彈性連桿機構(gòu)式四足機器人設(shè)計與運動控制研究.pdf

1、四足仿生機器人因其出色的運動能力和優(yōu)異的負載能力，在野外運輸、行星探測、軍事作戰(zhàn)、反恐救援等非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下扮演著不可替代的角色。四足機器人的運動能力和負載能力很大程度取決于機器人的機械本體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)以及智能控制系統(tǒng)。本文從機器人的機械本體結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，針對現(xiàn)有四足機器人在腿部慣量、承載能力、抗沖擊性能等方面的不足和在運動學上存在多自由度耦合，著地過程中瞬時沖擊效應(yīng)等問題展開深入研究，其中涉及了四足機器人機械本體結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維建模、

2、多目標結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、運動控制方法、仿真及樣機實驗等方面，得到了以下研究成果：
　　（1）對足式哺乳動物腿部形態(tài)和常見足式機器人的結(jié)構(gòu)原理進行了詳細分析，提出了一種足式機器人腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、抗沖擊性強的新型足式機器人腿——LCS-leg。該機器人腿采用彈性連桿機構(gòu)和線驅(qū)動系統(tǒng)，有效降低了腿部慣量和著地沖擊力，提高了機器腿的響應(yīng)速度和減振抗沖能力。使用復數(shù)矢量法和D-H方法建立LCS-leg的運動學模

3、型，基于此模型求解足端工作空間，結(jié)合四足機器人關(guān)節(jié)配置形式，完成了LCS四足機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計。針對LCS四足機器人進行了著地相動態(tài)靜力學分析，求解得到各關(guān)節(jié)力矩與足地接觸力關(guān)系。
　?。?）通過分析彈簧負載倒立擺（SLIP）模型的運動機理和足式機器人越障性能要求，提出了基于 SLIP模型和足端工作空間的多目標優(yōu)化方法。建立了基于SLIP模型的軌跡誤差評價函數(shù)和基于越障性能的足端工作空間評價函數(shù)。采用Matlab/Isight聯(lián)合優(yōu)

4、化設(shè)計方法，選用AMGA算法進行優(yōu)化計算。計算結(jié)果表明，優(yōu)化后的機器腿運動機理與SLIP模型中的等效彈簧腿相似，簡化了運動控制模型，降低了運動控制難度。優(yōu)化后的足端工作空間面積增加了67.78％，跨過障礙物的能力提高了78.88%。
　?。?）基于SLIP模型建立了LCS四足機器人的運動控制方法。建立了基于質(zhì)量-彈簧倒立擺模型的單足機器人動力學模型，采用關(guān)節(jié)功能解耦的思想，設(shè)計了基于著地角控制的前進速度控制策略和基于能量補償?shù)馁|(zhì)心

5、高度控制策略，使用平面三桿模型建立了姿態(tài)控制策略。采用多關(guān)節(jié)控制方法，搭建了LCS四足機器人各關(guān)節(jié)運動控制方法，解決了LCS四足機器人運動控制問題。
　?。?）基于Adams/Simulink聯(lián)合仿真平臺，分別搭建了彈簧直腿單足機器人、LC-leg和LCS-leg單足機器人、LCS四足機器人虛擬樣機及其運動控制模型。彈簧直腿單足機器人仿真結(jié)果驗證了運動控制算法的正確性；LC-leg和LCS-leg單足機器人仿真結(jié)果表明LCS-le

6、g的運動穩(wěn)定性更好；LCS四足機器人仿真運動過程中其前進速度、質(zhì)心高度和機身姿態(tài)角度的控制效果良好，同時能達到穩(wěn)定的周期運動，實現(xiàn)了LCS四足機器人平穩(wěn)的運動控制。
　?。?）通過彈性連桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和關(guān)節(jié)驅(qū)動的設(shè)計，完成了LCS四足機器人機械本體的設(shè)計、控制-傳感系統(tǒng)的構(gòu)建等工作，最終搭建了LCS四足機器人樣機實驗平臺。通過LCS四足機器人原地踏步、具有小型障礙物的對角小跑以及越障等相關(guān)實驗。驗證了樣機設(shè)計方法和控制算法的正確