【摘要】：獵豹是自然界中奔跑速度最快的哺乳動(dòng)物,以獵豹為仿生目標(biāo)一直都是仿生四足機(jī)器人的研究熱點(diǎn)。生物學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)獵豹在奔跑時(shí),主要通過后腿提供奔跑時(shí)的動(dòng)力,其高速奔跑與獵豹腿部的骨骼結(jié)構(gòu)、肌肉分布以及奔跑時(shí)足端的運(yùn)動(dòng)軌跡等因素密不可分。因此,本課題以獵豹的腿部結(jié)構(gòu)作為仿生學(xué)對(duì)象,設(shè)計(jì)了一款具有高速運(yùn)動(dòng)功能的機(jī)械腿結(jié)構(gòu)。并模仿獵豹奔跑時(shí)的足端軌跡提出了一種參數(shù)化的足端軌跡生成算法,在機(jī)械腿上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。論文主要完成的工作如下:通過對(duì)獵豹奔跑時(shí)足端軌跡的特征進(jìn)行分析,利用貝塞爾曲線生成足端軌跡,建立合理的目標(biāo)函數(shù)以及約束條件,采用粒子群優(yōu)化算法優(yōu)化軌跡控制參數(shù),形成參數(shù)化的足端軌跡生成算法。該算法可以通過確定少量參數(shù)生成形狀接近于獵豹奔跑時(shí)的足端軌跡曲線。對(duì)獵豹腿部骨骼結(jié)構(gòu)和肌肉分布等特征進(jìn)行調(diào)研,確定機(jī)械腿的結(jié)構(gòu)方案以及尺寸,并結(jié)合獵豹的肌肉分布特征,采用驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)置的設(shè)計(jì)方案來降低腿部的慣量,完成機(jī)械腿的三維建模以及樣機(jī)的設(shè)計(jì)制作。針對(duì)機(jī)械腿機(jī)構(gòu)搭建了控制系統(tǒng),在下位機(jī)中以FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為控制核心,提高響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。編寫了上位機(jī)程序界面以及上下位機(jī)通訊程序。最后,在高速腿機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)基于貝塞爾曲線的仿生足端軌跡方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)通過懸空測(cè)試和地面奔跑測(cè)試,證明機(jī)械腿機(jī)構(gòu)能夠跟隨目標(biāo)軌跡運(yùn)動(dòng),仿生足端軌跡可以有效實(shí)現(xiàn)機(jī)械腿的移動(dòng)。
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP242;Q811
【圖文】：

W逡逑圖１－３三維跳躍機(jī)器人【７］邐圖１－４平面雙足機(jī)器人［８】逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－３邋Ｔｈｒｅｅ－Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ邋Ｈｏｐｐｉｎｇ邐Ｆｉｇｕｒｅ邋１－４邋Ｐｌａｎａｒ邋Ｂｉｐｅｄ［８］逡逑Ｍａｃｈｉｎｅ１７１逡逑Ｒａｉｂｅｒｔ創(chuàng)立的波士頓動(dòng)力公司于２００５年發(fā)布的四足機(jī)器人Ｂｉｇｄｏｇ［１Ｇ】，采用液壓作逡逑為動(dòng)力源，可以實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜地面上的運(yùn)動(dòng)并且能夠抵抗外部環(huán)境的干擾，Ｂｉｇｄｏｇ的每條逡逑腿有四個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)器為關(guān)節(jié)提供動(dòng)力，同時(shí)在足端也有一被動(dòng)自由度。２００９年２月，波逡逑士頓動(dòng)力發(fā)布了邋ＬｉｔｔｌｅＤｏｇ機(jī)器人，采用鋰電池作為動(dòng)力源，可實(shí)現(xiàn)持續(xù)３０分鐘的運(yùn)動(dòng)逡逑［１１］。２０１１年９月波士頓動(dòng)力研發(fā)ＡｌｐｈａＤｏｇＰｒｏｔｏ軍用智能機(jī)器人，采用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的逡逑液壓裝置提供動(dòng)力，能夠攜帶４００磅負(fù)載的同時(shí)在復(fù)雜地形行走超過２０英里。在２０１２逡逑年邋９邋月波士頓動(dòng)力發(fā)布了邋Ｌｅｇｇｅｄ邋Ｓｑｕａｄ邋Ｓｕｐｐｏｒｔ邋Ｓｙｓｔｅｍ邋（ＬＳ３）機(jī)器人，作為邋ＡｌｐｈａＤｏｇ逡逑Ｐｒｏｔｏ的繼承

逑W逡逑圖１－３三維跳躍機(jī)器人【７］邐圖１－４平面雙足機(jī)器人［８】逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－３邋Ｔｈｒｅｅ－Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ邋Ｈｏｐｐｉｎｇ邐Ｆｉｇｕｒｅ邋１－４邋Ｐｌａｎａｒ邋Ｂｉｐｅｄ［８］逡逑Ｍａｃｈｉｎｅ１７１逡逑Ｒａｉｂｅｒｔ創(chuàng)立的波士頓動(dòng)力公司于２００５年發(fā)布的四足機(jī)器人Ｂｉｇｄｏｇ［１Ｇ】，采用液壓作逡逑為動(dòng)力源，可以實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜地面上的運(yùn)動(dòng)并且能夠抵抗外部環(huán)境的干擾，Ｂｉｇｄｏｇ的每條逡逑腿有四個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)器為關(guān)節(jié)提供動(dòng)力，同時(shí)在足端也有一被動(dòng)自由度。２００９年２月，波逡逑士頓動(dòng)力發(fā)布了邋ＬｉｔｔｌｅＤｏｇ機(jī)器人，采用鋰電池作為動(dòng)力源，可實(shí)現(xiàn)持續(xù)３０分鐘的運(yùn)動(dòng)逡逑［１１］。２０１１年９月波士頓動(dòng)力研發(fā)ＡｌｐｈａＤｏｇＰｒｏｔｏ軍用智能機(jī)器人，采用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的逡逑液壓裝置提供動(dòng)力，能夠攜帶４００磅負(fù)載的同時(shí)在復(fù)雜地形行走超過２０英里。在２０１２逡逑年邋９邋月波士頓動(dòng)力發(fā)布了邋Ｌｅｇｇｅｄ邋Ｓｑｕａｄ邋Ｓｕｐｐｏｒｔ邋Ｓｙｓｔｅｍ邋（ＬＳ３）機(jī)器人，作為邋ＡｌｐｈａＤｏｇ逡逑Ｐｒｏｔｏ的繼承

邐Ｆｉｇｕｒｅ邋１－８邋Ｓｐｏｔ邋Ｍｉｎｉ＂４】逡逑蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室Ｈｕｔｔｅｒ團(tuán)隊(duì)在２０１０年設(shè)計(jì)了基于串聯(lián)彈逡逑性驅(qū)動(dòng)器（ＳＥＡ）進(jìn)行控制的單腿跳躍機(jī)器人ＳｃａｒｌＥＴＨ，如圖１－９。為了降低整條腿的質(zhì)逡逑量，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)均位于髖關(guān)節(jié)處，電機(jī)的動(dòng)力通過鏈將動(dòng)力傳遞到膝關(guān)節(jié)處，如圖１－１０逡逑所示。其彈性元件置于小腿的內(nèi)部，同時(shí)在關(guān)節(jié)處安裝有阻尼片，消除運(yùn)動(dòng)中的沖擊帶逡逑來的振動(dòng)，同時(shí)提高機(jī)器人在擺動(dòng)相時(shí)的控制精度［１５］。該機(jī)器人有著較高的能量利用效逡逑率２０１１年基于該單腿機(jī)器人，進(jìn)一步開發(fā)了四足機(jī)器人ＳｔａｒｌＥＴＨ，如圖１－１１所示。逡逑其１２個(gè)關(guān)節(jié)均為ＳＥＡ關(guān)節(jié)，總重２３ｋｇ，長(zhǎng)０．７１ｍ，寬０．６４ｍ，高度為０．５８ｍ［１７］，控制逡逑上采用分級(jí)操作空間控制策略，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的穩(wěn)定運(yùn)行［１８］。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將ＳＥＡ、電機(jī)逡逑與控制電路整合，推出了邋ＡＮＹＤｒｉｖｅ驅(qū)動(dòng)器，其內(nèi)部整合了電機(jī)ＰＩＤ控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)逡逑及ＳＥＡ。利用ＡＮＹＤｒｉｖｅ

【參考文獻(xiàn)】

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1 孟健;李貽斌;李彬;;四足機(jī)器人對(duì)角小跑步態(tài)全方位移動(dòng)控制方法及其實(shí)現(xiàn)[J];機(jī)器人;2015年01期

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本文編號(hào)：2781560