電驅(qū)動(dòng)大負(fù)重比六足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其移動(dòng)特性研究.pdf

1、NASA-JPL的ATHLETE研制成功，拓寬了人類對于星際探測大負(fù)重比多足機(jī)器人的認(rèn)知程度，也掀起了電驅(qū)動(dòng)大負(fù)重比多足機(jī)器人研究的熱潮。電驅(qū)動(dòng)大負(fù)重比多足機(jī)器人對月面地形要求低，可利用孤立的地面支撐以非連續(xù)方式通過障礙，在輪式和履帶式機(jī)器人通過效率低或難于通過的區(qū)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢。目前，我國在電驅(qū)動(dòng)大負(fù)重比多足機(jī)器人研究方面滯后于發(fā)達(dá)國家，針對電驅(qū)動(dòng)大負(fù)重比多足機(jī)器人相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，有利于推動(dòng)我國機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展以及星際探測任務(wù)的順

2、利開展。
　　基于六足昆蟲和機(jī)器人學(xué)知識(shí)，針對電驅(qū)動(dòng)大負(fù)重比六足機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。根據(jù)六足昆蟲和機(jī)器人學(xué)知識(shí)，確定本課題電驅(qū)動(dòng)大負(fù)重比六足機(jī)器人構(gòu)型?；贒-H法，進(jìn)行機(jī)器人正/逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，推導(dǎo)單腿關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速數(shù)學(xué)表達(dá)式。為提高關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置和傳動(dòng)裝置匹配選擇的合理性，提出基于關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)以達(dá)到機(jī)器人最大步行速度為基礎(chǔ)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速分析方法，獲得各關(guān)節(jié)所需輸出轉(zhuǎn)速；提出支撐相腿向中間對稱線等效的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩分析方法，得到額定負(fù)重時(shí)各關(guān)

3、節(jié)所需最大輸出轉(zhuǎn)矩以及機(jī)器人相應(yīng)位姿，并通過ADAMS軟件對關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩分析方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證?；跈C(jī)器人大負(fù)重比目標(biāo)，確定關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案，結(jié)合關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩分析結(jié)果進(jìn)行關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)裝置匹配設(shè)計(jì)，并研制電驅(qū)動(dòng)大負(fù)重比六足機(jī)器人樣機(jī)，為機(jī)器人移動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究奠定基礎(chǔ)。
　　鑒于足端法向力直接影響機(jī)器人位姿平衡和移動(dòng)系統(tǒng)功率消耗，針對機(jī)器人開展運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和足端力分析。基于電驅(qū)動(dòng)大負(fù)重比六足機(jī)器人構(gòu)型，確定機(jī)器人行進(jìn)方式和移動(dòng)步態(tài)，建立機(jī)

4、器人步態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的足端軌跡數(shù)學(xué)模型，并把足端軌跡數(shù)學(xué)模型應(yīng)用到機(jī)器人樣機(jī)。通過樣機(jī)步態(tài)行走實(shí)驗(yàn)，直接驗(yàn)證了步態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的可行性和正確性。進(jìn)行機(jī)器人步態(tài)足端力理論分析，建立足端法向力數(shù)學(xué)模型。基于步態(tài)行走實(shí)驗(yàn)中采集到的各腿足端力，進(jìn)行機(jī)器人步態(tài)足端力實(shí)驗(yàn)分析。通過比對足端法向力理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了理論分析結(jié)果正確以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可信，并得到了機(jī)器人優(yōu)選步態(tài)，為機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)功耗研究奠定基礎(chǔ)。
　　為提高電驅(qū)動(dòng)大負(fù)重比六足機(jī)器人

5、月面生存能力，進(jìn)行機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)功耗特性研究?；跈C(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析，推導(dǎo)支撐相與擺動(dòng)相中腿部關(guān)節(jié)負(fù)載數(shù)學(xué)表達(dá)式，建立機(jī)器人單腿和移動(dòng)系統(tǒng)功率消耗的數(shù)學(xué)模型。鑒于三足步態(tài)為六足機(jī)器人的最快步態(tài)和常用步態(tài)，針對該步態(tài)時(shí)的機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)功率消耗進(jìn)行研究?；跈C(jī)器人樣機(jī)三足步態(tài)行走實(shí)驗(yàn)中的足端法向力數(shù)據(jù)，進(jìn)行機(jī)器人超靜定問題的降維處理，給出三足步態(tài)足端法向力相等所需條件和機(jī)器人穩(wěn)定行走約束條件，建立三足步態(tài)時(shí)機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)功率消耗的簡化數(shù)學(xué)模型

6、。針對三足步態(tài)機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)功耗進(jìn)行數(shù)值求解，得到關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角、本體高度和跨距對機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)功耗的影響，并確定移動(dòng)系統(tǒng)低功耗時(shí)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角域以及本體高度和跨距范圍，為機(jī)器人低功耗行走提供數(shù)據(jù)支撐。
　　為開展電驅(qū)動(dòng)大負(fù)重比六足機(jī)器人移動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究，搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境。根據(jù)機(jī)器人樣機(jī)平臺(tái)，進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)器人樣機(jī)滿足技術(shù)指標(biāo)要求，且部分性能優(yōu)于技術(shù)指標(biāo)要求，同時(shí)驗(yàn)證了關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩和步態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃等理論分析的合