一种新型步行机器人用混联腿运动学研究

作     者：于千源 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高建设;何强

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：步行机器人 串并混联腿部 运动学分析 工作空间 ADAMS仿真 

摘      要：步行机器人具有稳定性好、运动灵活、对复杂地形适应能力强等优点,可应用于科学考察、国防、空间探索等诸多领域,是目前机器人研究领域的热点之一。机器人腿部机构性能的优劣直接影响机器人的运动性能。目前,步行机器人腿部机构多采用串联机构和并联机构,混联机构相对较少。串联腿部机构具有工作空间大、结构简单、容易控制等特点,但其驱动与关节常常集成在一起,运动惯量大,其刚度相对较小,承载能力低;并联机构有承载能力强、结构紧凑、自重/载重比小等特点,但工作空间相对较小;混联机构集成了串联机构和并联机构的优点,通过对混联机构的合理设计能使腿部机构兼具更好的承载能力和更大的工作空间。本文提出了一种新型的4自由度串并混联的机器人腿部机构。该机构由一个主分支和四个驱动分支组成。其中,主分支由两个虎克铰串联构成;四个驱动分支两两并联成组,每组分别对应主分支中的一个虎克铰。通过驱动分支上移动副的运动来驱动对应虎克铰的两自由度转动运动。该新型腿部机构实现了驱动空间与关节空间的分离,可以将驱动器布置在机器的背部,以减少腿部运动时的惯性负载,提高腿部运动的机动性。本文主要研究内容如下:1.提出了一种新型混联腿部机构,并基于螺旋理论对自由度和驱动输入选择合理性进行了分析。建立了腿部机构的运动螺旋系,利用螺旋理论的互易性得到了腿部机构的结构约束螺旋系。通过分析腿部结构约束螺旋系确定了该混联机构腿部的自由度。进一步地,利用螺旋理论对驱动输入组合的合理性进行了验证并得到了主分支和驱动分支的驱动映射关系。2.基于D-H方法,建立了机构主分支的连杆坐标系和驱动分支坐标系,利用齐次坐标变换和杆长不变原理,求出了该新型混联腿部的运动学正反解模型,得到了关节空间到驱动空间的运动学映射关系。给出六组足端点的具体算例,利用MATLAB软件对正反解模型进行了验证。3.利用微分变换法得到了主分支的速度雅克比矩阵,利用Gosselin奇异分析法得到了驱动分支的速度雅克比矩阵,并根据速度雅克比矩阵对机构的奇异位形进行了分析。建立了混联腿部机构工作空间的约束模型。基于约束模型利用边界搜索法和MATLAB软件绘制了足端点的工作空间,得到腿部的工作空间形状为类球冠。4.对该混联腿部模型建立了ADAMS虚拟样机模型,设置了腿部机构的运动副约束、质量属性等相关参数。基于ADAMS软件和MATLAB软件建立了运动联合仿真平台,在该平台对足端点典型运动轨迹进行了仿真验证。结果验证了理论分析的正确性,并为驱动参数的选择提供了依据。本论文对该新型串并混联腿部动力学研究、系统控制研究、样机试制等方面的进一步研究奠定了基础。同时,丰富了混联机构运动学理论。