并联腿部的四足机器人
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- 本文选择并联腿部机器 人作为研究对象，首先对于国内外并联机构和四足机器人的发展现状及未来的发 展趋势进行了综述，并且阐明了选择并联机器人作为研究对象的主要原因；然后进 行了并联四足机器人的整体方案及关键结构设计并通过 ANSYS 软件对于核心零部件进行了静应力仿真分析，以此优化了相关零部件结构、机构构型和受力方式；之 后对于设计的机构进行了运动学分析，在此基础上，我们通过对于比赛规则的解读， 并且基于仿生学原理进行了两种步态的设计并规划了相应的足端轨迹。最后对于 设计的运动步态进行了物理调试，通过大量实验及调试数据进一步验证了仿真结 果。 亚太大学生机器人大赛（ABU ROBOCON）始于 2002 年，该赛事每年发布一个主
题，由参赛队自行组织设计并制造机器人完成既定任务，至今已经举办过 17 届， 本文以第十八届 ROBOCON 机器人大赛“快马加鞭”为背景，围绕比赛中的四足机器人展开研究。
在 ROBOCON 比赛当中对于机器人机构刚度、精度及负载重量比有着极高的要求，并联机构相对于串联机构有很多优势，其灵活度高、精度高、重复性好；动、 静刚度大，关节动量小，负载重量比高，成本较低[1]。因此本文选择并联腿部机器 人作为研究对象，首先对于国内外并联机构和四足机器人的发展现状及未来的发 展趋势进行了综述，并且阐明了选择并联机器人作为研究对象的主要原因；然后进 行了并联四足机器人的整体方案及关键结构设计并通过 ANSYS 软件对于核心零部件进行了静应力仿真分析，以此优化了相关零部件结构、机构构型和受力方式；之 后对于设计的机构进行了运动学分析，在此基础上，我们通过对于比赛规则的解读， 并且基于仿生学原理进行了两种步态的设计并规划了相应的足端轨迹。最后对于 设计的运动步态进行了物理调试，通过大量实验及调试数据进一步验证了仿真结 果。
论文最后对全文进行了总结，提出了本文在研究并联四足机器人时的一些不足及后续完善的一些研究方向。
关键词：ROBOCON；并联机构；四足机器人；机构设计；步态设计与仿真
Ⅰ
ABSTRACT
The ABU ROBOCON began in 2002. The event publishes one theme each year. The team who wants to take part in organizes and designs the robot to complete the established tasks. It has been held for 17 sessions so far. This article is against the backgroud of the 18th ROBOCON Robot Competition which named KuaiMaJiaBian. The research is carried out around the four-legged robot in the game.
In the ROBOCON competition, there is a very high requirement for the rigidity, accuracy and load-to-weight ratio of the robot mechanism. The parallel mechanism has many advantages over the series mechanism, and its flexibility, high precision and repeatability are good; dynamic and static stiffness are large, joint momentum Small, high load-to-weight ratio and low cost [1]. Therefore, the parallel leg robot is selected as the research object. Firstly, the development status and future development trend of parallel mechanism and quadruped robot at home and abroad are reviewed in the article, and the main reason for selecting parallel robot as the research object is clarified. The overall scheme and key structure design of the foot robot were simulated and analyzed by ANSYS software to optimize the related parts design, mechanism configuration and force mode. Then the kinematics analysis was carried out for the design mechanism. On this basis, we have designed two gaits and planned the corresponding foot trajectory by interpreting the rules of the game and based on the principle of bionics. Finally, the physical gait of the designed motion gait was physically debugged, and the simulation results were further verified by a large number of experiments and debugging data.
At the end of the thesis, the paper summarizes the whole thesis, and puts forward some research directions in this paper when studying parallel quadruped robots.
Key words: ROBOCON; parallel mechanism; quadruped robot; mechanism design; gait design and simulatione
目录
摘 要 ........................................................................ 1
ABSTRACT .................................................................... 1
1 绪 论 ....................................................................... 1
1.1 课题研究背景及意义 ................................................. 1
1.2 并联机构的发展现状及趋势 ........................................... 1
1.3 四足机器人的发展现状与趋势 ........................................ 2
1.4 主要工作与内容安排 ................................................. 5
2 并联腿部机器人结构设计 ............................................... 7
2.1 整体方案设计 ........................................................ 7
2.2 机器人腿部结构及杆长设计 ........................................... 9
2.3 重要零部件有限元分析及结构优化 ................................... 11
3 四足机器人步态规划及仿真 ........................................... 14
3.1 并联腿部运动学分析 ................................................ 14
3.1.1 正运动学分析 .................................................. 14
3.1.2 逆运动学分析 ................................................. 16
3.2 步态设计及运动仿真 ................................................ 17
3.2.1 步态相关定义 ................................................. 17
3.2.2 对角（Trot）步态 ............................................ 19
3.2.3 跳跃（Bound）步态 ........................................... 22
3.2.4 仿真结果分析 ................................................. 24
4 四足机器人物理样机实验 .............................................. 28
4.1 实验平台简介 ....................................................... 28
4.2 跳跃步态实验 ....................................................... 28
4.3 对角步态实验 ....................................................... 30
5 总结与展望 .............................................................. 32
5.1 总 结 ................................................................ 32
5.2 未 来 展 望 ............................................................ 33
致 谢 ........................................................................ 34
参考文献 ................................................................... 35
1 绪论
1.1课题研究背景及意义
近年来机器人产业发展迅速，广泛应用于工业生产、医疗设备、服务行业、航空航天、抢险救援等各个领域。而足式机器人能够在复杂地形中完成任务，其机体能够与地形分离，自带“悬架结构”，仅需依靠离散的落脚点即可完成稳定、连续的移动，其应用前景十分可观，四足机器人被认为是家庭和商业服务、科学探测、紧急救援、物资运送、侦察巡逻等作业的最佳移动平台[2]。并联机器人相较于串联机器人来说有很多优点：一是机身支承数目多，机器人本身承载能力强、刚度高， 结构稳定；二是并联机器人没有串联的关节，故而不会产生累积误差，其精度相对较高；三是并联机构的驱动设备可以放置在机身上，可以避免执行元件加在关节上造成关节惯性太大，进而恶化系统的动力性能。并联机器人因上述优势在高精度医疗器械、并联机床和微操作机器人领域有着广泛的应用及发展前景。
对于足式机器人，其移动性能是评价足式机器人性能好坏的核心标准之一，其移动速度、移动平稳性以及灵活性是人们关注的重要指标，但是限于机构设计、驱动、控制等理论和技术上的欠缺，大多数足式机器人移动速度较低低、能效差，极大的限制了机器人的应用范围和效能，本文就是解决 ROBOCON 比赛中四足机器人的结构设计以及其运动步态问题，规划几种合适的行走及跳跃步态，以增强足式机器人的运动平稳性及复杂地形适应能力，增强足式机器人的移动性能。
1.2并联机构的发展现状及趋势
1992 年，HIROSE 带领的团队将 Stewart 并联机构用到步行机器人上研制出了Para-walker 步行机器人，是第一次用到六自由度的并联机构，随后经过一系列改善研制了串并联混合的 Parawarker-ii 机器人;Dunlop 将 Delta 应用到步行机器人上研制出了 Delta 并联机构步行机器人；日本的 RRIC 研究所研制出了一种两组并联机器人 Kupm，可进行危险动作；2001 年，TAKANISHI 等研发了一种并联腿的两足步行椅机器人 WL-15,可以适应外界的环境。 ...
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