基于(2-SPR/UCR)&R串并混联机构四足移动机器人设计与研究

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随着世界工业化的快速发展,机器人能在各种复杂危险环境中取代人类工作。而腿式移动机器人凭借灵活的腿部结构和控制方式,在灾后恶劣环境中可以进行救援,巡检,搜索幸存人员,在救灾过程中起到了非常重要的作用,因此具备一定承载能力和机动性以及能够适应崎岖路面和翻越障碍物的移动机器人一直是机器人领域的研究热点之一。而四足移动机器人结构较为简单,控制方便,且兼具平稳性和较大的运动空间,因此本文提出一种串并混联式四足腿式移动机器人。首先对四足移动机器人进行了设计。分析研究了机器人机械腿运动自由度,提出一种满足两转一移运动自由度的2-SPR/UCR的并联机构,应用螺旋理论对并联机构2-SPR/UCR建立坐标系,验证了机构的自由度个数,可以满足机器人抬腿,前伸,落地等动作,为使腿部运动更为灵活,在腿部膝关节处串联R副,形成串并混联机构,使得移动机器人兼具承载性与灵活度,设计了机器人的整机构型。其次,进行了逆解方程的计算和工作空间的求解。通过对机构2-SPR/UCR的支链特征分析,建立约束关系式,构造闭环矢量对2-SPR/UCR并联机构的螺旋方程进行旋转变换,求出该机构的位置逆解方程。通过粒子群寻优算法来构建方程,求得机构的正解方程,并赋值得到正解算例,编写Matlab程序绘制了机构的适应度曲线。通过三维动态法和数值搜索法两种原理分别求得机构的工作空间,互相验证,得出该机构工作空间形状,较为连续,表明运动性能良好。再次,进行了机构运动学分析和建模仿真。首先对逆解求导得出机构的速度雅克比矩阵;依此为基础,通过对雅克比矩阵的局部条件数的计算,得到了灵巧度随α、β、z变化的特性曲线和对应的变化趋势,得出了机构的良好运动特性和较快的控制响应速度。通过Adams软件对2-SPR/UCR机构进行虚拟样机建模,采用阶跃函数模拟正反解,以证实理论解的正确性,模拟该机构在机器人腿部进行抬腿收腿等动作时的运动范围,速度,角速度的变化曲线,由图线可得,该并联机构运行平稳,可以满足行走动作要求。然后进行了稳定性分析与步态设计。从静态稳定性原理和动态稳定性原理两方面分析,对四足机器人移动过程中的稳定程度做出来判断,接着根据足端行走和越障的要求对机器人腿部轨迹曲线进行了规划,代入实际数值,得到机器人足端轨迹曲线,结果表明,机器人可以越过一定高度的障碍物;通过使机器人在重心调整次数和重心调整量最小,以及稳定裕度最大两方面选取了适用于该四足机器人的步态方式。最后建立虚拟样机进行了仿真分析。使用Solidworks软件对该基于(2-SPR/UCR)&R的串并混联四足移动机器人在确定步态方式下的行走进行仿真分析,得到四足移动机器人在该步态下的步长和步高,以及行走过程中的质心变化曲线,验证了步态规划中重心调整变化方式,得出了前进移动过程中的各个腿部电机的受力情况;然后仿真得出了移动机器人在跨越凸台和连续障碍物过程中质心在x,y,z三个方向的变化情况。
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