基于变刚度柔性关节的四足机器人机构设计与分析

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1、分类号：密级：UDC：编号：201321202105河北工业大学硕士学位论文基于变刚度柔性关节的四足机器人机构设计与分析论文作者：梁飞学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：机械工程指导教师：张明路职称：教授资助基金项目：国家自然科学基金项目（61503119）河北省教育厅优秀青年基金项目（YQ2014027）DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofMechanicalEngineeringDES

2、IGNANDANALYSISOFQUADRUPEDROBOTMECHANISMBASEDONTHEFLEXIBLEJOINTWITHVARIABLESTIFFNESSbyLiangFeiSupervisor:Prof.ZhangMingluMarch2016ProjectsupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(GrantNO.61503119)andOutstandingYouthFundofEducationDepartmen

3、tofHebeiProvince（GrantNo.YQ2014027）原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论

4、文的以下规定：学校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：日期：导师签名：日期：河北工业大学硕士学位论文摘要四足机器人因其灵活的运动方式得到了广泛应用，但是其中大部分由于采用串联关节型结构增大了单腿运动惯性，同时由于机器人足端在运动过程中与支撑面之间存在冲击载

5、荷，机器人的工作效率和稳定性难以保证。本文针对目前四足机器人这两项缺点，对基于变刚度柔性关节的四足机器人进行了机构设计及分析。主要研究内容如下：1.从仿生学角度分析了德国牧羊犬的骨骼结构及运动缓冲机理，针对变刚度柔性关节的特点以五杆机构为基础提出了一种串并混联机构并验证了其作为四足机器人单腿机构的可行性及合理性；在SolidWorks中构建了四足机器人三维模型并对关键零部件进行了应力分析及强度校核。2.应用D-H法对四足机器人单腿机构进行了运动学分析，推导了机器人单腿运动学方程，通过机体坐标系与

6、单腿基础坐标系之间的变换矩阵推导了机器人整机运动学方程，求解了四足机器人足端雅克比矩阵。3.通过三维模型分析了机器人足端可达工作空间的约束条件，运用数值法在MATLAB中生成了足端工作空间云图并对其进行了分析，推导了机器人单腿机构奇异位形，验证了机构运动的可靠性及安全性，推导出了机器人驱动关节与足端之间的力雅克比矩阵。4.分析了犬类动物足端运动特点，运用改进的复合摆线法进行了四足机器人足端运动轨迹规划，应用MATLAB和ADAMS对机器人单腿直行运动进行了仿真，通过分析机器人单腿各关节的角速度曲

7、线及角加速度曲线变化情况，验证了轨迹曲线的合理性，为后续运动控制奠定了基础。关键词：四足机器人五杆机构运动学分析运动仿真I基于变刚度柔性关节的四足机器人机构设计与分析ABSTRACTQuadrupedrobotshavebeenwidelyappliedfortheadvantageofflexiblemobileway.Howevermostofquadrupedrobotshavelargeinertiaandanimpactloadbetweenthefootendpointandgrou

8、ndintheprocessofmovementbecauseofseriesconnectionway.Inordertosolvetheproblems,anewmechanismofquadrupedrobotisdesignedandanalyzedbasedontheflexiblejointwithvariablestiffness.Inthispaper,themainresearchcontentsandinnovativeresultsareasfollows:1.Firsto