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四足机器人结构化地貌典型步态研究

作　者: 胡斌
导　师: 朱波
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 四足机器人运动学仿真结构化地貌步态
分类号: TP242.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

传统的轮式或履带式移动机器人比较适合在平坦路面上运行,而在崎岖的非平坦路面上步行机器人比轮式或履带式机器人更有优势。由于四足机器人在稳定性和承载能力上优于双足机器人,在结构和控制上又比六足和八足步行机器人简单,因此四足机器人成为移动机器研究领域的热点之一。本文主要研究了四足机器人典型步态产生方法,并通过实验验证了相关方法的正确性和可行性。研究内容概述如下。(1)介绍了四足机器人的机构特性,机器人运动方式的表示方法,采用D-H坐标建立了四足机器人单腿运动学方程,并完成了机器人腿部运动学的正解和逆解。(2)介绍了四足机器人步态方法,稳定裕度表示方法。设计了平面直线行走,平面转弯,斜面爬行和台阶爬行等典型步态。针对平面直线行走,设计了机器人质心速度均匀和非均匀两种步态,并对其运动特性和关节受力做了对比研究;针对平面转弯步,提出了四足机器人定点转弯步态方法,设计了左转和右转两种步态,并对两种步态运动特性和单腿关节受力进行了对比研究;针对机器人斜坡爬行步态,介绍斜坡爬行方法,斜坡爬行稳定性计算方法以及斜坡爬行单腿最佳运动轨迹的选择方法,并对机器人在5度,10度和15度三种不同坡度的斜坡面的行走进行了仿真对比;在机器人台阶爬行小节中主要对各种台阶进行分类,并对机器人上下台阶爬行进行了运动学仿真对比。(3)设计了一种四足机器人原理样机。完成了四足机器人的结构设计,驱动电路设计和软件设计。(4)利用完成的四足机器人进行了平面直行,平面转弯,斜坡爬行和台阶爬行等实验,并与前述仿真进行对比。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第1章绪论  10-18
  1.1 课题背景  10
  1.2 四足机器人研究现状及分析  10-16
    1.2.1 国外四足机器人研究现状  10-14
    1.2.2 我国四足机器人发展概况  14-16
  1.3 四足机器人步态研究综述  16
  1.4 足式机器人运动控制策略研究综述  16-17
  1.5 本文研究的主要内容  17-18
第2章四足机器人运动学分析  18-27
  2.1 引言  18
  2.2 四足机器人机构特性  18-19
  2.3 机器人运动方程的表示  19
  2.4 连杆变换矩阵及其乘积  19-21
    2.4.1 机器人杆件参数定义  19-20
    2.4.2 机器人D-H 关节坐标建立原则  20
    2.4.3 广义变换矩阵  20-21
  2.5 四足机器人运动方程  21-26
    2.5.1 四足机器人单腿D-H 坐标建立  21-22
    2.5.2 四足机器人单腿正解  22-23
    2.5.3 四足机器人单腿逆解  23-26
  2.6 本章小结  26-27
第3章四足机器人结构化地貌典型步态研究  27-53
  3.1 引言  27
  3.2 四足机器人稳定性和ZMP  27-28
  3.3 四足机器人步态生成方法  28
  3.4 四足机器人仿真系统的建立  28-30
    3.4.1 四足机器人仿真系统总体设计思路  28-29
    3.4.2 仿真系统设计步骤及注意事项  29-30
    3.4.3 仿真系统分析  30
  3.5 四足机器人平面直行步态研究及仿真  30-33
    3.5.1 四足机器人直行步态原理  31-32
    3.5.2 四足机器人直行步态仿真  32-33
    3.5.3 四足机器人直行地面碰撞力分析  33
  3.6 四足机器人平面定点转弯步态研究及仿真  33-43
    3.6.1 四足机器人定点转弯步态原理  34-37
    3.6.2 四足机器人定点转弯步态仿真  37-39
    3.6.3 四足机器人定点转弯关节偏转角分析  39-40
    3.6.4 四足机器人定点转弯关节力和地面碰撞力分析  40-43
  3.7 四足机器人斜面爬行步态研究及仿真  43-50
    3.7.1 四足机器人斜面爬行步态原理  43-45
    3.7.2 四足机器人斜面爬行步态仿真  45-46
    3.7.3 四足机器人斜面爬行地面碰撞力分析  46-48
    3.7.4 四足机器人不同坡度斜面稳定性分析  48-50
  3.8 四足机器人台阶爬行步态研究及仿真  50-52
    3.8.1 四足机器人台阶爬行步态原理  50
    3.8.2 四足机器人台阶爬行步态仿真  50-52
  3.9 本章小结  52-53
第4章四足机器人原理样机设计  53-60
  4.1 引言  53
  4.2 四足机器人结构设计  53-54
  4.3 四足机器人驱动器的选择  54-55
  4.4 四足机器人控制电路设计  55-57
  4.5 控制器和舵机之间通信方式  57
  4.6 供电电路设计  57-58
  4.7 软件流程  58-59
  4.8 本章小结  59-60
第5章四足机器人实验  60-66
  5.1 实验条件  60
  5.2 实验目的  60
  5.3 实验内容  60-65
    5.3.1 四足机器人平面直行实验  60-62
    5.3.2 四足机器人平面转弯实验  62-64
    5.3.3 四足机器人斜面爬行实验  64
    5.3.4 四足机器人台阶爬行实验  64-65
  5.4 本章小结  65-66
结论  66-67
参考文献  67-73
致谢  73

四足机器人结构化地貌典型步态研究

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