六足爬行仿生机器人的设计与运动性能研究

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目前,多足机器人由于其强大的环境适应能力及广泛的探险、救援等用途,已经逐步取代传统机器人,成为各界人士的凝聚点。对六足机器人结构优化及运动能力问题的研究,可以有效地改善足式机器人运动范围小、效率低等问题。近年来在六足机器人性能研究方面也有过许多探索。本文将对已存六足机器人一些设计上的不足进行分析并在原有的基础上做了优化,侧重于通过对机器人整机结构的优化后并对腿部运动特性及越障运动能力加以分析。通过对现有的六足机器人的结构、运动方式及性能的分析,总结以往六足机器人研究上的三个不足点。(1)缺乏对腿部多连杆机构尺寸关系的分析;(2)缺乏对机身结构分析,尤其在机首导流角优化问题方面;(3)多集中在移动机器人的运动分析,重点对六足陆地运动能力的研究尚且缺乏。根据前期对四足机器人的实物制作基础,结合以上空缺点及本文中高速率、轻质量机器人的研究目标。具体工作内容如下:(1)运动学研究。采用创建D-H方程并求解的方法,得出六足机器人腿部运动位置与各连杆节点转动角度之间的变化关系,从而为后面分析单腿结构比例以及运动路径做好了基础。(2)机器人整机结构优化方案。第一点,先对腿部结构进行了研究。由于三连杆单腿中,连杆尺寸比例及关节转动角度等因素均会影响六足运动范围。因此本文结合Matlab软件与运动学计算,采用对足端运动面积模拟的分析方法,来优化连杆比例,进而提出单腿三杆件L1:L2:L3(28)0.08:0.46:0.46的长度比例关系,并加以轻型孔的设计。第二点,由于机身结构在扰流增速上有关键作用,所以本文特意采用了拉丁超立方理论对机首导流角做了优化,得出了机首上下角度的最优值。第三点,由于机身的结构尺寸对整机稳定裕影响较大,所以本文对稳定度随机身尺寸的变化关系做了分析,得出了前、中部尺寸对平稳性的影响关系,进一步优化机身尺寸。(3)机器人腿部运动特性及步态。由于机器人腿部运动时会产生瞬时加速度而导致地面对其带来巨大冲击力,使腿部机械强度降低。因此,本文在对六足做了运动步态的分析研究并最终确立了三足运动步态的基础上,采用多次项曲线对摆动足运动路径曲线做了优化。使摆动足与地面的瞬间接触加速度为零,消除腿部冲击力。(4)机器人陆地性能研究。越障运动是评定一款机器人性能的直观评价方式。由于机身俯仰角、质心位置等参数对越障能力均有影响。故本文分析了机器人的质心变化范围,并基于越障临界分析法来研究六足爬越楼梯、横沟等多种路况时的稳定性。得出了六足爬越障碍物的能力与整机参数间的变化关系。(5)基于Adams的结果仿真。最后通过Adams进行运动仿真。由Solidworks导入Adams中创建运动模型。仿真出机器人运动过程中腿部与地面接触时的受力平衡性、质心空间变化等,验证机器人在直行、转向运动时的平稳性。综上所述,本文重点研究了六足机器人的结构优化及其在陆地环境中的运动性能。最后通过Adams数据验证本文对整体结构及腿部运动路径优化后能够满足整机运动平衡性条件。
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