具有半球形足端的六足機器人步態(tài)生成和能耗優(yōu)化研究.pdf

1、六足步行機器人是一種模仿多足動物運動方式的腿式運動結構。它作為一種移動機器人，相比與輪式和履帶式機器人，具有落足點離散，主動隔振以及對地表狀況適應性強等眾多特點，使得它具備廣泛應用于各種復雜地表環(huán)境的潛能，并因此成為研究熱點。但在實際應用中它存在結構復雜、速度慢、控制難度大以及能耗較大等缺點，因而受到很大限制。
　　 本論文為改善六足機器人地表環(huán)境適應能力，通過設計具有半球形足端的腿部機構，建立了相應的運動學和步態(tài)修正算法。針對

2、多足機器人能量利用率低的缺點，通過分析六足步行機器人的運動學、靜力學和動力學問題，并建立系統(tǒng)的能量消耗模型，從多個方面對六足機器人的系統(tǒng)能耗進行了優(yōu)化分析，并通過仿真和實驗對優(yōu)化結果進行驗證。
　　 第1章以大量的國內外文獻調研為基礎，介紹了本課題的研究背景和研究意義。全面論述了多足步行機器人及其相關技術的發(fā)展歷程，重點介紹了多足機器人腿部機構特征、步態(tài)生成和控制方法、足端腳力分配算法和能耗優(yōu)化策略。最后，提出了研究的主要內容。

3、
　　 第2章通過建立機器人的三維機構模型和運動學模型，對機器人步行運動下各驅動關節(jié)的角度/角速度矢量與各腿足端位置矢量之間的關系展開了正/逆運動學分析。在此基礎上，進一步研究了半球形足端對靜態(tài)穩(wěn)定步行時關節(jié)軌跡生成和軀體運動軌跡所造成的影響，提出了基于半球形足端模型的六足機器人運動學修正算法，并基于三角步態(tài)和改進型波浪步態(tài)對修正算法進行了仿真和對比分析。
　　 第3章在建立電機能耗模型的基礎上，推導出了整個機器人系統(tǒng)的

4、能耗方程以及優(yōu)化目標函數，指出了系統(tǒng)能耗和各關節(jié)負載轉矩之間存在的聯(lián)系。在運動學分析的基礎上，對六足步行機器人進行準靜力學分析，提出了六足機器人足端腳力分配問題。在分析了機器人的平衡條件，并結合摩擦錐等相關約束的基礎上，建立了一系列機器人足端腳力的約束方程。利用動力學分析得到了機器人足端腳力與關節(jié)轉矩之間的關系，將原有的腳力分配問題變換為關節(jié)力矩分配問題，獲得了各關節(jié)力矩的線性等式約束和不等式約束條件，從而對以系統(tǒng)能耗最低為目標的優(yōu)化目

5、標函數利用序列二次規(guī)劃法進行求解。與傳統(tǒng)的腳力分配方法相比較證明，新的力矩分配方法能夠有效節(jié)省系統(tǒng)能耗。
　　 第4章進一步研究了機器人在步行狀態(tài)下具有不同步態(tài)參數時的系統(tǒng)能耗。利用多項式，對關節(jié)空間下的單腿各關節(jié)運動軌跡進行構造，運用遺傳算法對機器人擺腿相足端軌跡進行了優(yōu)化設計。以系統(tǒng)能耗比阻作為評估指標，通過仿真獲得了機器人在不同總質量下的軀體結構的最優(yōu)質量分配和軀體高度以及步態(tài)的最優(yōu)步長等參數。最后以力矩分配算法為基礎，采