闭链八杆多足机器人腿部机构设计理论研究

作     者：林键 

作者单位：北京建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：秦建军;李熙

授予年度：2020年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：多足机器人 腿部机构 运动学方程 再生同伦 仿真分析 

摘      要：目前,地面移动机器人正在不断地应用于工业、医疗、服务、教育、军事等重要领域,由于移动装置的不同,各类移动机器人具有各自的优缺点。其中足式机器人具有较强的地形适应能力,而腿机构作为足式机器人的关键部位,其结构以开链和闭链为主,闭链机构相对于开链机构具有自由度数少,控制难度低等优点,在足式机器人腿机构设计中具有较大潜力。在闭链机构的设计中,传统设计理论的模式通常是“结构→轨迹,进而再对轨迹进行优化,因此,本文从末端轨迹来设计闭链机构的角度出发,提出了一种基于末端轨迹的闭链连杆机构设计理论,开展了闭链八连杆机构运动学模型的构建、末端轨迹曲线参数的提取,以及再生同伦求解程序的设计三个方面的研究。以一种闭链八杆机构为模型,结合一种典型末端轨迹曲线,设计了模型计算程序,设计了一种可完成该末端轨迹的闭链八连杆机构,并以此闭链八连杆机构为腿机构,开展了多足机器人的单腿及整机的模型设计,进行了整机的仿真试验,同时完成了单腿样机与小型整机研制,并进行了实际地形环境的实验验证。具体的研究内容包括以下几个方面:（1）建立了闭链八连杆机构的运动学模型。利用高等机构学的数综合,定义了两种闭链运动链的演化方向,同时定义了两种闭链运动链对应的八杆闭链机构的演化方向,提出了一种闭链八连杆机构运动学方程的构建原则,建立了符合演化过程的闭链八杆机构的运动学模型,并采用迭代消元法简化了所有运动学模型。（2）提出了一种末端轨迹曲线特征提取的方法。对典型机器人腿机构进行抽象化研究,获取了机构产生的末端轨迹曲线并进行分类,分析了每种轨迹曲线的特征,确定了针对所有闭链八杆机构的三种任务点类型,描述了每种任务点类型中参量的变化规律,并以一种典型腿机构形成的末端轨迹为研究对象,确定轨迹参数实值的提取步骤。（3）进行了八杆运动学模型算例的验证。利用再生同伦理论中的基本定理与引理,给出了解决闭链八杆机构运动学模型的一般性流程,设计了运动学模型的计算程序,描述了程序中各语句段的功能,并以Stephenson-III型演化机构为例进行验证,列出了所有的同伦跟踪结果,确定了闭链八杆机构的比例尺寸。（4）开展了多足机器人的仿真分析与样机研制。以闭链八杆机构的比例尺寸为基础,确定了多足机器人腿机构的结构尺寸方案,构建了多足机器人的单腿机构与整机模型,并对整机分别进行了三种地形的运动仿真,从三个角度判断了多足机器人的性能,同时,研制了八足机器人的单腿实验样机以及小型样机,完成了实际地形环境实验。