一种腿轮四足机器人机构及其步态与仿真的研究

• 作 者: 黄旭民
• 机 构: 哈尔滨工业大学
• 出 处: 哈尔滨工业大学
• 发表日期: 2008年期
• 关键词: 腿轮式四足机器人 运动学 动力学 步态 仿真

四足机器人有很强的环境适应性和运动灵活性,可广泛运用于抢险救灾、排雷、探险、娱乐及军事等领域,因此,对四足机器人的研究已成为机器人研究领域的重要课题。但是四足机器人的结构复杂,在用传统的机械系统实物试验研究方法设计四足机器人时,不仅周期长,成本大,而且设计过程中计算量巨大,直观性较差,为了提高四足机器人设计的效率和可靠性,本文采用三维结构建模对四足机器人进行仿真研究。论文的主要内容包括:进行了腿轮四足机器人的结构设计,建立了该机器人的运动坐标体系,及其等效简化结构的多刚体动力学模型,对上述模型进行了运动学和动力学分析,给出了该机器人的运动学、逆运动学方程和雅可比矩阵,并导出了其简化结构多刚体系统的第二类Lagrange动力学方程组。为后面的基于三维结构模型的仿真分析提供了理论基础。参照四足机器人实际的几何参数、物理特性,借助PRO/E软件建立了三维实体模型,将该模型导入ADAMS平台,施加约束,建立四足机器人的仿真模型。对腿轮式四足机器人进行了平面爬行、平面滑行和阶梯爬行步态的规划。以稳定裕量作为四足机器人静态稳定的标准,以象限为分界线明确了不同初始落足点时机器人迈腿的可能性;建立了步态描述的数学模型,基于模型对步态进行了分类,明确了静平衡步态的模型参数。基于迈腿次序将所有步态划分为6种类型,并对比分析了6种步态的两个特性参数:稳定裕量以及机器人的运动复杂性。基于机器人平台实际参数进行了平面爬行、阶梯以及大落差阶梯爬行、平面滑行步态的仿真研究。采用规划好的四足机器人步态,在ADAMS环境下,对四足机器人进行仿真,获取一系列重要的结果,验证了方案和结构设计的合理性,也为提升控制品质的后续研究工作提供有价值的数据信息。从步态仿真结果来看,上述研究工作是有效、可靠的,达到了预期的效果。