具有脊柱的四足仿生机器人的结构设计.doc

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1、具有脊柱的四足仿生机器人的结构设计上海交通大学王贱人摘要机器人在军事、星球表面探测、核工业等方面有着非常广阔的应用前景。目前研究的多足仿生步行机器人，从总体上看，其机动性还不足够好，对环境的适应性不够，越障能力也较弱。通过对以猎豹等为代表的高敏捷性、能进行快速运动的动物运动机理及越障过程的深入研究可以发现，这些动物在快速运动中利用了腰肌的力量与腿部动作的配合，提升了跑跳与越障能力。为了利用机体变化与腿结构运动的协调，提升仿生机器人的跳越及越障能力，本文设计了一种具有可变机体的新型四足仿生机器人构型。本文首先介绍了四足仿生机器人国内外研究现状，

2、然后跟据猎豹的骨骼结构，建立了具有脊柱的四足仿生机器人模型，设计了关节驱动专用储能单元，该储能单元可以通过控制电磁离合器来实现机器人的正常行走与跳跃功能。在此基础上，通过对该类机器人建立运动学模型，对其正运动学及逆运动学问题进行了详细研究。在正运动学分析中，针对运动方程组中包含多冗余驱动角度，而求解冗余驱动角度十分困难的问题，本文提出了一种降维解法，通过将运动方程组的一个方程转为约束方程，对运动方程组的其余方程采用迭代运算以求满足约束的解，可以有效的求出冗余驱动角。该降维解法可以有效地解决冗余驱动机器人机构运动分析中，方程求解困难的典型问题，

3、为解决同类问题提供了参考。然后，本文对机器人进行了跳跃步态的规划，利用图解法先在CAD等绘图软件中测量出各腿立足点及机体质心的位置，然后用逆运动学公式求出各腿关节角，建立各关节驱动函数，导入ADAMS中进行运动学仿真分析。通过ADAMS仿真分析，得到各个关节角与关节驱动储能单元的关系，并绘制相应的关系曲线图，为以后的控制系统提供理论依据。关键词：四足仿生机器人；可变机体；储能单元；降维解法；ADAMS仿真第一章绪论1.1引言机器人已经在很多方面获得成功应用，特别是机器人能够代替人类在一些非结构性环境中作业，在军事、星球表面探测、核工业等方面有

4、着非常广阔的应用前景。目前的多足仿生步行机器人，其机动性不好，对环境的适应性不够，越障能力较弱，运动步态的模式较有限。比较典型的，仿生步行机器人实现对沟壑、障碍的跳跃就比较困难。目前，国内外学者对四足仿生机器人的研究取得了很大的进展，但对各类仿生机器人的研究，较多的集中在对单腿系统的研究，通常将机器人的机体多设置为刚体。通过对以“猎豹”为代表的高敏捷性、能快速运动的动物跑跳机理及越障过程的深入研究，可以发现，很多动物在快速运动中利用了腰肌的力量与腿脚动作的配合。因此，本课题提出一种具有储能功能的变机体四足仿生机器人，在对现有多足仿生移动机器人

5、单腿系统研究的基础上，考虑模拟动物的腰肌变化，对机体的柔性、储能等功能进行仿生研究。通过在机体上设置储能单元，将机体变化和腿部弹跳相结合，研究新的运动步态及运动过程，以提高机器人的仿生特性，增强机器人的运动速度、机动性与跑跳性能。1.2研究背景及意义目前，多足机器人已经在很多方面获得成功应用。特别是多足机器人能够代替人类在一些非结构性环境中作业，在军事、星球表面探测、核工业等方面有着非常广阔的应用前景。多足步行机器人在非结构环境下工作，要求具有高的机动性、快的运动速度。而限于机器人研究水平，现有的多足步行机器人更多是作为一种移动平台，在非结构

6、性环境中实现高机动、自主精确的快速运动的特性还不够。四足步行机器人作为足式机器人的重要组成部分，近年来，各工业发达国家都将其作为具有战略意义的前沿技术，投入巨资支持开展研究工作。美国BostonDynamics公司研究BigDog[1]的成功,在世界上掀起了研究具有实用性自律移动机器人的高潮[2-3]。我国也非常重视高性能四足仿生机器人的开发。国家863计划先进制造领域，于2010年发布了“高性能四足仿生机器人”主题项目指南，吹响了“十二五”期间我国高性能四足机器人技术攻关的号角[4]。近年来，我国对四足仿生机器人的研究取得了巨大进步，如：山

7、东大学李贻斌教授的团队[5]、上海交大高峰教授的团队[6]、哈尔滨工业大学赵杰教授的团队[7]，还包含中科院沈阳自动化所、清华大学、华中科技大学、湖南大学、北京航天航空大学等在相关研究领域取得了很大的成绩。目前研究的多足仿生步行机器人，从总体上看，其机动性还不足够好，对环境的适应性不够，越障能力也较弱，运动步态的模式较有限。比较典型的，仿生步行机器人实现对沟壑、障碍的跳跃就比较困难，运动速度也比较慢。为提高步行机器人的运动性能，国内外学者加强了对机器人仿生特性研究，模拟动物关节及肌肉功能，开发具有结构弹性的仿生机器人。国际上，目前开展的对“猎

8、豹”机器人的研究，代表了这个趋势，也取得了很大的进展。但对各类仿生机器人的研究，较多的集中在对单腿系统的研究，通常将机器人的机体多设置为刚体。因此，本课题提出研究具