【摘 要】
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足式机器人具有良好的地形适应能力,可以代替人类在核事故区、病毒传染区等危害人身健康的场景中执行救援、运送抗疫物资等任务。针对传统仿生串联足式行机器人的负载低、运动性能和非结构路面适应性较差等问题,特此深入研究了一种并联腿双足机器人。本文以该机器人为研究对象,对其构型分析及设计、运动学建模、控制系统设计和实验等方面进行了研究,具体内容如下:对并联腿双足机器人构型分析进行了研究。采用完整的六自由度并联
【基金项目】
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吉林省科技发展计划项目“非仿生并联步行机器人通用运动平台”（项目编号20170308068HJ）；
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足式机器人具有良好的地形适应能力,可以代替人类在核事故区、病毒传染区等危害人身健康的场景中执行救援、运送抗疫物资等任务。针对传统仿生串联足式行机器人的负载低、运动性能和非结构路面适应性较差等问题,特此深入研究了一种并联腿双足机器人。本文以该机器人为研究对象,对其构型分析及设计、运动学建模、控制系统设计和实验等方面进行了研究,具体内容如下:对并联腿双足机器人构型分析进行了研究。采用完整的六自由度并联机构作为其腿部,其动平台被设计为弓形的刚体“足弓”,两个足弓上下分布并留有交错运动的空间,并以此形成嵌套构型,完成并联腿双足机器人的构型设计。在此基础上对并联腿进行了自由度、工作空间和机构性能的分析,分析结果体现出该机器人构型的优越性。对并联腿双足机器人建立了运动学模型。以腿部机构为研究对象建立坐标系,进而得到并联腿的位置模型和速度模型,通过MATLAB仿真验证了该运动学模型的有效性。为了减小摆动腿足端触地时的地面冲击,对足端轨迹进行了规划,设计了合理的常规步态以满足机器人步行的需求。应用ADAMS对该机器人进行了步态仿真实验,仿真结果验证了其拥有良好的运动能力。为使机器人有良好的运动控制能力,建立了腿部机构关节空间控制策略,通过规划的足端轨迹作为系统的输入信号,仿真验证了该控制策略的有效性。改进了一种任务空间中归零动力学控制方法,通过理论分析和仿真实验的方式,验证了该控制策略的可行性。通过两种控制策略仿真结果的对比分析,选定了基于关节空间的控制策略应用于实际中的控制系统。在经过了充分的理论研究和仿真实验后,进行了机器人样机的设计和实验研究。对机器人单腿进行了控制实验测试,获得了电动缸长度变化的数据。开展了机器人实验研究,包括直行和旋转步态实验、负重和越障实验,实验结果证实了并联腿双足机器人不仅拥有良好的步态运动能力,还兼有高负载和越障能力。本文的研究成果,对基于并联机构的步行机器人在构型设计和运动控制方面的研究,具有一定的参考和借鉴意义。
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