電驅(qū)動大負重比六足機器人結(jié)構(gòu)設計及其移動特性研究.pdf

1、NASA-JPL的ATHLETE研制成功，拓寬了人類對于星際探測大負重比多足機器人的認知程度，也掀起了電驅(qū)動大負重比多足機器人研究的熱潮。電驅(qū)動大負重比多足機器人對月面地形要求低，可利用孤立的地面支撐以非連續(xù)方式通過障礙，在輪式和履帶式機器人通過效率低或難于通過的區(qū)域具有獨特的優(yōu)勢。目前，我國在電驅(qū)動大負重比多足機器人研究方面滯后于發(fā)達國家，針對電驅(qū)動大負重比多足機器人相關技術(shù)進行研究，有利于推動我國機器人技術(shù)的發(fā)展以及星際探測任務的順

2、利開展。
　　基于六足昆蟲和機器人學知識，針對電驅(qū)動大負重比六足機器人移動系統(tǒng)進行分析與設計。根據(jù)六足昆蟲和機器人學知識，確定本課題電驅(qū)動大負重比六足機器人構(gòu)型。基于D-H法，進行機器人正/逆運動學分析，推導單腿關節(jié)轉(zhuǎn)速數(shù)學表達式。為提高關節(jié)驅(qū)動裝置和傳動裝置匹配選擇的合理性，提出基于關節(jié)轉(zhuǎn)動以達到機器人最大步行速度為基礎的關節(jié)轉(zhuǎn)速分析方法，獲得各關節(jié)所需輸出轉(zhuǎn)速；提出支撐相腿向中間對稱線等效的關節(jié)轉(zhuǎn)矩分析方法，得到額定負重時各關

3、節(jié)所需最大輸出轉(zhuǎn)矩以及機器人相應位姿，并通過ADAMS軟件對關節(jié)轉(zhuǎn)矩分析方法進行了仿真驗證?；跈C器人大負重比目標，確定關節(jié)傳動方案，結(jié)合關節(jié)轉(zhuǎn)速和關節(jié)轉(zhuǎn)矩分析結(jié)果進行關節(jié)驅(qū)動與傳動裝置匹配設計，并研制電驅(qū)動大負重比六足機器人樣機，為機器人移動特性實驗研究奠定基礎。
　　鑒于足端法向力直接影響機器人位姿平衡和移動系統(tǒng)功率消耗，針對機器人開展運動規(guī)劃和足端力分析?；陔婒?qū)動大負重比六足機器人構(gòu)型，確定機器人行進方式和移動步態(tài)，建立機

4、器人步態(tài)運動規(guī)劃的足端軌跡數(shù)學模型，并把足端軌跡數(shù)學模型應用到機器人樣機。通過樣機步態(tài)行走實驗，直接驗證了步態(tài)運動規(guī)劃的可行性和正確性。進行機器人步態(tài)足端力理論分析，建立足端法向力數(shù)學模型?；诓綉B(tài)行走實驗中采集到的各腿足端力，進行機器人步態(tài)足端力實驗分析。通過比對足端法向力理論分析結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)，驗證了理論分析結(jié)果正確以及實驗數(shù)據(jù)可信，并得到了機器人優(yōu)選步態(tài)，為機器人移動系統(tǒng)功耗研究奠定基礎。
　　為提高電驅(qū)動大負重比六足機器人

5、月面生存能力，進行機器人移動系統(tǒng)功耗特性研究?；跈C器人動力學分析，推導支撐相與擺動相中腿部關節(jié)負載數(shù)學表達式，建立機器人單腿和移動系統(tǒng)功率消耗的數(shù)學模型。鑒于三足步態(tài)為六足機器人的最快步態(tài)和常用步態(tài)，針對該步態(tài)時的機器人移動系統(tǒng)功率消耗進行研究?；跈C器人樣機三足步態(tài)行走實驗中的足端法向力數(shù)據(jù)，進行機器人超靜定問題的降維處理，給出三足步態(tài)足端法向力相等所需條件和機器人穩(wěn)定行走約束條件，建立三足步態(tài)時機器人移動系統(tǒng)功率消耗的簡化數(shù)學模型

6、。針對三足步態(tài)機器人移動系統(tǒng)功耗進行數(shù)值求解，得到關節(jié)轉(zhuǎn)角、本體高度和跨距對機器人移動系統(tǒng)功耗的影響，并確定移動系統(tǒng)低功耗時的關節(jié)轉(zhuǎn)角域以及本體高度和跨距范圍，為機器人低功耗行走提供數(shù)據(jù)支撐。
　　為開展電驅(qū)動大負重比六足機器人移動特性實驗研究，搭建實驗環(huán)境。根據(jù)機器人樣機平臺，進行機器人技術(shù)指標的實驗驗證。實驗結(jié)果表明機器人樣機滿足技術(shù)指標要求，且部分性能優(yōu)于技術(shù)指標要求，同時驗證了關節(jié)轉(zhuǎn)速、關節(jié)轉(zhuǎn)矩和步態(tài)運動規(guī)劃等理論分析的合