究概况
• 1.3 四足仿生机器人研究面临的挑战
• 1.4 本课题的研究内容及意义
• 第2章 四足仿生机器人腿机构位置分析
• 2.1 概述
• 2.2 四足仿生机器人结构模型及坐标系建立
• 2.2.1 结构模型
• 2.2.2 四足机器人腿机构坐标系建立
• 2.2.3 机构自由度分析
• 2.3 腿机构位置分析
• 2.3.1 位置反解
• 2.3.2 腿机构的位置正解
• 2.3.3 位置正解算例
• 2.4 本章小结
• 第3章 四足仿生机器人腿机构运动空间分析
• 3.1 概述
• 3.2 运动空间的约束条件
• 3.3 运动空间分析
• 3.3.1 运动空间边界搜索法
• 3.3.2 结构参数对运动空间大小的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 四足仿生机器人腿机构性能分析
• 4.1 概述
• 4.2 速度传递性能分析
• 4.2.1 速度雅克比矩阵的计算
• 4.2.2 运动学传递各向同性性能评价指标
• 4.3 静力学传递性能分析
• 4.3.1 概述
• 4.3.2 机构静力全解分析
• 4.3.3 机器人单腿所受静力的求解
• 4.3.4 上段固定杆所受静力分解
• 4.3.5 下段移动杆所受静力分解
• 4.3.6 曲柄摇杆所受静力分解
• 4.3.7 整体所受静力分解
• 4.4 腿机构的力传递性能分析
• 4.4.1 力雅克比矩阵的求导
• 4.4.2 静力学性能评价指标的定义及分布
• 4.5 本章小结
• 第5章 四足仿生机器人稳定性分析与步态规划
• 5.1 稳定性评价方法研究综述
• 5.2 稳定性分析
• 5.2.1 静态稳定性评价
• 5.2.2 动态稳定性评价
• 5.3 稳定步行条件
• 5.4 稳定行走步态规划
• 5.4.1 步态术语
• 5.4.2 慢走步态规划
• 5.4.3 对角小跑步态规划
• 5.5 本章小结
• 第6章 轨迹规划与虚拟样机仿真
• 6.1 概述
• 6.2 轨迹规划
• 6.2.1 摆动足轨迹规划
• 6.2.2 躯体轨迹规划
• 6.2.3 绘制曲线
• 6.3 虚拟样机迈步仿真
• 6.3.1 样机模型建立及数据转换
• 6.3.2 迈步过程仿真
• 6.3.3 样机运动学仿真
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介