四足移动机器人的球面并联腿机构设计与运动性能研究

论文摘要

在大洋底部蕴藏着丰富的矿产资源,但进行人工勘探和开采的难度很大,为更好地适应复杂多变的海底环境,满足海底矿产资源勘探智能化作业的要求,本文设计了一种具有球面并联腿机构的四足移动机器人,并针对该机器人及其腿部的球面并联机构从以下几个方面展开分析和研究:针对机器人腿部的球面并联机构进行运动学和动力学建模,首先运用螺旋理论对机构的自由度进行分析,确定了其基本的运动状况,然后基于代数消元法给出了机构位置正/逆解的数学机械化求解过程,基于影响系数法求出了速度、加速度的影响系数矩阵,最后依据拉格朗日方法求出了机构的动力学方程。分析结果为后续的步态规划和运动控制提供了理论基础。分析了机器人模型的稳定步态和非稳定步态的迈步过程,以及重心投影点(Center of Gravity,COG)和零力矩点(Zero Moment Point,ZMP)的变化规律;然后,计算出了稳定步态过程中的COG点,并且建立了弹簧负载倒立摆(Spring Loaded Inverted Pendulum,SLIP)模型,求出了非稳定步态中的动态方程和ZMP点具体坐标;接着,确定机器人运动轨迹为复合摆线的形式,并且在建立的约束条件的基础上求解出了摆动相和支撑相中足端参考点的运动轨迹方程。最后,根据建立的运动学模型和运动轨迹方程求出了驱动支链的驱动函数,并得到了其函数变化曲线。基于极限边界搜索算法,对机器人并联腿机构的可达工作空间进行了分析和计算,在设定三种约束条件的基础上,运用MATLAB软件得到了其工作空间的三维图形;其次,从机构的边界奇异和内部奇异两个方面对并联腿机构的奇异性进行了计算,得到了机构奇异性存在的位置条件;再次,将雅克比矩阵条件数的倒数作为并联腿机构灵巧度的衡量指标,分析了机构灵巧度的分布特点;最后,基于有限元的分析方法,运用ABAQUS软件分析得到了机构的静态刚度分布特点和多阶模态振型图。对建立的运动学和动力学模型进行了对比验证,结果表明通过理论模型得到的参数变化曲线与虚拟样机仿真得到的参数曲线基本上吻合,验证了理论模型的正确性,精确的运动学和动力学模型为控制系统搭建提供了理论依据。然后,在MATLAB/Simulink上搭建PID控制系统,并且与ADAMS并联腿机构模型进行联合仿真,并且确定了最佳的PID控制参数,使得控制系统的具有最优的动态响应性能和最小的轨迹跟踪误差。最后,加工组装了机器人的实验样机并搭建了运动控制系统,对其单腿迈步运动进行了实验研究,结果表明机器人的单腿迈步运动性能稳定,实际工作状态良好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景、目的及意义
•   1.2 移动机器人及其腿部机构的国内外研究现状
•     1.2.1 四足移动机器人
•     1.2.2 移动机器人的并联腿机构
•     1.2.3 四足移动机器人的运动性能
•   1.3 现有移动机器人存在的问题
•   1.4 本文的研究内容
• 第2章 四足移动机器人球面并联腿机构的动力学建模
•   2.1 引言
•   2.2 球面并联腿机构创新设计
•   2.3 球面并联腿机构的自由度计算
•   2.4 球面并联腿机构的位置建模
•     2.4.1 位置逆解模型
•     2.4.2 位置正解模型
•   2.5 球面并联腿机构的速度和加速度建模
•     2.5.1 速度模型
•     2.5.2 加速度模型
•   2.6 球面并联腿机构的动力学建模
•   2.7 本章小结
• 第3章 球面并联腿式四足移动机器人步态与轨迹规划
•   3.1 引言
•   3.2 球面并联腿式四足移动机器人的步态规划
•     3.2.1 球面并联腿式四足移动机器人的慢走步态规划
•       3.2.1.1 单腿迈步动作规划
•       3.2.1.2 慢走步态迈步次序规划
•     3.2.2 球面并联腿式四足移动机器人的Trot步态规划
•   3.3 球面并联腿式四足移动机器人的稳定性分析
•     3.3.1 静态稳定性分析
•     3.3.2 基于SLIP模型的Trot步态稳定性分析
•   3.4 球面并联腿式四足移动机器人基于复合摆线的轨迹规划
•     3.4.1 摆动相的轨迹规划
•     3.4.2 支撑相的轨迹规划
•   3.5 四足移动机器人单个并联腿的迈步仿真
•   3.6 本章小结
• 第4章 四足移动机器人球面并联腿机构的运动性能研究
•   4.1 引言
•   4.2 球面并联腿机构的工作空间计算
•   4.3 球面并联腿机构的奇异性分析
•   4.4 球面并联腿机构的灵巧度建模
•   4.5 球面并联腿机构的静态刚度计算
•     4.5.1 运动支链的静态刚度计算
•     4.5.2 球面并联腿机构的整体静态刚度计算
•   4.6 球面并联腿机构的模态分析
•   4.7 本章小结
• 第5章 四足移动机器人球面并联腿机构的数值仿真与样机实验
•   5.1 引言
•   5.2 四足移动机器人的虚拟样机建模
•   5.3 球面并联腿机构的数值仿真验证
•     5.3.1 运动学模型的验证
•     5.3.2 动力学模型的验证
•   5.4 基于ADAMS和MATLAB/Simulink联合仿真研究
•     5.4.1 虚拟样机控制系统设计
•     5.4.2 伺服控制系统
•     5.4.3 机械子系统和控制子系统
•     5.4.4 联合仿真系统实验
•   5.5 四足移动机器人的样机研制与实验
•     5.5.1 机器人控制系统的硬件设计
•     5.5.2 机器人系统控制方案设计
•     5.5.3 机器人并联腿机构的运动调试
•     5.5.4 机器人并联腿迈步运动实验
•   5.6 本章小结
• 第6章 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术成果和参加的科研项目
• 学位论文评阅及答辩情况表

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 何淑垒

导师: 陈原

关键词: 球面并联腿机构,四足移动机器人,步态规划,运动性能

来源: 山东大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 海洋学,自动化技术

单位: 山东大学

分类号: P744;TP242

总页数: 90

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