混合輸入型多足移動機構(gòu)運動機理和實驗研究.pdf

1、在多足機器人研究領域，高速、高效和高機動性一直是研究者追求的目標。目前多足機器人多采用全伺服的串聯(lián)式腿機構(gòu)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的足端軌跡和具備良好的機動性，然而由于驅(qū)動器運轉(zhuǎn)方向切換的頻繁性限制了效率和步頻的提高;采用曲柄連桿機構(gòu)的多足機器人能夠依靠常速驅(qū)動獲得高速和高效的運動，但由于缺乏伺服自由度而缺乏足端軌跡的柔性，進而限制了機器人的機動性。混合輸入機構(gòu)作為同時擁有常速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動和伺服驅(qū)動的多自由度連桿機構(gòu)，即能夠通過常速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動獲得較

2、快的速度和較高效率，又能夠通過伺服驅(qū)動實現(xiàn)足端軌跡的柔性。本文圍繞以混合輸入機構(gòu)為腿機構(gòu)的混合輸入型多足移動機構(gòu)的設計和實驗，開展了混合輸入機構(gòu)基礎理論、混合輸入腿機構(gòu)設計、混合輸入型多足移動機構(gòu)的仿真和實驗等方面的研究，主要研究內(nèi)容及成果如下:
　　(1)通過開展混合輸入五連桿機構(gòu)末端軌跡的分析，提出了實現(xiàn)光滑軌跡時伺服輸入的必要條件，即伺服輸入導數(shù)連續(xù);探討了再現(xiàn)軌跡與常速和伺服輸入的驅(qū)動函數(shù)的關(guān)系，提出了混合輸入機構(gòu)曲線軌跡

3、再現(xiàn)的充要條件，即曲線軌跡的等效時間參量關(guān)于時間變量的位置方程存在且單調(diào)，并給出了數(shù)值化充要條件判據(jù)的流程以提高該充要條件適應性;利用數(shù)值化判據(jù)對圓和正方形軌跡進行了軌跡再現(xiàn)規(guī)劃并在雙曲柄構(gòu)型的混合輸入五桿機構(gòu)上進行了實驗驗證，實驗結(jié)果的誤差較小，驗證了數(shù)值化軌跡再現(xiàn)方法的可行性。
　　(2)在連桿機構(gòu)桿組理論的基礎上，利用桿組組合的方法進行了雙節(jié)腿模型的單曲柄六連桿和八連桿腿機構(gòu)的構(gòu)型綜合，為混合輸入腿機構(gòu)的設計提供了大量的構(gòu)型

4、基礎;通過Stephenson-Ⅲ型六連桿機構(gòu)足端軌跡分析，設計了包含常速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動和直線伺服驅(qū)動的雙自由度混合輸入七連桿腿機構(gòu)，該機構(gòu)具有較小的占空比并且在直線伺服下可以實現(xiàn)足端軌跡的上下調(diào)整;通過Jansen八連桿機構(gòu)進行足端軌跡分析，設計了包含常速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動和直線伺服驅(qū)動的雙自由度混合輸入十一連桿腿機構(gòu)，該機構(gòu)能夠在直線伺服過程中能夠保持足端軌跡底部的水平性和高度不變，始終符合GDA原理，保持高效行走性能。
　　(3)在混合輸入

5、七連桿腿機構(gòu)的基礎上，設計了具有模塊化腿機構(gòu)的混合輸入型四足移動機構(gòu)，并進行了混合輸入四足轉(zhuǎn)彎步態(tài)的虛擬樣機仿真，仿真結(jié)果顯示混合輸入四足移動機構(gòu)在伺服調(diào)節(jié)下能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)的轉(zhuǎn)彎運動;針對包含直線伺服驅(qū)動的混合輸入機構(gòu)，提出了一種基于線性插值的足端軌跡數(shù)值規(guī)劃方法，并對直線、大跨距三角形和四邊形以及橢圓足端軌跡的進行了再現(xiàn)規(guī)劃和實驗，實驗結(jié)果的誤差較小，驗證了該軌跡規(guī)劃方法的可行性;研究了弧形彈簧足底對四足移動機構(gòu)行走性能的影響，結(jié)果顯示

6、弧形足底能夠很好的減少常速電機的峰值電流。
　　(4)基于混合輸入十一連桿腿機構(gòu)，搭建了左右對稱的混合輸入型六足移動機構(gòu);通過不同伺服調(diào)節(jié)量下足端軌跡的分析，提出了基于左右腿差動伺服調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)彎機制，即利用支撐足轉(zhuǎn)換時差所導致的二足和四足支撐期間的足端速度差實現(xiàn)混合輸入六足的階梯型轉(zhuǎn)彎;開展了混合輸入六足的轉(zhuǎn)彎步態(tài)的虛擬樣機仿真研究，仿真中的中心軌跡近似于圓，且俯仰角、翻滾角和中心起伏等都非常小，表明轉(zhuǎn)彎步態(tài)的平穩(wěn)性;通過仿真定量分