一种新型连杆铰接轮腿式移动机器人的设计与分析

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1、天津大学硕士学位论文一种新型连杆铰接轮腿式移动机器人的设计与分析DesignandAnalysisofaNovelLinkage-coupledWheel-leggedMobileRobot学科专业：机械工程研究生：王雁东指导教师：戴建生教授天津大学机械工程学院2017年12月摘要轮腿式移动机器人是移动机器人领域的一个新兴分支，它既在一定程度上保留了轮式机器人在平地上快速而高效的步行性能，又结合了腿式机器人面对未知复杂地形时的越障能力。本文在研究和总结了国内外已有研究成果的基础上，将平行四边形机构引入到轮腿设计中，提出一种新型连杆铰接轮腿式移动机器

2、人的设计方案，并围绕该机器人在结构设计、步态规划、软件仿真、样机制作和实验等方面展开了研究工作。完成了机器人的总体结构设计，尤其是双轮腿结构的设计和运动学分析。连杆铰接的双轮腿结构是本文的主要创新点之一，借助平行四边形机构的运动特性，实现了用一个电机带动两个单轮腿进行完全相同运动的目的，从而增加了机器人总轮腿数。设计了辅助传动机构，以解决平行四边形机构在四杆共线位置的运动不确定性。分析了在轮腿向前滚动过程中，轮缘与地面的支撑状态以及轮腿几何中心的运动规律。基于双轮腿结构的特点，同时借鉴了腿式机器人步态规划中的一些概念和方法，完成了本机器人的步态规划

3、，包括爬行步态、对角步态和滚动步态。对三种步态的生成原理和可行性进行了说明，同时从静态稳定裕度、重心波动幅度和平均步行速度等多个方面对这三种步态进行了分析和对比，得出了各自的优缺点以及合适的应用场景。在ADAMS软件中建立了本机器人的仿真模型，并与传统四轮腿移动机器人进行对比，分别在平地和沟渠地面上，对三种步态进行了仿真测试。仿真结果与理论分析的结果基本吻合，初步验证了双轮腿结构对轮腿式机器人性能的提升，以及三种步态的可行性和优越性。完成了机器人样机的设计和制作。以样机为对象，三种步态为内容，平地、鹅卵石地面和模拟台阶为平台，完成了一系列实验，进一

4、步验证了结构设计和步态规划的可行性和实用性，同时也发现了一些问题，为今后的改进工作提供了参考和依据。关键词：移动机器人，轮腿，平行四边形机构，步态规划，ADAMS仿真IABSTRACTWheel-leggedmobilerobotsareanewbranchofmobilerobots.Theynotonlyretainthefastandefficientwalkingperformanceofwheeledrobotsonflatground,butalsocombinetheobstaclecrossingabilityofleggedrob

5、otsonunknowncomplexterrain.Basedonresearchingandsummarizingtheexistingresearchresultsathomeandabroad,thispaperintroducestheparallelogrammechanismintothedesignofthewheg,andputsforwardadesignschemeofanovellinkage-coupledwheel-leggedmobilerobot.Moreover,thisrobotisstudiedinsomere

6、spectssuchasstructuraldesign,gaitplanning,softwaresimulation,prototypeproductionandexperiments.Theoverallstructuraldesignoftherobotiscompleted,especiallythedesignandkinematicsanalysisofthetwinwhegs.Thelinkage-coupledwhegsisoneofthemaininnovationsofthispaper.Benefitfromthemovem

7、entcharacteristicsofparallelogrammechanism,thepurposeofmovingthetwosinglewhegswithexactlythesamemovementbyonlyamotorisachievedwithoutincreasingthetotalwhegnumber.Auxiliarystructureisdesignedtosolvethemotionuncertaintyoftheparallelogrammechanisminthecollinearposition.Supportsta

8、tesoftherimandthegroundandthemovementruleofthegeometriccenter