四足机器人设计以及脊柱关节数目对运动性能的影响研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文四足机器人设计以及脊柱关节数目对运动性能的影响研究硕士研究生：陈磊指导教师：陈东良副教授学科、专业：机械工程论文主审人：王立权教授哈尔滨工程大学2018年03月分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文四足机器人设计以及脊柱关节数目对运动性能的影响研究硕士研究生：陈磊指导教师：陈东良副教授学位级别：工学硕士学科、专业：机械工程所在单位：机电工程学院论文提交日期：2018年1月论文答辩日期：2018年3月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissert

2、ationfortheDegreeofM.EngQuadrupedRobots’DesignandResearchontheEffectofSpinalJointNumberontheMovementPerformanceCandidate:ChenLeiSupervisor:Assoc.Prof.ChenDongliangAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:MechanicalEngineeringDateofSubmission:January,2018Dat

3、eofOralExamination:March,2018University:HarbinEngineeringUniversity哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者（签字）：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授

4、权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文（□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、

5、汇编等。作者（签字）：导师（签字）：日期：年月日年月日摘要近年，我国西南地区地震、滑坡和泥石流等自然灾害频发，给人民和国家带来沉重的伤痛。用于预警的机器人已经投入使用，并且得到很好的效果，然而用于搜救和探索的机器人尚处在研究阶段，使得警犬在大强度的搜救工作中脱力的现象随处可见。针对救灾和探索用途的机器人，当前主要以装载有各种传感器和摄像头能够感知环境和路径规划的四足机器人为主。随着技术的进步，四足机器人由刚性躯干逐步向更加复杂的多脊柱关节的柔性躯干发展，柔性躯干的四足机器人较之刚性躯干的机器人具有更加优越的灵活性。因此研究多脊柱关节四

6、足机器人，实现在非结构化环境下运行平稳、长时间续航和探索工作，具有十分重要的意义和价值。本论文主要围绕多脊柱关节四足机器人的脊柱关节参数，做了如下研究工作。将灵活度较高的猎豹作为原型，分析其脊柱结构并将其简化，建立含多关节的脊柱躯干模型，结合现有腿部和足部研究结果，构建完整四足机器人拓扑模型。以该模型为对象，推导其正运动学和逆运动学方程，基于各个关节的转角范围绘制腿部末端的运动空间。基于足端与地面间的冲击问题，采用新型的末端轨迹规划算法设计步态，设计腿部在支撑相和摆动相两种状态的末端轨迹函数。基于零力矩点稳定判据，验证四足机器人在非结

7、构化环境中的运动稳定性，在Adams上通过足端轨迹函数进行单腿逆运动学求解，获得各个关节转角关于时间的函数关系，获得平稳的步态运动。基于生物控制方式中枢模式发生器（CPG）控制原理，设计四足机器人的软、硬件控制系统。依据CPG控制方式，将主控板的控制信号输出为腿部的运动控制信号，构成四足机器人的行走步态。通过建立步态矩阵来实现各种步态间的转换，通过仿真实验验证表明，四足机器人在该控制模式下能够稳定运行。搭建四足机器人试验样机和试验环境，通过仿真分析和实物运动分析两种途径进行对比试验。在不改变拓扑结构的前提下，改变脊柱结构的关节数目，进

8、行分析研究，对比电源输出的功率和运行速度，判断脊柱关节数目对奔跑运动下的影响。关键词：四足机器人；柔性脊柱；多脊柱关节；脊柱关节数目；运动性能12AbstractInrecentyears,naturaldisaster