轮腿混合式四足机器人的设计与仿真

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1、轮腿混合式四足机器人的设计与仿真第1章绪论1.1引言在当今世界，机器人的研发水平和设计水平已经成为衡量一个国家科技水平的又一重要指标，这是因为机器人技术集中了高、精、尖等科学技术，能够集中地展现出一个国家的科技水平实力，尤其在机械制造技术、传感器技术、系统控制技术、数字信息处理技术等高速发展的背景下，机器人的应用范围已经从单一的理论研究发展到了航空、航天、工业生产、军用运输与作战等领域。从美国对火星的各种探测器的发射、智能机器人ASIMO的研制发展等都可以看出未来机器人的研究已经成为国民经济发展的重要部分。......1.2课题研究背景与意义当今世界各种灾害

2、如火灾、地震、隧道塌陷、核污染、化学品泄漏等频发、不断受到恐怖活动和核污染的威胁，在这些场合不宜人现场作业，急需机器人能够代替人类完成各种灾难中的救援和山地运输等任务。这些特殊的地理环境相对恶劣，机器人也必须要具备强大的越野能力，所以研发能够应对这些恶劣环境下的轮腿混合式救援机器人就显得极为重要和迫切。当前很多国家所研究的智能识别障碍物的机器人从运动原理以及相关参数不尽相同。部分机器人拥有强大跨障能力，也有的机器人跨障能力相对欠缺。根据机器人的机械结构可以将其划分成腿式机器人以及履带式机器人和轮式机器人等。其中腿式机器人更加类似动物步态运动模式，具备真正意义

3、上的跨障能力。但是这种机器人的智能控制系统相对复杂，而且对于能量的利用率相对低下。目前在星际探索领域应用了少量腿式机器人。轮式机器人的优点是：运动速度快、系统控制相对简单、可靠性高、应用领域广、能量利用率高、制造成本相对较低；但缺点是对复杂地形如山地的适应能力差，所以限制了其在复杂环境中的应用。履带式机器人在平坦地面和崎岖地面都具有较高的适应能力，但也因为其履带的应用使得效率低下、寿命短，所以其应用范围受到限制。结合腿式和轮式的优点研究腿轮混合机器人就显得极为重要，这种智能型机器人的跨障能力得到有效增强，而且对于复杂地形的适应能力也相对较强，能量的利用率相对

4、较高，这种创新的综合型机器人在众多国家已受到了广泛研究。从现有的文献资料中可以看出，当前有关轮腿式的机器人研究中，其机械结构主要运用的是串联式的腿轮结构，这种结构相对于并联模式而言，其刚性较弱，负载能力也相对较低。本课题提出了适合大腿部位的并联机构且串联小腿后形成的串并联式结构，综合了串联和并联机构的各种的优点，形成了优势互补。国内外有关串并联结构融为一体的四足智能机器人的文献还不多见。本课题的研究扩展了并联机构应用领域，在轮腿式机器人机构创新的某些方面做了一些工作，具有学术研究价值，这也为腿轮复合串并混联腿机构步行机器人样机研制提供了理论基础。......

5、第2章轮腿混合式四足机器人的结构设计2.1引言基于以上对当前国内外轮腿混合式机器人的研究，吸收其中某些机构的优点，对存在的缺陷进行改良，并加以适当创新，进而构建了本文所重点研究的轮腿混合式四足机器人。这类机器人具有腿式和轮式机器人各自的优点，再加上优势互补的作用克服了它们的缺陷。在腿式模式时，腿轮结构中的小腿发挥作用，车轮悬空；在轮式模式时，小腿弯曲收回车轮着地作为四轮机器人前进。......2.2整体结构设计介绍轮腿式机器人的核心就在于其轮腿的结构设计，其中自由度数、驱动模式、传动结构和腿轮的整体构成对于其运动能力有着直接影响。因此该机械结构及相关构件的配

6、置就显得极为关键。腿的工作空间、承载力、灵活度等又都直接影响着腿的机械结构；而腿结构的数量则是由移动质量、仿生步态、能量利用和生产成本等因素所决定。腿部的配置则主要依据整机的结构和移动来设计。经过对现有文献的研究发现，腿式结构主要是一种串联结构，又被称作悬挂系统结构。这类结构载荷小、速度慢、不能充分发挥出腿式结构的优势。本课题基于仿生学的原理首次提出一种适合大腿部位的并联机构，并将轮安装在膝关节处减少轮对小腿灵活性的影响。如图2-1所示，如果用腿前进时，那么小腿部分着地，成为腿式结构；如果用车轮行进时，小腿收回，车轮着地作为四轮机构在地面上行驶。这种独特的分

7、离式车架的设计使其能独立的在小范围内相对运动而吸收运动过程中的碰撞。每个框架上通过虎克绞连接两条腿结构，每条腿式结构参数和结构都完全相同，以便于后续的理论分析和建模。通过分析腿部机构运动需要的自由度数量和特性之后，基于仿生学原理，模拟四足动物大腿肌肉的驱动方式，对腿式机构采用(2-UPS+U)R串并联式结构设计。在整机的每条腿都含有三个自由度，并通过两个直线推杆进行驱动，实现其移动时的跨步动作，而动作的方向主要为侧向和前向。主电动推杆上安装的缓冲弹簧能够使其负载曲线更趋于平稳而提高它的动力学性能。车轮安装在膝关节处，大腿部位中安装两种减速齿轮组实现轮式模式下

8、的高速运动和腿式模式下的高负载能力，这两种模式的切换