【摘要】：隨著機器人技術的不斷發(fā)展,腿足式機器人逐漸成為近幾年的熱門研究主題。腿足式機器人落足點離散,地形適應能力強,且在自然界中有大量的參照物可供研究,在室內(nèi)辦公、搶險救災、野外勘察等領域都可以大展身手。相對于液壓驅(qū)動,電力驅(qū)動噪聲小,為室內(nèi)應用創(chuàng)造了先決條件;四足機器人穩(wěn)定性高,承載力強,結(jié)構(gòu)又相對簡單,因此電動四足機器人占據(jù)了腿足式機器人的研究主流。本文主要設計了一種電動四足機器人單腿系統(tǒng),并針對該單腿系統(tǒng)組成的四足機器人進行了軌跡規(guī)劃,最后進行了四足聯(lián)合仿真與單腿實驗。首先,本文總結(jié)了四足機器人的地面反饋力(Ground Reaction Force,GRF)模型,設計了一條簡單的復合擺線軌跡作為腿部的設計依據(jù)。對比了現(xiàn)有四足機器人產(chǎn)品的經(jīng)典關節(jié)構(gòu)型,提出了關節(jié)力矩的泛化公式,并對不同腿部姿態(tài)時的關節(jié)力矩進行了分析。針對降低關節(jié)力矩和轉(zhuǎn)速的目標,確定腿部采用串聯(lián)雙平行四連桿構(gòu)型,前后腿對稱放置。最后,給出了該單腿系統(tǒng)的動力學與運動學模型,并對動力學模型進行了仿真驗證。然后,本文對單腿系統(tǒng)的機械與電氣系統(tǒng)進行了設計。根據(jù)外部載荷求得關節(jié)與腿部連桿最大受力,并據(jù)此完成了腿部連桿的優(yōu)化設計與校核、電機和減速器的選型與校核、電氣系統(tǒng)的選型與設計。而后,本文詳細分析了該單腿系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理。本文研究了基于線性二階倒立擺模型的四足機器人足端軌跡規(guī)劃方法,提出了變質(zhì)心高度的雙足支撐相軌跡,給出了包括啟動過程、中間過程和制動過程的完整階段的軌跡規(guī)劃,解決了現(xiàn)有的線性二階倒立擺軌跡速度波動值過大、加速度不連續(xù)的問題。最后,基于Adams-MATLAB平臺進行了四足間歇小跑步態(tài)聯(lián)合仿真,驗證了提出的軌跡規(guī)劃方法,分析了軌跡規(guī)劃中存在的兩個變量對于關節(jié)性能的影響,得到了單腿系統(tǒng)可以達到的最大運動速度。最后,搭建了單腿試驗平臺,進行了擺腿實驗與蹲起實驗,驗證了所研制單腿系統(tǒng)的合理性。
【圖文】：

圖 1-1 Phony Pony 圖 1-2 TITAN-XIII20 世紀 70 年代開始至今，日本東京工業(yè)大學先后研制了十三代 TITAN 四足機器人。TITAN 機器人均采用蜘蛛形結(jié)構(gòu)，四條腿完全相同。1978 年的第二代機器人PV-II[17]是世界上第一個成功利用基于足底觸覺傳感器和姿態(tài)傳感器完成了面向樓梯地形運動的四足機器人。2013年，該研究小組推出了代表作TITAN-XIII[18]，如圖 1-2 所示。其結(jié)構(gòu)小巧而緊湊，整機自重僅有 5.68kg，可以實現(xiàn) 1.38m/s 的步行。20 世紀 80 年代，麻省理工學院 MIT-leg 實驗室的 Raibert 首次提出了彈簧負載倒立擺(SpringLoaded InvertedPendulum,SLIP)原理，并成功應用于實踐，開發(fā)了第一個可以在一個平面內(nèi)實現(xiàn)單腿跳躍前進的單腿機器人[19]，如圖 1-3a)所示�；趶椈韶撦d倒立擺原理的控制算法憑借其出色的性能，很快被應用在大量的四足機器人控制算法中。單腿機器人研制成功后，Raibert 等人開始將目光轉(zhuǎn)向四足機器人，并采用類似的結(jié)構(gòu)開發(fā)了 MIT-leg 實驗室的四足機器人，實現(xiàn)了四足機器人的對角小跑、溜蹄和跳躍等動作[20]，如圖 1-3b)。這是早期四足機器人的經(jīng)典之作。

圖 1-1 Phony Pony 圖 1-2 TITAN-XIII20 世紀 70 年代開始至今，日本東京工業(yè)大學先后研制了十三代 TITAN 四足機器人。TITAN 機器人均采用蜘蛛形結(jié)構(gòu)，四條腿完全相同。1978 年的第二代機器人PV-II[17]是世界上第一個成功利用基于足底觸覺傳感器和姿態(tài)傳感器完成了面向樓梯地形運動的四足機器人。2013年，該研究小組推出了代表作TITAN-XIII[18]，如圖 1-2 所示。其結(jié)構(gòu)小巧而緊湊，整機自重僅有 5.68kg，可以實現(xiàn) 1.38m/s 的步行。20 世紀 80 年代，麻省理工學院 MIT-leg 實驗室的 Raibert 首次提出了彈簧負載倒立擺(SpringLoaded InvertedPendulum,SLIP)原理，并成功應用于實踐，，開發(fā)了第一個可以在一個平面內(nèi)實現(xiàn)單腿跳躍前進的單腿機器人[19]，如圖 1-3a)所示�；趶椈韶撦d倒立擺原理的控制算法憑借其出色的性能，很快被應用在大量的四足機器人控制算法中。單腿機器人研制成功后，Raibert 等人開始將目光轉(zhuǎn)向四足機器人，并采用類似的結(jié)構(gòu)開發(fā)了 MIT-leg 實驗室的四足機器人，實現(xiàn)了四足機器人的對角小跑、溜蹄和跳躍等動作[20]，如圖 1-3b)。這是早期四足機器人的經(jīng)典之作。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP242

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