三肢體機(jī)器人的研究.pdf

1、隨著移動(dòng)機(jī)器人在各種領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入，未來的移動(dòng)機(jī)器人不僅需要具有可在復(fù)雜路面快速移動(dòng)的能力，而且需要具有在各種危險(xiǎn)環(huán)境下執(zhí)行復(fù)雜作業(yè)的能力。通過賦予移動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(jī)器人設(shè)計(jì)方法，有效的解決了由于操作、行走機(jī)構(gòu)獨(dú)立設(shè)計(jì)帶來的機(jī)器人本體體積及重量增大、負(fù)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(jī)器人設(shè)計(jì)思想進(jìn)行探索研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)搭建了一種三肢體永磁吸附機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，目的在于通過對肢體機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中存在的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)融合、理論分析融合以及系統(tǒng)控制融合等問題進(jìn)行研究，為該類機(jī)器人的研究提供一定的理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。同時(shí)，針對磁吸附機(jī)器人在采用永磁吸附時(shí)存在的吸附能力與運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)，使該矛盾問題得到了有效的解決。
　　三肢體機(jī)器人采用新穎的三分支機(jī)構(gòu)，使其針對不同

3、的路面具有多種靈活的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，如蠕動(dòng)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(shí)，機(jī)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(jī)器人可完成較復(fù)雜的操作任務(wù)。為了使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)柔順行走和具有避障功能，在各肢體末端設(shè)計(jì)有力/力矩傳感器、測距傳感器和接觸傳感器等，用來實(shí)時(shí)采集機(jī)器人在移動(dòng)和操作過程中的各種信息。
　　對原有的內(nèi)平衡原理進(jìn)行了改進(jìn)，結(jié)合電磁原理提出了一種新的永磁吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并成功研制了基于該方法的吸附機(jī)構(gòu)

4、樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：利用該方法設(shè)計(jì)的永磁吸附機(jī)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(diǎn)，有效地解決了永磁吸附存在的問題。
　　建立了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，針對肢體機(jī)器人腿臂機(jī)構(gòu)融合的特點(diǎn)，將其整體運(yùn)動(dòng)學(xué)分析分解為各肢體分別作為站立腿和擺動(dòng)腿的不同組合過程，從而把機(jī)器人復(fù)雜的肢體運(yùn)動(dòng)學(xué)分析清晰地表述出來，并以此為基礎(chǔ)，得到了機(jī)器人在移動(dòng)和操作狀態(tài)下的兩種運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人肢體交替變換的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，最后用拉格朗日

5、法建立了機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型，為進(jìn)行機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
　　根據(jù)步態(tài)的評定標(biāo)準(zhǔn)，對機(jī)器人多種運(yùn)動(dòng)步態(tài)進(jìn)行了規(guī)劃，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真，驗(yàn)證了對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)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(jī)器人各關(guān)節(jié)位置、速度、加速度數(shù)據(jù)。同時(shí)由于機(jī)器人采用特定的交替吸附步態(tài)，在其運(yùn)動(dòng)過程中永磁吸附機(jī)構(gòu)所受的工作載荷將影響到機(jī)器人的吸附可靠性，因此為提高機(jī)器人的移動(dòng)速度和吸附可靠性，以時(shí)間、吸附機(jī)構(gòu)

6、載荷為目標(biāo)，利用遺傳算法進(jìn)行機(jī)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(yùn)動(dòng)軌跡。
　　采用分級(jí)和模塊化思想，設(shè)計(jì)了機(jī)器人上位機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、底層機(jī)器人嵌入式控制器進(jìn)行關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制以及單片機(jī)執(zhí)行足部多傳感器數(shù)據(jù)采集及控制的三級(jí)分布式控制系統(tǒng)。機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)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(jī)器人的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對論文所得出的各種移動(dòng)步態(tài)和操作方式，進(jìn)