具有并联机构腿的全向步行机器人设计研究

作     者：孙天宇 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：方跃法

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：步行机器人 并联机构 性能分析 结构优化 步态规划 

摘      要：在科技不断发展的今天,工业自动化的进程不断深入,机器人的普及程度也在不断提高。其中,移动机器人的应用较为广泛,可用于运输、搜救、测量、军事等方面,因此成为全球研究的热门。普通移动机器人分为轮式,履带式和足式三种。轮式和履带式机器人落足点连续,在相对陡峭的路面难以发挥较大的作用,足式机器人因其落足点离散,可以完成崎岖路段的行走任务,具有深刻的研究意义和应用前景。目前大多数足式机器人的足端轨迹单一,需要利用该轨迹的相位差来实现步态规划且转弯过程复杂,在狭小或空间受限的情况下,无法完成转弯任务。全向移动机器人因落足点是三维空间上的任意点,可通过不同的轨迹来实现多方向的移动。但全向移动机器人的研究多为轮式,足式全向机器人的腿部机构也多为串联机构,存在承载能力差和稳定性差等缺点。综上所述,本文提出了一种具有并联机构腿的全向步行机器人,可在姿态保持不变的情况下,实现全方向移动,可有效解决狭小空间无法转向等问题。首先,对猎豹腿部的运动形式进行分析,根据仿生学原理确定了可实现足端三维运动的结构形式。根据螺旋理论设计了一种基于功能仿生的并联机构腿,提出了一种四足全向步行机器人并绘制了三维模型。然后,利用螺旋理论确定机构的驱动关节并且验证机构自由度。应用几何法分析运动学位置正逆解,采用影响系数法计算雅克比矩阵和加速度矩阵。其次,对并联机构腿性能进行研究与分析,包括利用逆解搜索法得到可达工作空间,采用虚功原理计算驱动关节的静力矩,根据所求的雅克比矩阵分析机构静刚度的大小。再次,综合五次多项式、余弦规划和倒立摆三种方法规划四足机器人的全向步态和足端轨迹并分析机构的运动稳定性。根据遗传算法进行多目标结构优化,得到性能最佳的杆长数据。最后,完成虚拟样机仿真分析并制作原理样机,进行样机的步态实验和自由度实验验证。通过对全向移动机器人的理论分析与研究,验证了本文设计的机构具有良好的运动特性和加速度连续性。机器人足端具有2R1T三自由度的运动特性,可实现全向运动,有效地解决了在空间受限的情况下无法完成转向的问题,可满足极端条件下的工作需求。