连杆驱动式仿生四足机器人设计与步态规划

来源 :哈尔滨工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lfszlfs2009
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近年来四足机器人已经成为仿生足式机器人领域的热门研究对象。诸多高校、公司的研究成果大量涌现,形状各异的四足机器人越来越多的呈现在人们眼前,然而四足机器人的野外路面适应能力还远远不够。四足机器人能否稳定运动与足端轨迹的设计密不可分,它是四足机器人步态规划以及稳定控制中的关键因素。本文主要研究具有连杆式腿结构的四足机器人,分析了机器人足端与地面发生滑动摩擦的主要因素,在摆线轨迹的基础上设计了两种有效提高摩擦力的足端轨迹,降低机器人足端滑移的程度,从而提高机器人的运行速度。首先,本文根据仿生学中对四足动物的肌肉和骨骼结构的运动功能分析,设计了连杆驱动式四足机器人,利用DH法,建立运动学分析坐标系,推导了连杆驱动式腿的正运动学和逆运动学方程,同时利用逆运动学中关节变量与末端速度的关系,搭建了逆运动学控制框图。其次,对连杆驱动式腿的支撑相与摆动相分别做了详尽的动力学分析,推导出了足端速度、关节转角与关节力矩之间的关系方程。结合逆运动学控制方法,搭建了基于操作空间逆动力学控制框图,通过在仿真软件中的误差对比发现,基于操作空间逆动力学控制效果较好。接下来,研究了四足机器人的步态规划方法,选取了本文适合的步态以及相关参数。分析了四足机器人运动过程中足端发生滑移的主要因素。从仿生角度出发,在支撑相中引入躯体竖直方向的运动,设计了有效增大摩擦力、减小滑移的足端轨迹。最后,为了证明两种足端轨迹在四足机器人步态规划中的应用效果,在软件中搭建了虚拟样机和控制平台。对连杆驱动式四足机器人进行联合仿真,分析两种足端轨迹对四足机器人运动速度、足端受力情况和运动稳定性的影响。
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