并聯腿部的四足機器人
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- 本文選擇并聯腿部機器 人作為研究對象，首先對于國內外并聯機構和四足機器人的發展現狀及未來的發 展趨勢進行了綜述，并且闡明了選擇并聯機器人作為研究對象的主要原因；然后進 行了并聯四足機器人的整體方案及關鍵結構設計并通過 ANSYS 軟件對于核心零部件進行了靜應力仿真分析，以此優化了相關零部件結構、機構構型和受力方式；之 后對于設計的機構進行了運動學分析，在此基礎上，我們通過對于比賽規則的解讀， 并且基于仿生學原理進行了兩種步態的設計并規劃了相應的足端軌跡。最后對于 設計的運動步態進行了物理調試，通過大量實驗及調試數據進一步驗證了仿真結 果。 亞太大學生機器人大賽（ABU ROBOCON）始于 2002 年，該賽事每年發布一個主
題，由參賽隊自行組織設計并制造機器人完成既定任務，至今已經舉辦過 17 屆， 本文以第十八屆 ROBOCON 機器人大賽“快馬加鞭”為背景，圍繞比賽中的四足機器人展開研究。
在 ROBOCON 比賽當中對于機器人機構剛度、精度及負載重量比有著極高的要求，并聯機構相對于串聯機構有很多優勢，其靈活度高、精度高、重復性好；動、 靜剛度大，關節動量小，負載重量比高，成本較低[1]。因此本文選擇并聯腿部機器 人作為研究對象，首先對于國內外并聯機構和四足機器人的發展現狀及未來的發 展趨勢進行了綜述，并且闡明了選擇并聯機器人作為研究對象的主要原因；然后進 行了并聯四足機器人的整體方案及關鍵結構設計并通過 ANSYS 軟件對于核心零部件進行了靜應力仿真分析，以此優化了相關零部件結構、機構構型和受力方式；之 后對于設計的機構進行了運動學分析，在此基礎上，我們通過對于比賽規則的解讀， 并且基于仿生學原理進行了兩種步態的設計并規劃了相應的足端軌跡。最后對于 設計的運動步態進行了物理調試，通過大量實驗及調試數據進一步驗證了仿真結 果。
論文最后對全文進行了總結，提出了本文在研究并聯四足機器人時的一些不足及后續完善的一些研究方向。
關鍵詞：ROBOCON；并聯機構；四足機器人；機構設計；步態設計與仿真
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
目錄
摘 要 ........................................................................ 1
ABSTRACT .................................................................... 1
1 緒 論 ....................................................................... 1
1.1 課題研究背景及意義 ................................................. 1
1.2 并聯機構的發展現狀及趨勢 ........................................... 1
1.3 四足機器人的發展現狀與趨勢 ........................................ 2
1.4 主要工作與內容安排 ................................................. 5
2 并聯腿部機器人結構設計 ............................................... 7
2.1 整體方案設計 ........................................................ 7
2.2 機器人腿部結構及桿長設計 ........................................... 9
2.3 重要零部件有限元分析及結構優化 ................................... 11
3 四足機器人步態規劃及仿真 ........................................... 14
3.1 并聯腿部運動學分析 ................................................ 14
3.1.1 正運動學分析 .................................................. 14
3.1.2 逆運動學分析 ................................................. 16
3.2 步態設計及運動仿真 ................................................ 17
3.2.1 步態相關定義 ................................................. 17
3.2.2 對角（Trot）步態 ............................................ 19
3.2.3 跳躍（Bound）步態 ........................................... 22
3.2.4 仿真結果分析 ................................................. 24
4 四足機器人物理樣機實驗 .............................................. 28
4.1 實驗平臺簡介 ....................................................... 28
4.2 跳躍步態實驗 ....................................................... 28
4.3 對角步態實驗 ....................................................... 30
5 總結與展望 .............................................................. 32
5.1 總 結 ................................................................ 32
5.2 未 來 展 望 ............................................................ 33
致 謝 ........................................................................ 34
參考文獻 ................................................................... 35
1 緒論
1.1課題研究背景及意義
近年來機器人產業發展迅速，廣泛應用于工業生產、醫療設備、服務行業、航空航天、搶險救援等各個領域。而足式機器人能夠在復雜地形中完成任務，其機體能夠與地形分離，自帶“懸架結構”，僅需依靠離散的落腳點即可完成穩定、連續的移動，其應用前景十分可觀，四足機器人被認為是家庭和商業服務、科學探測、緊急救援、物資運送、偵察巡邏等作業的最佳移動平臺[2]。并聯機器人相較于串聯機器人來說有很多優點：一是機身支承數目多，機器人本身承載能力強、剛度高， 結構穩定；二是并聯機器人沒有串聯的關節，故而不會產生累積誤差，其精度相對較高；三是并聯機構的驅動設備可以放置在機身上，可以避免執行元件加在關節上造成關節慣性太大，進而惡化系統的動力性能。并聯機器人因上述優勢在高精度醫療器械、并聯機床和微操作機器人領域有著廣泛的應用及發展前景。
對于足式機器人，其移動性能是評價足式機器人性能好壞的核心標準之一，其移動速度、移動平穩性以及靈活性是人們關注的重要指標，但是限于機構設計、驅動、控制等理論和技術上的欠缺，大多數足式機器人移動速度較低低、能效差，極大的限制了機器人的應用范圍和效能，本文就是解決 ROBOCON 比賽中四足機器人的結構設計以及其運動步態問題，規劃幾種合適的行走及跳躍步態，以增強足式機器人的運動平穩性及復雜地形適應能力，增強足式機器人的移動性能。
1.2并聯機構的發展現狀及趨勢
1992 年，HIROSE 帶領的團隊將 Stewart 并聯機構用到步行機器人上研制出了Para-walker 步行機器人，是第一次用到六自由度的并聯機構，隨后經過一系列改善研制了串并聯混合的 Parawarker-ii 機器人;Dunlop 將 Delta 應用到步行機器人上研制出了 Delta 并聯機構步行機器人；日本的 RRIC 研究所研制出了一種兩組并聯機器人 Kupm，可進行危險動作；2001 年，TAKANISHI 等研發了一種并聯腿的兩足步行椅機器人 WL-15,可以適應外界的環境。 ...
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