基于躯干机构的六足移动机器人的设计与运动性能分析

• 作 者: 潘以涛
• 出 处: 山东大学
• 发表日期: 2020年12期
• 关键词: 六足移动机器人 躯干机构 静力学与刚度分析 灵巧度与足端空间分析 步态规划与稳定性

与轮式或者履带式机器人相比,六足移动机器人可以调节腿部机构,实现了落足点为离散的点,使机器人在跨越障碍运动中重心得了稳定,更适合在非结构化环境下工作。因此,六足机器人得到了广泛的关注和研究,但是目前的大多数六足移动机器人仅具备了基本、灵活度不高的运动能力,而缺少自身冗余的其他结构创新来配合腿部机构进一步实现多模式、灵活度更高的运动能力。针对这一问题,本文设计了一种基于躯干机构的六足移动机器人,并开展了相关的运动性能研究。首先,根据机器人在复杂环境下的工作性能要求,进行了基于躯干机构的六足移动机器人结构设计。然后,通过构造矢量封闭方法求得躯干机构逆解位姿方程,利用对逆解方程的时间求导法构建了机构速度和加速数学模型。其次,基于雅克比矩阵,利用虚功原理求得了躯干机构中运动平台与主动杆和从动杆件之间的约束静力、刚度、灵巧度以及工作空间的运动性能方程,另外,通过D-H法建立了该六足移动机器人的躯干机构中驱动支链长度、腿关节转角和足端空间位置之间的数学关系模型。接着,采用三角步态对该六足移动机器人进行了直线行走、转弯避障以及滚动的步态规划与步长计算,结合六足移动机器人的虚拟样机仿真分析,验证了步态规划理论模型的正确性。除此之外,以重心投影点距离各支撑足投影点所形成边的最小距离为静态稳定性判据依据,得出了稳定裕度方程,进一步保证了机器人的稳定性。最后,首先以STM32系列芯片作为本文六足移动机器人的控制主板,进行了各功能模块的硬件和软件控制系统搭建,然后采用Keil Uvision 5软件编写了机器人的运动控制程序,实现了上位机与下位机通信,完成了样机中躯干机构、腿部足端、转弯避障、攀爬等方面相关实验研究。结果验证了基于四级并串4-SPS/U式躯干机构的六足移动机器人设计和规划的合理性、所设计的机器人运动性能是符要求。