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串并混联角度机械腿的四足机器人机构分析与设计
时间:2020-09-30 11:03 | 栏目:机械论文 | 浏览:次
硕士论文网第2020-09-30期，本期硕士论文写作指导老师为大家分享一篇机械论文文章《串并混联角度机械腿的四足机器人机构分析与设计》，供大家在写论文时进行参考。
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本文是一篇机械硕士论文，阐述了足端轨迹规划应考虑的因素，分别从行进方向和抬腿方向规划了满足要求的多种轨迹函数，对比分析了足端位移、速度及加速度的运动性能。结果表明：修正摆线函数与样条函数足端轨迹的运动性能要优于其他足端轨迹。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
随着科学技术的发展，中国在诸多领域得到了巨大成就，如核电技术领域，新化工领域等。这些技术领域虽然给人类带来极其丰富的资源与便利，但其工作环境具有高危险性。如核电站中的核物料搬运，核泄漏及核污染区的处理；化工领域的火灾救援等，都会给人类的生命、健康等造成一定的威胁。除了高新技术领域，地质复杂的勘探、军事侦察与物资运输、地震救灾等领域的环境同样对人类具有高危险性。设计一款合适的机器人代替人完成这些任务来降低人员的伤亡率，提高任务的处理效率，有着重大的实际意义。 在上述领域的复杂工作环境中，采用轮式和履带式机器人去执行任务显然不适合，而足式机器人是模仿动物的运动形式，其腿部的末端可以孤立地支撑地面，在可达的工作空间内可选择更优的支撑点，在复杂的地形中具有高通过性[1]。因此足式仿生机器人在抢险救灾、卫星探测、军事侦察、工农业生产等方面具有广泛的应用前景[2-3]。 根据机器人足的数量，可以分为双足、四足、六足和八足或更多的足式机器人。对于双足机器人来说，在复杂环境中行走的平稳性控制较为困难，承载能力相对也较弱；对于六足、八足机器人或者更多足的机器人来说，一般体型较为庞大，结构和控制较为复杂；四足机器人在高负载与平稳性能方面优于双足机器人, 同时又减小了其结构的冗余和复杂性，而且能以静态步行方式实现在复杂地形上稳定行走，同时还能以动态步行方式在较为平坦的地面实现快速行走，适合作为灾害救援、军事侦察与货物运输等机器人[4-5]。因此，从适应复杂地形、运动灵活、越障能力、承载能力、结构和控制的复杂程度方面来综合选择机器人的足数，四足机器人具有极大的优势。
1.2 多足机器人机械腿构型国内外研究现状
为了实现灵活行走，多足机器人的腿部机构通常具有 2~6 个自由度[90]。这些腿部机构一般都具有一定的通用性，也可以用于四足机器人的腿部机构。同时通过上述四足机器人的国内外研究现状可以发现，四足机器人的腿部机构通常为串联机构的腿部机构、并联机构的腿部机构与串并混联机构的腿部机构。下面分别从这三种机构来阐述多足机器人腿部机构的研究现状。串联机构机械腿具有结构简单、制造成本低及控制简单等特点，因此，自诞生之日起就一直被广泛应用于多足机器人的腿部机构。大多数串联机构机械腿构型采用纯 R 副的组合形式，部分串联机构机械腿构型采用了 R 副和 P 副组合形式。因此，本节以构型的组合形式为主线对串联机构机械腿的研究现状进行概述。 纯 R 副构型的串联机械腿有 RR、RRR、RRRR、RRRRR、RRRRRR 构型。RR构型的机械腿运动性能差，越障困难，很难被实际应用，其驱动方式多为电机驱动，其结构如图 1-37 所示的 Genghis 机器人的机械腿。在 RRR 构型的机械腿中，一般两个 R 副相对于地面平行，实现前方的抬腿和迈步动作，另一个 R 副轴线垂直于前面两个 R 副，实现腿部机构的侧摆运动，完全能够满足机械腿在 3 维空间的运动，且结构简单。因此，受到广大四足机器人研究学者的青睐，被广泛应用。此构型的机械腿已成功应用于国内外的四足机器人，如美国的 BIG DOG 机器人，意大利的 HYQ机器人，山东科技大学、北京理工大学、国防科技大学、哈尔滨工业大学等研究的四足机器人，其腿部构型中的 R 副由液压缸驱动旋转，其结构形式如图 1-38 所示。Walk Trucn 机器人构型中的 R 副则由液压马达直接驱动旋转，带动机械腿各关节运动；TITAN-IX 机器人构型中的 R 副由电机直接驱动旋转，带动机械腿各关节运动，ITAN-IX 机器人构型中的 R 副由电机直接驱动旋转，带动机械腿各关节运动，如图 1-39 所示。
第 2 章 四足机器人整机构型与腿部构型设计
在自然界中，有诸多的四足动物，无论哪种四足动物的行走都是通过四肢的协调运动实现的。为了生存，他们的四肢必须适应不同的环境，否则就会被自然界淘汰。因此，在其长久的进化过程中，四足动物的四肢变得非常灵活，成为很多学者设计与研究四足机器人的模仿对象。四足动物在演变过程中，不同种类的四足动物四肢结构是不同的，四肢在躯干上的分布也不尽相同，其运动性能、承载性能也存在差异。因此，需要对四足动物结构及布局形式进行总结，根据仿生学理论及机构学理论构型出四足机器人结构及整机布局，为四足机器人的研究奠定基础。 本章首先制定四足机器人基本性能指标，然后通过对四足动物结构布局的研究，根据不同动物的种类构型出四足机器人的整体布局，再依据规定的基本性能指标，选出符合要求的结构布局，最后完成对机械腿的构型分析与设计。
2. 1 四足机器人基本指标简介
课题来源于国家“863”主题计划项目，在项目计划书中已规定了四足机器人的物理参数指标和性能指标，并最终按此指标对项目进行验收与评价。因此，本文研究的四足机器人基本性能指标与“863”主题计划项目中规定的性能指标一致，具体指标如下表 2-1。
2. 1 四足机器人基本指标简介
课题来源于国家“863”主题计划项目，在项目计划书中已规定了四足机器人的物理参数指标和性能指标，并最终按此指标对项目进行验收与评价。因此，本文研究的四足机器人基本性能指标与“863”主题计划项目中规定的性能指标一致，具体指标如下表 2-1。
通过项目基本指标可以看出，本文研究的机器人需具备较大的承载能力、快速移动能力及较好的运动灵活性。
2. 2 四足机器人整体布局及分析
在自然界中，四足动物的种类主要有哺乳类、爬行类及昆虫类。不同种类的四足动物，其腿的不同构造对四足动物的运动性能有着不同的影响，如运动的灵活性、承载能力、越障能力等。哺乳类四足动物，有的四肢修长，适合于快速行走或者奔跑，如马、鹿、狼等；有的四肢粗壮，适合于承受较重的载荷，如骆驼、牛等。无论哪种哺乳类四足动物，其承载能力相对于其他类的四足动物都好。由于四足动物直立时腿部在身体的正下方，通常具有较高的躯干净空高度，其越障能力较强，但其直立时平衡性稍有不足。对于昆虫类的四足动物，其四肢位于躯干两侧，由多关节组成，且较为短小，相对于自身的躯干，支撑面积大，运动较为灵活，平衡性好，但躯干距地面高度较小，越障性及承载能力较差，如蟋蟀、螳螂等。爬行类四足动物具有昆虫类四足动物的优点与缺点，同样在腿部关节承载能力、越障能力较差，但在其它环境具有很强的运动灵活性，如壁虎，可在玻璃上快速行走等。
第 3 章 串并混联机械腿运动学分析与关键尺寸参数优化
3.1 并联行程放大机构的位置反解分析
3.2 并联行程放大机构线速度雅克比求解
3.3 并联行程放大机构工作空间分析
3.4 并联行程放大机构灵活性能指标建立及影响规律分析
3.5 并联行程放大机构静力学性能指标的建立及其影响规律分析
3.6 并联行程放大机构尺寸参数优化
3.7 侧摆机构主要尺寸参数优化
3.8 四足机器人虚拟样机模型设计
3.9 本章小结
第 4 章 四足机器人的运动学及动力学分析
4.1 四足机器人运动学分析
4.2 四足机器人的动力学建模与分析
4.3 本章小结
第 5 章 四足机器人足端轨迹与能耗关系及步态规划研究
5.1 四足机器人足端轨迹规划
5.2 优选足端轨迹的能耗分析
5.3 四足机器人步态规划研究
5.4 本章小结
第 6 章 四足机器人机械腿误差分析与样机设计
6.1 机械腿位置误差建模与灵敏度分析
6.2 液压系统重要参数预估
6.3 样机的结构设计及研制
6.4 本章小结
结 论
本文是在国家高技术研究发展计划(863 计划)先进制造技术领域重点项目资助下进行的。该项目主要围绕高负载、高适应性及高动态特性的四足仿生机器人展开研究工作。本文的主要研究工作及取得的主要研究成果如下：
（1）总结出四足机器人的整体布局及构型，确定了满足设计要求的机器人整机构型、机械腿的自由度数及串并混联机构的机械腿构型方案。提出了采用行程放大机构作为机械腿的行走机构方案，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，最终确定了 RPR 驱动构型与行程放大机构组合作为四足机器人的机械腿构型。
（2）建立了串并混联机械腿的运动学模型，定义了串并混联机械腿的性能评价指标，采用多目标优化法优化了并联行程放大机构关键尺寸参数，依据侧摆缸输出力最小力原则，优化了侧摆机构主要尺寸参数，初步设计了腿部机构及样机模型。
（3）建立了四足机器人的位置反解方程，推导出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分析，为样机的动力参数确定奠定了基础。
（4）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下的运动学特性，在综合考虑系统的稳定性基础上，优选出了 2 种性能较好的足端运动轨迹；对比分析了优选的足端轨迹与输入驱动特性的关系；提出了一种新的能耗指标，分析 2 种优选的足端轨迹步参数对四足机器人能耗的影响规律，结果表明：样条函数的足端轨迹有利于四足机器人的节能行走，其步态参数对能耗的影响规律为四足机器人的节能行走提供理论指导。为实现稳定地、连续地行走，提出了一种机器人的重心轨迹规划，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。
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