【摘要】：隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展,腿足式機(jī)器人逐漸成為近幾年的熱門研究主題。腿足式機(jī)器人落足點(diǎn)離散,地形適應(yīng)能力強(qiáng),且在自然界中有大量的參照物可供研究,在室內(nèi)辦公、搶險(xiǎn)救災(zāi)、野外勘察等領(lǐng)域都可以大展身手。相對(duì)于液壓驅(qū)動(dòng),電力驅(qū)動(dòng)噪聲小,為室內(nèi)應(yīng)用創(chuàng)造了先決條件;四足機(jī)器人穩(wěn)定性高,承載力強(qiáng),結(jié)構(gòu)又相對(duì)簡(jiǎn)單,因此電動(dòng)四足機(jī)器人占據(jù)了腿足式機(jī)器人的研究主流。本文主要設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)四足機(jī)器人單腿系統(tǒng),并針對(duì)該單腿系統(tǒng)組成的四足機(jī)器人進(jìn)行了軌跡規(guī)劃,最后進(jìn)行了四足聯(lián)合仿真與單腿實(shí)驗(yàn)。首先,本文總結(jié)了四足機(jī)器人的地面反饋力(Ground Reaction Force,GRF)模型,設(shè)計(jì)了一條簡(jiǎn)單的復(fù)合擺線軌跡作為腿部的設(shè)計(jì)依據(jù)。對(duì)比了現(xiàn)有四足機(jī)器人產(chǎn)品的經(jīng)典關(guān)節(jié)構(gòu)型,提出了關(guān)節(jié)力矩的泛化公式,并對(duì)不同腿部姿態(tài)時(shí)的關(guān)節(jié)力矩進(jìn)行了分析。針對(duì)降低關(guān)節(jié)力矩和轉(zhuǎn)速的目標(biāo),確定腿部采用串聯(lián)雙平行四連桿構(gòu)型,前后腿對(duì)稱放置。最后,給出了該單腿系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,并對(duì)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。然后,本文對(duì)單腿系統(tǒng)的機(jī)械與電氣系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。根據(jù)外部載荷求得關(guān)節(jié)與腿部連桿最大受力,并據(jù)此完成了腿部連桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)與校核、電機(jī)和減速器的選型與校核、電氣系統(tǒng)的選型與設(shè)計(jì)。而后,本文詳細(xì)分析了該單腿系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理。本文研究了基于線性二階倒立擺模型的四足機(jī)器人足端軌跡規(guī)劃方法,提出了變質(zhì)心高度的雙足支撐相軌跡,給出了包括啟動(dòng)過(guò)程、中間過(guò)程和制動(dòng)過(guò)程的完整階段的軌跡規(guī)劃,解決了現(xiàn)有的線性二階倒立擺軌跡速度波動(dòng)值過(guò)大、加速度不連續(xù)的問(wèn)題。最后,基于Adams-MATLAB平臺(tái)進(jìn)行了四足間歇小跑步態(tài)聯(lián)合仿真,驗(yàn)證了提出的軌跡規(guī)劃方法,分析了軌跡規(guī)劃中存在的兩個(gè)變量對(duì)于關(guān)節(jié)性能的影響,得到了單腿系統(tǒng)可以達(dá)到的最大運(yùn)動(dòng)速度。最后,搭建了單腿試驗(yàn)平臺(tái),進(jìn)行了擺腿實(shí)驗(yàn)與蹲起實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了所研制單腿系統(tǒng)的合理性。
【圖文】：

圖 1-1 Phony Pony 圖 1-2 TITAN-XIII20 世紀(jì) 70 年代開(kāi)始至今，日本東京工業(yè)大學(xué)先后研制了十三代 TITAN 四足機(jī)器人。TITAN 機(jī)器人均采用蜘蛛形結(jié)構(gòu)，四條腿完全相同。1978 年的第二代機(jī)器人PV-II[17]是世界上第一個(gè)成功利用基于足底觸覺(jué)傳感器和姿態(tài)傳感器完成了面向樓梯地形運(yùn)動(dòng)的四足機(jī)器人。2013年，該研究小組推出了代表作TITAN-XIII[18]，如圖 1-2 所示。其結(jié)構(gòu)小巧而緊湊，整機(jī)自重僅有 5.68kg，可以實(shí)現(xiàn) 1.38m/s 的步行。20 世紀(jì) 80 年代，麻省理工學(xué)院 MIT-leg 實(shí)驗(yàn)室的 Raibert 首次提出了彈簧負(fù)載倒立擺(SpringLoaded InvertedPendulum,SLIP)原理，并成功應(yīng)用于實(shí)踐，開(kāi)發(fā)了第一個(gè)可以在一個(gè)平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)單腿跳躍前進(jìn)的單腿機(jī)器人[19]，如圖 1-3a)所示�；趶椈韶�(fù)載倒立擺原理的控制算法憑借其出色的性能，很快被應(yīng)用在大量的四足機(jī)器人控制算法中。單腿機(jī)器人研制成功后，Raibert 等人開(kāi)始將目光轉(zhuǎn)向四足機(jī)器人，并采用類似的結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)了 MIT-leg 實(shí)驗(yàn)室的四足機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了四足機(jī)器人的對(duì)角小跑、溜蹄和跳躍等動(dòng)作[20]，如圖 1-3b)。這是早期四足機(jī)器人的經(jīng)典之作。

圖 1-1 Phony Pony 圖 1-2 TITAN-XIII20 世紀(jì) 70 年代開(kāi)始至今，日本東京工業(yè)大學(xué)先后研制了十三代 TITAN 四足機(jī)器人。TITAN 機(jī)器人均采用蜘蛛形結(jié)構(gòu)，四條腿完全相同。1978 年的第二代機(jī)器人PV-II[17]是世界上第一個(gè)成功利用基于足底觸覺(jué)傳感器和姿態(tài)傳感器完成了面向樓梯地形運(yùn)動(dòng)的四足機(jī)器人。2013年，該研究小組推出了代表作TITAN-XIII[18]，如圖 1-2 所示。其結(jié)構(gòu)小巧而緊湊，整機(jī)自重僅有 5.68kg，可以實(shí)現(xiàn) 1.38m/s 的步行。20 世紀(jì) 80 年代，麻省理工學(xué)院 MIT-leg 實(shí)驗(yàn)室的 Raibert 首次提出了彈簧負(fù)載倒立擺(SpringLoaded InvertedPendulum,SLIP)原理，并成功應(yīng)用于實(shí)踐，，開(kāi)發(fā)了第一個(gè)可以在一個(gè)平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)單腿跳躍前進(jìn)的單腿機(jī)器人[19]，如圖 1-3a)所示�；趶椈韶�(fù)載倒立擺原理的控制算法憑借其出色的性能，很快被應(yīng)用在大量的四足機(jī)器人控制算法中。單腿機(jī)器人研制成功后，Raibert 等人開(kāi)始將目光轉(zhuǎn)向四足機(jī)器人，并采用類似的結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)了 MIT-leg 實(shí)驗(yàn)室的四足機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了四足機(jī)器人的對(duì)角小跑、溜蹄和跳躍等動(dòng)作[20]，如圖 1-3b)。這是早期四足機(jī)器人的經(jīng)典之作。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP242

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本文編號(hào)：2671137