具有半球形足端的六足機(jī)器人步態(tài)生成和能耗優(yōu)化研究.pdf

1、六足步行機(jī)器人是一種模仿多足動(dòng)物運(yùn)動(dòng)方式的腿式運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。它作為一種移動(dòng)機(jī)器人，相比與輪式和履帶式機(jī)器人，具有落足點(diǎn)離散，主動(dòng)隔振以及對(duì)地表狀況適應(yīng)性強(qiáng)等眾多特點(diǎn)，使得它具備廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜地表環(huán)境的潛能，并因此成為研究熱點(diǎn)。但在實(shí)際應(yīng)用中它存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、速度慢、控制難度大以及能耗較大等缺點(diǎn)，因而受到很大限制。
　　 本論文為改善六足機(jī)器人地表環(huán)境適應(yīng)能力，通過(guò)設(shè)計(jì)具有半球形足端的腿部機(jī)構(gòu)，建立了相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和步態(tài)修正算法。針對(duì)

2、多足機(jī)器人能量利用率低的缺點(diǎn)，通過(guò)分析六足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)問題，并建立系統(tǒng)的能量消耗模型，從多個(gè)方面對(duì)六足機(jī)器人的系統(tǒng)能耗進(jìn)行了優(yōu)化分析，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。
　　 第1章以大量的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研為基礎(chǔ)，介紹了本課題的研究背景和研究意義。全面論述了多足步行機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展歷程，重點(diǎn)介紹了多足機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)特征、步態(tài)生成和控制方法、足端腳力分配算法和能耗優(yōu)化策略。最后，提出了研究的主要內(nèi)容。

3、
　　 第2章通過(guò)建立機(jī)器人的三維機(jī)構(gòu)模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，對(duì)機(jī)器人步行運(yùn)動(dòng)下各驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的角度/角速度矢量與各腿足端位置矢量之間的關(guān)系展開了正/逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了半球形足端對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定步行時(shí)關(guān)節(jié)軌跡生成和軀體運(yùn)動(dòng)軌跡所造成的影響，提出了基于半球形足端模型的六足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)修正算法，并基于三角步態(tài)和改進(jìn)型波浪步態(tài)對(duì)修正算法進(jìn)行了仿真和對(duì)比分析。
　　 第3章在建立電機(jī)能耗模型的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的

4、能耗方程以及優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，指出了系統(tǒng)能耗和各關(guān)節(jié)負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間存在的聯(lián)系。在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)六足步行機(jī)器人進(jìn)行準(zhǔn)靜力學(xué)分析，提出了六足機(jī)器人足端腳力分配問題。在分析了機(jī)器人的平衡條件，并結(jié)合摩擦錐等相關(guān)約束的基礎(chǔ)上，建立了一系列機(jī)器人足端腳力的約束方程。利用動(dòng)力學(xué)分析得到了機(jī)器人足端腳力與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，將原有的腳力分配問題變換為關(guān)節(jié)力矩分配問題，獲得了各關(guān)節(jié)力矩的線性等式約束和不等式約束條件，從而對(duì)以系統(tǒng)能耗最低為目標(biāo)的優(yōu)化目

5、標(biāo)函數(shù)利用序列二次規(guī)劃法進(jìn)行求解。與傳統(tǒng)的腳力分配方法相比較證明，新的力矩分配方法能夠有效節(jié)省系統(tǒng)能耗。
　　 第4章進(jìn)一步研究了機(jī)器人在步行狀態(tài)下具有不同步態(tài)參數(shù)時(shí)的系統(tǒng)能耗。利用多項(xiàng)式，對(duì)關(guān)節(jié)空間下的單腿各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行構(gòu)造，運(yùn)用遺傳算法對(duì)機(jī)器人擺腿相足端軌跡進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。以系統(tǒng)能耗比阻作為評(píng)估指標(biāo)，通過(guò)仿真獲得了機(jī)器人在不同總質(zhì)量下的軀體結(jié)構(gòu)的最優(yōu)質(zhì)量分配和軀體高度以及步態(tài)的最優(yōu)步長(zhǎng)等參數(shù)。最后以力矩分配算法為基礎(chǔ)，采