四足仿生机器人混联腿构型改进.docx

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1、四足仿生机器人混联腿构型改进东北大学机械1309万俊显摘要：四足仿生机器人一直是机器人领域研究的热点之一。对国内外的研究现状和代表样机进行综述，总结现有四足机器人的腿构型的优缺点。混联腿构型结合了并联机构和串联机构的优点，可在提高机器人载重/自重比的同时，满足快速稳定响应的需求，从而实现高速、低能耗、高承载的运动。提出三种不同的3自由度混联腿机构，由1自由度的四杆机构和2自由度的平面并联机构串联组成。建立3种混联腿的运动学模型。根据四足机器人的行走设计需求，总结三种混联腿机构的特点，并建立其各自的工作空间模型。基于对角小跑的轨迹

2、，分析三种混联结构在空间上的承载能力和各向同性度。通过对比分析选择第三种混联腿作为最优选项，并进一步与经典串联腿进行驱动力矩比较，证实混联腿的优越性。通过样机负重行走试验验证结果的可靠性，为四足混联腿机构机器人的后续研究奠定理论基础。关键词：四足机器人混联腿构型平面机构承载能力Abstract：Theresearchofquadrupedrobothasbecomeoneofthehottestspotsofrobotics.Areviewofcurrentstatusanddevelopmentofquadrupedrobot

3、isgiven;theserialarchitecturesoflegmechanismarelisted.Hybridlegmechanismisadvantageoustoachieveneedsofhigh-payload,energyconsumptionandhighmobility.Threetypeofhybridlegmechanismaredesigned.Foreachofthem,a2-DOFplanarparallelmechanismisdesignedforliftingupaheavyloadand

4、providingtrottrajectoryandafour-barlinkisusedtoswingtheplanarpartwhiletherobotstepsonirregularterrainorbalancesouterstrike.Designconceptoflegandkinematicmodelingmethodofrobotareintroduced.Theworkspacesareanalyzedtomaintainrobotmobility.Theloadcapabilitiesaregivenanda

5、trottrajectorywiththepaceof300mm.Theisotropycriterionsareshownforback-and-forthwithleft-and-rightlocomotion.Thethirdtypeisthebestandfurthermorecomparedwithclassicserialleg.Aprototypeisbuildtoverifyalltheresultsthroughtrottingexperiment.Keywords：QuadrupedrobotHybridle

6、gmechanismPlanarparallelmechanismHeavyloadtransportation0前言四足仿生机器人的研究长期以来一直是国内外机器人领域研究的热点之一。该类机器人能够在复杂的非结构环境中稳定地行走，可以代替人完成许多危险作业，在军事、矿山开采、核能工业、星球表面探测、消防及营救、建筑业、农林采伐、示教娱乐等行业有着许多潜在的应用前景。四足仿生机器人的研究始于20世纪60年代，产生了许多具有代表性的机器人样机[1]。近几年来，高速、高承载、低能耗、自带动力源的机器人设计成为了四足机器人的研究重点。目

7、前国内外著名的研究成果有美国波士顿动力公司承担研制的BigDog、AlphaDog、LittleDog和猎豹Cheetah，意大利IIT大学研制的HyQ机器人，日本千叶工大米田完教授研制的Hyperion4机器人，山东大学研制的液压驱动四足仿生机器[2]等。如图。(a)LittleDog(b)BigDog(c)AlphaDog(d)Cheetah(e)Hyperion4(f)HyQ山东大学研制的液压驱动四足仿生机器人现有的四足机器人的腿部机械结构几乎都为串联机构组成。这种串联结构简单控制建模容易，但有以下几个方面的限制：①驱动器

8、多安装在腿部，使得下级驱动器成为上级驱动器的负载，驱动能力要求高；②机器人刚度较小，较难承受重复性的高承载任务。国内外对并联腿式机器人的研究多放在单足或双足步行机器人方向。例如日本早稻田大学的WL系列步行椅的设计，广濑研究室的Para-Walker的设计。国内则