球形轮足复合式机器人设计与步态控制

作     者：李懋才 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘永平;李晓;李志力

授予年度：2022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：球形轮足复合式机器人 运动学 姿态调整 自稳定 ADAMS/Simulink仿真 

摘      要：随着计算机技术、智能制造等高新技术的迅猛发展,导致适应特殊场合的移动机器人市场不断增长,特别是在新冠肺炎疫情爆发的大背景下,移动机器人代替人类在特殊场合工作也发挥了重要的现实意义。考虑到传统轮式、腿足式机器人无法更好地满足非结构化地形环境的需求,结合目前机动性、自稳定性良好的球形机器人,本研究决定设计一款兼具多姿态、多种运动模式于一体的球形轮足复合式移动机器人。吸收各自结构上的优势,不仅提升了球形机器人的越障能力,并且通过切换姿态改变运动模式解决了足式机器人本身运动能耗大的问题。首先,对移动机器人的基本性能特征进行划分,制定该机器人结构方案的参数指标。根据模块化设计理念,应用Solidworks设计了三维结构模型,同时介绍了球腿复合机构和内部结构组成;确定了不同系统模块中的零部件材料和相应加工方案,并为传动、控制和传感器模块选择了适宜的元件。其次,以机器人结构特征为基础,利用D-H参数法求解四足姿态下单腿正运动学齐次变换矩阵。后通过几何代数法反解得到关节角的解析式,并在MatlabSim Mechanics中验证结果的正确性;采用随机抽样原理计算单腿运动空间,运动分析得到球形姿态下的非完整约束方程;借助拉格朗日法构建机器人腿部连杆的动力学模型,进一步简化分析双足触地状态下的关节受力情况。然后,在笛卡尔空间内设计了基于模型的姿态转换方案,对姿态调整的可逆过程进行相应轨迹规划。引入S型曲线对角速度、角加速度加以控制,调用Matlab插件Robotics Toolbox进行运动轨迹仿真。为证明该姿态转换方案的可行性和合理性,在ADAMS软件中实现可视化的动力学仿真;此外以维持球形机器人自稳定性的PD控制为基础,整合机身姿态调整方法,制定了该机器人运动过程中实现自稳定的策略。最后,借鉴哺乳类猫科动物的运动特征,归纳和叙述典型步态规律。基于中枢模式发生器(CPG)的仿生控制理念,采用耦合的Hopf振荡器构建网络拓扑结构,对机器人的不同步态进行控制;进一步基于改进的复合摆线规划越障时足端轨迹,并确定动、静步态转换的调整方案;设计机器人步态控制系统,以四足模式下运动过程中的两种常见步态为例,搭建ADAMS和Matlab/Simulink联合仿真虚拟模型,完成机器人步态运动控制的试验。