SCalf液壓驅動四足機器人的機構設計與運動分析.pdf

1、目前輪式和履帶機器人在技術上已經非常成熟并得到廣泛應用，但它們只能在相對平坦的地面環(huán)境移動，而超過一半的陸地表面為崎嶇不平的山地、叢林和冰雪地面。自然界中的很多動物，尤其是四足哺乳動物，不僅可以在這些復雜地形環(huán)境下快速行走，而且具有較大的負重能力。因此，人類一直在努力研制各式各樣的四足仿生機器人。近年來，具有高動態(tài)性、大負載能力的液壓驅動四足仿生機器人更是受到越來越多人的重視。
　　 雖然已經出現(xiàn)種類繁多的四足仿生機器人，但在仿

2、生機構設計、動力驅動系統(tǒng)、動力學建模、運動控制方法等各方面還沒有形成成熟的理論體系，仍處于探索階段。本論文在液壓驅動四足機器人的仿生機構設計、足端軌跡規(guī)劃、運動學分析、動力學仿真、機載液壓動力系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)、實驗樣機集成與實驗驗證等幾方面做了深入研究，主要內容如下:
　　 (1)通過對典型四足哺乳動物的骨骼結構和運動規(guī)律的分析研究，設計了具有前后對稱運動和全向運動能力、適于快速步行的12主動自由度的液壓驅動四足機器人仿生機構。

3、建立了其ADAMS和MATLAB的聯(lián)合仿真模型，通過仿真獲得了各關節(jié)運動范圍、運動速度和關節(jié)驅動力等重要參數(shù)，完成了對機器人仿生機構的優(yōu)化和完善，并以此為依據(jù)設計出了高動態(tài)、高度集成的一體化液壓伺服驅動單元。
　　 (2)提出了基于軀干固定坐標系的復合足端軌跡規(guī)劃方法，大大減小了擺動足落地沖擊，實現(xiàn)了四足機器人平穩(wěn)運動。采用基于D-H運動學模型的方法對SCalf四足機器人進行運動學數(shù)值分析，給出了單腿兩個俯仰關節(jié)的關節(jié)角度、關節(jié)

4、角速度、關節(jié)角加速度、油缸位移、油缸速度和油缸加速度變化曲線。采用基于迭代計算的計算機輔助分析方法再次對SCalf四足機器人進行了運動學數(shù)值分析，取得的結果與基于模型的結果完全一致，且具有較高的計算實時性。
　　 (3)基于離線規(guī)劃和樣條驅動的方法、在線規(guī)劃和聯(lián)合仿真的方法分別對SCalf四足機器人進行了運動學和動力學仿真，獲取了機器人足地面碰撞力、各關節(jié)液壓伺服油缸驅動力、軀干質心的速度和加速度波動等重要參數(shù)。
　　

5、(4)基于正壓閉式液壓回路設計方法，將變容積微型正壓油箱、高轉速微型柱塞變量泵和12個非對稱液壓伺服油缸組成正壓閉式回路，設計完成了SCalf四足機器人的高功率密度、抗震的機載液壓動力系統(tǒng)，解決了四足機器人野外行走的動力問題。
　　 (5)優(yōu)化并集成了具有12個主動自由度和4被動自由度的液壓驅動四足機器人實驗樣機，進行了負重、復雜地形、抗側向沖擊、最大速度、上下坡、續(xù)航等諸多實驗，實驗結果證明所設計的液壓驅動四足機器人具有很好的