【摘要】：目前,四足機器人機械腿主要有串聯(lián)機構(gòu)、并聯(lián)機構(gòu)和串并混聯(lián)機構(gòu)。采用串聯(lián)機構(gòu)的機械腿較多,具有運動靈活、運動空間大的優(yōu)點,但也存在承載能力小、剛度較差等缺點。采用并聯(lián)機構(gòu)的機械腿具有承載能力大的優(yōu)點,但運動靈活性較串聯(lián)機構(gòu)的機械腿差。采用串并混聯(lián)機構(gòu)的機械腿結(jié)合了串聯(lián)和并聯(lián)機構(gòu)的優(yōu)點,得到了很好的發(fā)展,但承載能力強、能實現(xiàn)快速行走的四足機器人機械腿還較少。因此,本文提出一種可實現(xiàn)快速行走、承載能力大的串并混聯(lián)機構(gòu)的機械腿,完成了整機設計與研究,最終研制出四足機器人樣機。本文研究的主要內(nèi)容如下:根據(jù)四足動物的種類,總結(jié)出四足機器人的整體布局及構(gòu)型,進行對比分析與選型,確定了機械腿的自由度數(shù)及機構(gòu)形式。提出了采用行程放大機構(gòu)作為機械腿的行走機構(gòu),設計了行走機構(gòu)及驅(qū)動輸入布局。構(gòu)型出多種機械腿驅(qū)動支鏈,綜合出多種基于行程放大機構(gòu)的機械腿構(gòu)型,以構(gòu)型制造的復雜度作為優(yōu)選準則,確定了機械腿機構(gòu)的實施方案。建立了并聯(lián)行程放大機構(gòu)的位置反解方程,推導了并聯(lián)行程放大機構(gòu)的速度雅克比矩陣,分析了機械腿的工作空間。定義了并聯(lián)行程放大機構(gòu)的運動學、靜力學性能指標,揭示出機構(gòu)尺寸參數(shù)對性能指標的影響規(guī)律。結(jié)合定義的機構(gòu)性能指標,采用多目標優(yōu)化法確定了總體性能均較好的并聯(lián)行程放大機構(gòu)尺寸參數(shù),并優(yōu)化了側(cè)擺機構(gòu)主要尺寸參數(shù)。完成初步的腿部樣機模型設計,為機器人的動力學分析奠定了基礎。建立了四足機器人的位置反解方程,推導出了四足機器人的速度和加速度逆解;采用拉格朗日法建立四足機器人腿部的動力學方程;通過仿真實例驗證了四足機器人運動學和動力學理論模型的正確性;通過動力學分析,揭示出邁步步長對機械腿驅(qū)動力影響規(guī)律,為四足機器人系統(tǒng)動力參數(shù)預估奠定基礎。規(guī)劃了滿足機械腿行走要求的多種足端軌跡,對比分析了多種足端軌跡的運動學特性,在綜合考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性基礎上,優(yōu)選出2種性能較好的足端運動軌跡。提出了一種新的能耗指標,分別研究了樣條函數(shù)和修正擺線函數(shù)足端軌跡在不同步態(tài)參數(shù)下四足機器人的能耗情況,揭示出不同步態(tài)參數(shù)對四足機器人能耗的影響規(guī)律,為機器人節(jié)能行走提供參考。為實現(xiàn)穩(wěn)定地、連續(xù)地行走,提出了一種新的機器人重心軌跡調(diào)整方案,規(guī)劃了機器人的行走步態(tài),通過實例仿真驗證了方案的可行性。采用全微分理論建立了機械腿的誤差模型,推導出各誤差源相對于末端位置誤差的映射關(guān)系;建立位置誤差靈敏度模型與評價指標,揭示出統(tǒng)計意義下各幾何誤差源對末端位置精度的影響程度;依據(jù)3?原則與靈敏度評價指標,確定了各誤差源的零件制造公差。采用三坐標測量儀對實際構(gòu)件制造誤差值進行測量,依據(jù)誤差模型對末端位置精度在工作空間內(nèi)的分布進行預估,驗證誤差模型的正確性及精度預估的正確性。預估了液壓系統(tǒng)動力參數(shù),設計了液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù),為液壓系統(tǒng)的實施奠定基礎;完成了四足機器人結(jié)構(gòu)設計與樣機的研制。
【學位授予單位】：燕山大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP242
【圖文】：

隨后，該研究室又研制出 PV-II 四足機器人，如圖 1-3 所示。由于在該機器人的足端增加了傳感器，能夠感知外界環(huán)境，實現(xiàn)軀體的平衡，因此該機器人具有很好的地形適應能力，能夠完成爬樓梯等動作。在此之后，該研究室又成功開發(fā)了TITAN 系列四足機器人，主要用于野外探測和挖掘地雷等，其典型代表為TITAN-VI、TITAN-VIII 四足機器人。TITAN-VI 機器人機械腿采用了直立四桿機構(gòu)，有效地避免在上下樓梯時腿與腿之間的干涉問題，如圖 1-4 所示。TITAN-VIII 機器人的腿部機構(gòu)由電機和繩索驅(qū)動，具有 3 個轉(zhuǎn)動自由度，在髖關(guān)節(jié)處有實現(xiàn)腿部俯仰和側(cè)擺的兩個旋轉(zhuǎn)自由度，還有一個實現(xiàn)膝關(guān)節(jié)俯仰的旋轉(zhuǎn)自由度，同時具有多種步態(tài)選擇，在足底安裝有傳感器，功能較為完備，但承載能力較弱[8-10]，如圖 1-5 所示。截至到現(xiàn)在，該研究室已成功研制出 TITAN-XIII 機器人。該機器人腿部通過繩索機構(gòu)牽引實現(xiàn)腿部機構(gòu)的移動，腿部機構(gòu)的驅(qū)動安裝在其根部，目的是來減輕腿部機構(gòu)運動部件的重量，提高其動態(tài)特性，如圖 1-6 所示。同時該團隊還開發(fā)了 2 套功能完備的控制系統(tǒng)應用于該系列機器人的控制。

隨后，該研究室又研制出 PV-II 四足機器人，如圖 1-3 所示。由于在該機器人的足端增加了傳感器，能夠感知外界環(huán)境，實現(xiàn)軀體的平衡，因此該機器人具有很好的地形適應能力，能夠完成爬樓梯等動作。在此之后，該研究室又成功開發(fā)了TITAN 系列四足機器人，主要用于野外探測和挖掘地雷等，其典型代表為TITAN-VI、TITAN-VIII 四足機器人。TITAN-VI 機器人機械腿采用了直立四桿機構(gòu)，有效地避免在上下樓梯時腿與腿之間的干涉問題，如圖 1-4 所示。TITAN-VIII 機器人的腿部機構(gòu)由電機和繩索驅(qū)動，具有 3 個轉(zhuǎn)動自由度，在髖關(guān)節(jié)處有實現(xiàn)腿部俯仰和側(cè)擺的兩個旋轉(zhuǎn)自由度，還有一個實現(xiàn)膝關(guān)節(jié)俯仰的旋轉(zhuǎn)自由度，同時具有多種步態(tài)選擇，在足底安裝有傳感器，功能較為完備，但承載能力較弱[8-10]，如圖 1-5 所示。截至到現(xiàn)在，該研究室已成功研制出 TITAN-XIII 機器人。該機器人腿部通過繩索機構(gòu)牽引實現(xiàn)腿部機構(gòu)的移動，腿部機構(gòu)的驅(qū)動安裝在其根部，目的是來減輕腿部機構(gòu)運動部件的重量，提高其動態(tài)特性，如圖 1-6 所示。同時該團隊還開發(fā)了 2 套功能完備的控制系統(tǒng)應用于該系列機器人的控制。

在足底安裝有傳感器，功能較為完備，但承載能力較弱[8-10]，如圖 1-5 所示。截至到現(xiàn)在，該研究室已成功研制出 TITAN-XIII 機器人。該機器人腿部通過繩索機構(gòu)牽引實現(xiàn)腿部機構(gòu)的移動，腿部機構(gòu)的驅(qū)動安裝在其根部，目的是來減輕腿部機構(gòu)運動部件的重量，提高其動態(tài)特性，如圖 1-6 所示。同時該團隊還開發(fā)了 2 套功能完備的控制系統(tǒng)應用于該系列機器人的控制。圖1-1 Walking Truck 機器人Fig. 1-1 Walking Truck robot圖 1-2 KUMO-I 機器人Fig. 1-2 KUMO-I robot

【參考文獻】

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本文編號：2792949