闭链八杆多足机器人设计与通过性能研究

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闭链足式机器人由于驱动数量少、能耗小、整体刚度大和负载能力强等优点被看作是仿生机器人腿部构型创新的重要研究领域。本论文主要对六种闭链腿部机构的通过性能进行研究并针对其中一种含有复合铰链的八杆腿部机构进行可重构创新设计。提出了对闭链机构综合性能的分析方法,开展了闭链连杆机构的运动学模型构建、末端轨迹曲线求解,结合非结构化地形局部特征构建了典型仿真环境,搭建了六种八足机器人的简化模型并开展了相同工况下的整机动力学仿真试验,分析了六种闭链腿部机构的综合性能,以一种含有复合铰链的闭链八连杆机构为基础构型,设计了一种同轴驱动调整结构,实现了机器人腿部位置连续变化,丰富了闭链机器人的运动空间,并以此闭链腿部机构设计了单驱动电机四调整舵机的八足机器人模型。具体研究内容包括以下几个方面:(1)对闭环运动链进行筛选并建立了六种闭链机构的运动学模型,结合闭链机构特点和足端轨迹曲线参数分析腿部结构特性。从闭环运动链的数综合出发,分析一般运动链和简化运动链的结构特点,得到多种闭链机构,根据四杆、六杆、八杆和含复合铰链八杆的机构特性以及机器人设计需求对闭链腿部机构进行遴选,对选出的闭链机构建立运动学模型,利用MATLAB进行运动学计算,得到相应的足端轨迹曲线,分析腿部机构和轨迹曲线的腿长、跨步占比、抬腿占比、接近角离去角等静态数据。(2)搭建六种闭链机器人的动力学模型并通过典型工况仿真,分析了机器人的动力学性能。对闭链多足机器人进行模块化设计,统一多足机器人的结构特征,突出不同闭链构型对机器人性能的影响,对非结构化地形的三维特征建立随机数学模型,得到典型非结构化障碍地形,利用ADMAS进行动力学仿真,分析闭链多足机器人行走速度、电机扭矩、爬坡能力、攀爬能力等动态数据。(3)提取关键测算数据对比分析了六种闭链机器人的通过性能。从通用性和复杂性两个方面综合考虑,确定闭链多足机器人的性能评价指标,根据闭链机构的移动性能、越障性能、数学模型求解复杂性、工程实现难度等评价内容综合评选出性能较强的构型。(4)对通过性能较强的一种闭链构型进行越障概率分析及整机可重构设计,丰富了闭链机器人运动空间并完成了整机结构设计。对闭链机构可重构研究进行归纳,选择对初始机构性能影响最小的方法展开可重构设计,利用MATLAB在初始机构数学模型的基础上进行运动学计算,得到足端轨迹簇,研制基于最终构型的实验样机。
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