欠驱动六足步行移动机器人的设计与分析

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足式移动机器人相比于轮式、履带式等类型的移动机器人,由于立足点离散分布,允许机身运动轨迹与足端运动轨迹解耦等诸多优点,而受到机器人科研工作者的重点关注。足式机器人按足数目的多少分主要包括双足、四足以及六足机器人。其中,六足机器人凭借对地形较好的适应能力以及步行稳定性,成为研究的热点。但现有六足步行移动机器人还存在许多有待改进和提高的地方,特别是六足机器人控制系统较为复杂的情况。六足机器人腿机构可控自由度越多,相应地其控制系统会越复杂。因此,本文从六足步行移动机器人腿机构设计入手,设计一种具有单自由度腿机构的六足步行移动机器人。首先,本文在列举比较常用腿机构的基础上,对现有八杆十副腿机构进行了构型分析与优化设计,获得了本文所研究的单自由度腿机构。接下来以单自由度腿机构为基础,提出了一种欠驱动六足步行移动机器人的设计方案,借助Pro/E提供的“骨架模型”功能,采用“自上而下”的全新设计理念完成该六足步行移动机器人的整体结构设计和三维建模。在步态规划方面,基于仿生学原理,为其规划了一种横向行走的三角步态,并借助Pro/E的运动骨架功能对步态稳定性进行了分析研究,找出了实现该六足步行移动机器人稳定行走的各足端运动轨迹最适相位差。其次,分别采用D-H法和旋量法对六足机器人腿机构进行了运动学分析,包括腿机构正、逆运动学求解以及速度雅克比矩阵求解。在完成以上工作的基础上,利用MATLAB/SIMULINK软件强大的数据分析和图形处理功能,建立起该六足步行移动机器人腿机构的SIMULINK仿真模型,对腿机构各关节、连杆处的位移、速度、加速度进行了运动仿真,描绘出相应的运动曲线,为腿机构的改进以及进一步分析验证奠定了基础。最后,采用虚拟样机技术,在机械系统动力学仿真软件ADAMS中建立该欠驱动六足步行移动机器人的参数化模型和仿真环境。通过在ADAMS中的仿真分析,一方面验证了该欠驱动六足步行移动机器人的行走能力,步态稳定性和连续性;另一方面通过虚拟仿真暴露出了设计中存在的诸多不足,为下一步的优化改进与提高奠定了基础。
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