【摘要】：目前,四足機(jī)器人機(jī)械腿主要有串聯(lián)機(jī)構(gòu)、并聯(lián)機(jī)構(gòu)和串并混聯(lián)機(jī)構(gòu)。采用串聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)械腿較多,具有運(yùn)動(dòng)靈活、運(yùn)動(dòng)空間大的優(yōu)點(diǎn),但也存在承載能力小、剛度較差等缺點(diǎn)。采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)械腿具有承載能力大的優(yōu)點(diǎn),但運(yùn)動(dòng)靈活性較串聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)械腿差。采用串并混聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)械腿結(jié)合了串聯(lián)和并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),得到了很好的發(fā)展,但承載能力強(qiáng)、能實(shí)現(xiàn)快速行走的四足機(jī)器人機(jī)械腿還較少。因此,本文提出一種可實(shí)現(xiàn)快速行走、承載能力大的串并混聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)械腿,完成了整機(jī)設(shè)計(jì)與研究,最終研制出四足機(jī)器人樣機(jī)。本文研究的主要內(nèi)容如下:根據(jù)四足動(dòng)物的種類,總結(jié)出四足機(jī)器人的整體布局及構(gòu)型,進(jìn)行對(duì)比分析與選型,確定了機(jī)械腿的自由度數(shù)及機(jī)構(gòu)形式。提出了采用行程放大機(jī)構(gòu)作為機(jī)械腿的行走機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì)了行走機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)輸入布局。構(gòu)型出多種機(jī)械腿驅(qū)動(dòng)支鏈,綜合出多種基于行程放大機(jī)構(gòu)的機(jī)械腿構(gòu)型,以構(gòu)型制造的復(fù)雜度作為優(yōu)選準(zhǔn)則,確定了機(jī)械腿機(jī)構(gòu)的實(shí)施方案。建立了并聯(lián)行程放大機(jī)構(gòu)的位置反解方程,推導(dǎo)了并聯(lián)行程放大機(jī)構(gòu)的速度雅克比矩陣,分析了機(jī)械腿的工作空間。定義了并聯(lián)行程放大機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)性能指標(biāo),揭示出機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)對(duì)性能指標(biāo)的影響規(guī)律。結(jié)合定義的機(jī)構(gòu)性能指標(biāo),采用多目標(biāo)優(yōu)化法確定了總體性能均較好的并聯(lián)行程放大機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù),并優(yōu)化了側(cè)擺機(jī)構(gòu)主要尺寸參數(shù)。完成初步的腿部樣機(jī)模型設(shè)計(jì),為機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析奠定了基礎(chǔ)。建立了四足機(jī)器人的位置反解方程,推導(dǎo)出了四足機(jī)器人的速度和加速度逆解;采用拉格朗日法建立四足機(jī)器人腿部的動(dòng)力學(xué)方程;通過仿真實(shí)例驗(yàn)證了四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論模型的正確性;通過動(dòng)力學(xué)分析,揭示出邁步步長(zhǎng)對(duì)機(jī)械腿驅(qū)動(dòng)力影響規(guī)律,為四足機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)力參數(shù)預(yù)估奠定基礎(chǔ)。規(guī)劃了滿足機(jī)械腿行走要求的多種足端軌跡,對(duì)比分析了多種足端軌跡的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性,在綜合考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性基礎(chǔ)上,優(yōu)選出2種性能較好的足端運(yùn)動(dòng)軌跡。提出了一種新的能耗指標(biāo),分別研究了樣條函數(shù)和修正擺線函數(shù)足端軌跡在不同步態(tài)參數(shù)下四足機(jī)器人的能耗情況,揭示出不同步態(tài)參數(shù)對(duì)四足機(jī)器人能耗的影響規(guī)律,為機(jī)器人節(jié)能行走提供參考。為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定地、連續(xù)地行走,提出了一種新的機(jī)器人重心軌跡調(diào)整方案,規(guī)劃了機(jī)器人的行走步態(tài),通過實(shí)例仿真驗(yàn)證了方案的可行性。采用全微分理論建立了機(jī)械腿的誤差模型,推導(dǎo)出各誤差源相對(duì)于末端位置誤差的映射關(guān)系;建立位置誤差靈敏度模型與評(píng)價(jià)指標(biāo),揭示出統(tǒng)計(jì)意義下各幾何誤差源對(duì)末端位置精度的影響程度;依據(jù)3?原則與靈敏度評(píng)價(jià)指標(biāo),確定了各誤差源的零件制造公差。采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)實(shí)際構(gòu)件制造誤差值進(jìn)行測(cè)量,依據(jù)誤差模型對(duì)末端位置精度在工作空間內(nèi)的分布進(jìn)行預(yù)估,驗(yàn)證誤差模型的正確性及精度預(yù)估的正確性。預(yù)估了液壓系統(tǒng)動(dòng)力參數(shù),設(shè)計(jì)了液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù),為液壓系統(tǒng)的實(shí)施奠定基礎(chǔ);完成了四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與樣機(jī)的研制。
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP242
【圖文】：

隨后，該研究室又研制出 PV-II 四足機(jī)器人，如圖 1-3 所示。由于在該機(jī)器人的足端增加了傳感器，能夠感知外界環(huán)境，實(shí)現(xiàn)軀體的平衡，因此該機(jī)器人具有很好的地形適應(yīng)能力，能夠完成爬樓梯等動(dòng)作。在此之后，該研究室又成功開發(fā)了TITAN 系列四足機(jī)器人，主要用于野外探測(cè)和挖掘地雷等，其典型代表為TITAN-VI、TITAN-VIII 四足機(jī)器人。TITAN-VI 機(jī)器人機(jī)械腿采用了直立四桿機(jī)構(gòu)，有效地避免在上下樓梯時(shí)腿與腿之間的干涉問題，如圖 1-4 所示。TITAN-VIII 機(jī)器人的腿部機(jī)構(gòu)由電機(jī)和繩索驅(qū)動(dòng)，具有 3 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，在髖關(guān)節(jié)處有實(shí)現(xiàn)腿部俯仰和側(cè)擺的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，還有一個(gè)實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)俯仰的旋轉(zhuǎn)自由度，同時(shí)具有多種步態(tài)選擇，在足底安裝有傳感器，功能較為完備，但承載能力較弱[8-10]，如圖 1-5 所示。截至到現(xiàn)在，該研究室已成功研制出 TITAN-XIII 機(jī)器人。該機(jī)器人腿部通過繩索機(jī)構(gòu)牽引實(shí)現(xiàn)腿部機(jī)構(gòu)的移動(dòng)，腿部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)安裝在其根部，目的是來減輕腿部機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件的重量，提高其動(dòng)態(tài)特性，如圖 1-6 所示。同時(shí)該團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了 2 套功能完備的控制系統(tǒng)應(yīng)用于該系列機(jī)器人的控制。

隨后，該研究室又研制出 PV-II 四足機(jī)器人，如圖 1-3 所示。由于在該機(jī)器人的足端增加了傳感器，能夠感知外界環(huán)境，實(shí)現(xiàn)軀體的平衡，因此該機(jī)器人具有很好的地形適應(yīng)能力，能夠完成爬樓梯等動(dòng)作。在此之后，該研究室又成功開發(fā)了TITAN 系列四足機(jī)器人，主要用于野外探測(cè)和挖掘地雷等，其典型代表為TITAN-VI、TITAN-VIII 四足機(jī)器人。TITAN-VI 機(jī)器人機(jī)械腿采用了直立四桿機(jī)構(gòu)，有效地避免在上下樓梯時(shí)腿與腿之間的干涉問題，如圖 1-4 所示。TITAN-VIII 機(jī)器人的腿部機(jī)構(gòu)由電機(jī)和繩索驅(qū)動(dòng)，具有 3 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，在髖關(guān)節(jié)處有實(shí)現(xiàn)腿部俯仰和側(cè)擺的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，還有一個(gè)實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)俯仰的旋轉(zhuǎn)自由度，同時(shí)具有多種步態(tài)選擇，在足底安裝有傳感器，功能較為完備，但承載能力較弱[8-10]，如圖 1-5 所示。截至到現(xiàn)在，該研究室已成功研制出 TITAN-XIII 機(jī)器人。該機(jī)器人腿部通過繩索機(jī)構(gòu)牽引實(shí)現(xiàn)腿部機(jī)構(gòu)的移動(dòng)，腿部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)安裝在其根部，目的是來減輕腿部機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件的重量，提高其動(dòng)態(tài)特性，如圖 1-6 所示。同時(shí)該團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了 2 套功能完備的控制系統(tǒng)應(yīng)用于該系列機(jī)器人的控制。

在足底安裝有傳感器，功能較為完備，但承載能力較弱[8-10]，如圖 1-5 所示。截至到現(xiàn)在，該研究室已成功研制出 TITAN-XIII 機(jī)器人。該機(jī)器人腿部通過繩索機(jī)構(gòu)牽引實(shí)現(xiàn)腿部機(jī)構(gòu)的移動(dòng)，腿部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)安裝在其根部，目的是來減輕腿部機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件的重量，提高其動(dòng)態(tài)特性，如圖 1-6 所示。同時(shí)該團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了 2 套功能完備的控制系統(tǒng)應(yīng)用于該系列機(jī)器人的控制。圖1-1 Walking Truck 機(jī)器人Fig. 1-1 Walking Truck robot圖 1-2 KUMO-I 機(jī)器人Fig. 1-2 KUMO-I robot

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 高建設(shè);李明祥;侯伯杰;王保糖;;新型四足步行機(jī)器人串并混聯(lián)腿的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J];光學(xué)精密工程;2015年11期

2 陳修龍;孫德才;王清;;基于拉格朗日的冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛體動(dòng)力學(xué)建模[J];農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào);2015年12期

3 潘少鵬;施家棟;王建中;盛沙;;基于重心側(cè)向擺動(dòng)的四足機(jī)器人爬行步態(tài)優(yōu)化[J];機(jī)械科學(xué)與技術(shù);2015年06期

4 常青;韓寶玲;羅慶生;;四足機(jī)器人轉(zhuǎn)向與斜向運(yùn)動(dòng)規(guī)劃理論及方法[J];北京理工大學(xué)學(xué)報(bào);2015年05期

5 陳誠(chéng);;基于能耗優(yōu)化的六足機(jī)器人擺動(dòng)腿軌跡規(guī)劃[J];計(jì)算機(jī)仿真;2015年01期

6 鄂明成;劉虎;張秀麗;付成龍;馬宏緒;;一種粗糙地形下四足仿生機(jī)器人的柔順步態(tài)生成方法[J];機(jī)器人;2014年05期

7 柴匯;孟健;榮學(xué)文;李貽斌;;高性能液壓驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人SCalf的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J];機(jī)器人;2014年04期

8 鄧?yán)杳?趙現(xiàn)朝;齊臣坤;高峰;;開放式步行機(jī)器人實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)研究[J];機(jī)械設(shè)計(jì)與研究;2014年03期

9 韓寶玲;李歡飛;羅慶生;李華師;王磊;;四足機(jī)器人腿型配置的仿真分析與性能評(píng)價(jià)[J];計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制;2014年04期

10 雷靜桃;王峰;俞煌穎;;四足機(jī)器人軌跡規(guī)劃及移動(dòng)能耗分析[J];機(jī)械設(shè)計(jì)與研究;2014年01期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 柴匯;液壓驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人柔順及力控制方法的研究與實(shí)現(xiàn)[D];山東大學(xué);2016年

2 常青;四足機(jī)器人全向運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法與穩(wěn)定性研究[D];北京理工大學(xué);2016年

3 那奇;四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D];北京理工大學(xué);2015年

4 榮譽(yù);基于并聯(lián)機(jī)械腿的六足機(jī)器人分析與設(shè)計(jì)[D];燕山大學(xué);2015年

5 孟祥敦;并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的數(shù)綜合與型綜合方法[D];上海交通大學(xué);2014年

6 王立鵬;液壓四足機(jī)器人驅(qū)動(dòng)控制與步態(tài)規(guī)劃研究[D];北京理工大學(xué);2014年

7 潘陽(yáng);P-P結(jié)構(gòu)六足機(jī)器人性能設(shè)計(jì)與控制實(shí)驗(yàn)研究[D];上海交通大學(xué);2014年

8 蔡潤(rùn)斌;四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及協(xié)調(diào)控制[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

9 榮學(xué)文;SCalf液壓驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析[D];山東大學(xué);2013年

10 崔冰艷;仿生機(jī)器人并聯(lián)關(guān)節(jié)/運(yùn)動(dòng)單元的性能分析與設(shè)計(jì)[D];燕山大學(xué);2012年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 賈紅玉;具有復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力的四足機(jī)器人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)[D];北方工業(yè)大學(xué);2018年

2 辛亞先;復(fù)雜環(huán)境下四足機(jī)器人靜步態(tài)規(guī)劃和穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)控制方法研究[D];齊魯工業(yè)大學(xué);2017年

3 王玉闖;新型四足步行機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃與實(shí)驗(yàn)研究[D];鄭州大學(xué);2017年

4 劉永超;仿獵豹四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與足端軌跡規(guī)劃研究[D];山東大學(xué);2017年

5 姚珂;帶腰四足機(jī)器人的設(shè)計(jì)與分析[D];燕山大學(xué);2016年

6 宗曉艷;基于虛擬樣機(jī)的液壓四足機(jī)器人能耗分析研究[D];北京理工大學(xué);2016年

7 蔣亞楠;基于四自由度并聯(lián)腿的四足機(jī)器人分析與設(shè)計(jì)[D];燕山大學(xué);2014年

8 鄧?yán)杳?四足小象機(jī)器人實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D];上海交通大學(xué);2014年

9 方洋;具有串并混聯(lián)結(jié)構(gòu)腿的四足機(jī)器人設(shè)計(jì)[D];燕山大學(xué);2013年

10 倪森;基于2-UPS&UP并聯(lián)結(jié)構(gòu)腿的四足步行器設(shè)計(jì)[D];燕山大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2792949