三肢體機器人的研究.pdf

1、隨著移動機器人在各種領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入，未來的移動機器人不僅需要具有可在復(fù)雜路面快速移動的能力，而且需要具有在各種危險環(huán)境下執(zhí)行復(fù)雜作業(yè)的能力。通過賦予移動機器人以靈活的操作能力，使其可以在各種環(huán)境下代替人類完成復(fù)雜的工作任務(wù)，對移動機器人技術(shù)的研究與發(fā)展具有重要意義。
　　基于功能仿生學(xué)原理提出的肢體機器人設(shè)計方法，有效的解決了由于操作、行走機構(gòu)獨立設(shè)計帶來的機器人本體體積及重量增大、負載能力降低以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。本文在對

2、肢體機器人設(shè)計思想進行探索研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計搭建了一種三肢體永磁吸附機器人實驗平臺，目的在于通過對肢體機器人設(shè)計過程中存在的機構(gòu)設(shè)計融合、理論分析融合以及系統(tǒng)控制融合等問題進行研究，為該類機器人的研究提供一定的理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。同時，針對磁吸附機器人在采用永磁吸附時存在的吸附能力與運動性能之間的矛盾問題，本文研制了一種新的基于內(nèi)平衡原理的永磁吸附機構(gòu)，使該矛盾問題得到了有效的解決。
　　三肢體機器人采用新穎的三分支機構(gòu)，使其針對不同

3、的路面具有多種靈活的運動步態(tài)，如蠕動步態(tài)、翻轉(zhuǎn)步態(tài)和交叉步態(tài)等。在執(zhí)行操作任務(wù)時，機器人可采取單臂作業(yè)或雙臂協(xié)調(diào)作業(yè)，配合肢體末端的操作器使機器人可完成較復(fù)雜的操作任務(wù)。為了使機器人實現(xiàn)柔順行走和具有避障功能，在各肢體末端設(shè)計有力/力矩傳感器、測距傳感器和接觸傳感器等，用來實時采集機器人在移動和操作過程中的各種信息。
　　對原有的內(nèi)平衡原理進行了改進，結(jié)合電磁原理提出了一種新的永磁吸附機構(gòu)設(shè)計方法，并成功研制了基于該方法的吸附機構(gòu)

4、樣機。實驗結(jié)果表明：利用該方法設(shè)計的永磁吸附機構(gòu)，具有功耗低，吸附、脫離簡單易控，工作安全可靠的優(yōu)點，有效地解決了永磁吸附存在的問題。
　　建立了機器人的運動學(xué)方程，針對肢體機器人腿臂機構(gòu)融合的特點，將其整體運動學(xué)分析分解為各肢體分別作為站立腿和擺動腿的不同組合過程，從而把機器人復(fù)雜的肢體運動學(xué)分析清晰地表述出來，并以此為基礎(chǔ)，得到了機器人在移動和操作狀態(tài)下的兩種運動學(xué)模型，實現(xiàn)了機器人肢體交替變換的復(fù)雜運動學(xué)分析，最后用拉格朗日

5、法建立了機器人的動力學(xué)模型，為進行機器人步態(tài)規(guī)劃和控制系統(tǒng)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。
　　根據(jù)步態(tài)的評定標(biāo)準(zhǔn)，對機器人多種運動步態(tài)進行了規(guī)劃，并進行運動學(xué)及動力學(xué)仿真，驗證了對機器人運動學(xué)、動力學(xué)以及步態(tài)規(guī)劃等各方面理論分析的正確性，得到了滿意的機器人各關(guān)節(jié)位置、速度、加速度數(shù)據(jù)。同時由于機器人采用特定的交替吸附步態(tài)，在其運動過程中永磁吸附機構(gòu)所受的工作載荷將影響到機器人的吸附可靠性，因此為提高機器人的移動速度和吸附可靠性，以時間、吸附機構(gòu)

6、載荷為目標(biāo)，利用遺傳算法進行機器人關(guān)節(jié)軌跡的多目標(biāo)優(yōu)化，并最終得到了優(yōu)化的關(guān)節(jié)運動軌跡。
　　采用分級和模塊化思想，設(shè)計了機器人上位機進行運動規(guī)劃、底層機器人嵌入式控制器進行關(guān)節(jié)運動控制以及單片機執(zhí)行足部多傳感器數(shù)據(jù)采集及控制的三級分布式控制系統(tǒng)。機器人關(guān)節(jié)電機伺服系統(tǒng)采用積分分離的PID控制策略，并對關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角采用離散化方法，有效地減小了關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角軌跡的跟蹤誤差。建立了三肢體機器人的實驗系統(tǒng)，對論文所得出的各種移動步態(tài)和操作方式，進