彈性連桿機(jī)構(gòu)式四足機(jī)器人設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)控制研究.pdf

1、四足仿生機(jī)器人因其出色的運(yùn)動(dòng)能力和優(yōu)異的負(fù)載能力，在野外運(yùn)輸、行星探測(cè)、軍事作戰(zhàn)、反恐救援等非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下扮演著不可替代的角色。四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力和負(fù)載能力很大程度取決于機(jī)器人的機(jī)械本體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及智能控制系統(tǒng)。本文從機(jī)器人的機(jī)械本體結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，針對(duì)現(xiàn)有四足機(jī)器人在腿部慣量、承載能力、抗沖擊性能等方面的不足和在運(yùn)動(dòng)學(xué)上存在多自由度耦合，著地過程中瞬時(shí)沖擊效應(yīng)等問題展開深入研究，其中涉及了四足機(jī)器人機(jī)械本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與三維建模、

2、多目標(biāo)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、運(yùn)動(dòng)控制方法、仿真及樣機(jī)實(shí)驗(yàn)等方面，得到了以下研究成果：
　?。?）對(duì)足式哺乳動(dòng)物腿部形態(tài)和常見足式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了詳細(xì)分析，提出了一種足式機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、抗沖擊性強(qiáng)的新型足式機(jī)器人腿——LCS-leg。該機(jī)器人腿采用彈性連桿機(jī)構(gòu)和線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，有效降低了腿部慣量和著地沖擊力，提高了機(jī)器腿的響應(yīng)速度和減振抗沖能力。使用復(fù)數(shù)矢量法和D-H方法建立LCS-leg的運(yùn)動(dòng)學(xué)模

3、型，基于此模型求解足端工作空間，結(jié)合四足機(jī)器人關(guān)節(jié)配置形式，完成了LCS四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。針對(duì)LCS四足機(jī)器人進(jìn)行了著地相動(dòng)態(tài)靜力學(xué)分析，求解得到各關(guān)節(jié)力矩與足地接觸力關(guān)系。
　?。?）通過分析彈簧負(fù)載倒立擺（SLIP）模型的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和足式機(jī)器人越障性能要求，提出了基于 SLIP模型和足端工作空間的多目標(biāo)優(yōu)化方法。建立了基于SLIP模型的軌跡誤差評(píng)價(jià)函數(shù)和基于越障性能的足端工作空間評(píng)價(jià)函數(shù)。采用Matlab/Isight聯(lián)合優(yōu)

4、化設(shè)計(jì)方法，選用AMGA算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，優(yōu)化后的機(jī)器腿運(yùn)動(dòng)機(jī)理與SLIP模型中的等效彈簧腿相似，簡化了運(yùn)動(dòng)控制模型，降低了運(yùn)動(dòng)控制難度。優(yōu)化后的足端工作空間面積增加了67.78％，跨過障礙物的能力提高了78.88%。
　　（3）基于SLIP模型建立了LCS四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法。建立了基于質(zhì)量-彈簧倒立擺模型的單足機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型，采用關(guān)節(jié)功能解耦的思想，設(shè)計(jì)了基于著地角控制的前進(jìn)速度控制策略和基于能量補(bǔ)償?shù)馁|(zhì)心

5、高度控制策略，使用平面三桿模型建立了姿態(tài)控制策略。采用多關(guān)節(jié)控制方法，搭建了LCS四足機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制方法，解決了LCS四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制問題。
　?。?）基于Adams/Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái)，分別搭建了彈簧直腿單足機(jī)器人、LC-leg和LCS-leg單足機(jī)器人、LCS四足機(jī)器人虛擬樣機(jī)及其運(yùn)動(dòng)控制模型。彈簧直腿單足機(jī)器人仿真結(jié)果驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)控制算法的正確性；LC-leg和LCS-leg單足機(jī)器人仿真結(jié)果表明LCS-le

6、g的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性更好；LCS四足機(jī)器人仿真運(yùn)動(dòng)過程中其前進(jìn)速度、質(zhì)心高度和機(jī)身姿態(tài)角度的控制效果良好，同時(shí)能達(dá)到穩(wěn)定的周期運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了LCS四足機(jī)器人平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)控制。
　　（5）通過彈性連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，完成了LCS四足機(jī)器人機(jī)械本體的設(shè)計(jì)、控制-傳感系統(tǒng)的構(gòu)建等工作，最終搭建了LCS四足機(jī)器人樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過LCS四足機(jī)器人原地踏步、具有小型障礙物的對(duì)角小跑以及越障等相關(guān)實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證了樣機(jī)設(shè)計(jì)方法和控制算法的正確