仿生四足机器人.doc
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1、.四足机器人的步态仿真研究本文运用Pro/ENGINEER软件与虚拟样机软件MSC.ADAMS相结合的方式对四足仿生步行机器人的样机模型进行了模拟,经过分析验证了所设计步态的适用性和可行性,避免了用常规方法求解四足仿生步行机器人运动学逆解的复杂运算,提高了四足仿生步行机器人的设计效率和研制水平,在机器人技术领域具有一定的参考价值。 该文通过对一种四足机器人进行设计和步态规划后,利用仿真技术分析它的适应环境与承载能力。首先在四足步行机器人初始结构参数基础上,基于三维软件Pro/ENGINEER建立机器人仿真模型,并将模型导入到仿真软件中完成行走过程,以稳定性为评价指标对机器人进行优化和评价;最后
2、在路面上进行一定量的承载和适应环境方面的分析,为智能化机器人提供一种分析方式。 在自然界或人类社会中,存在人类无法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场合,如工地、防灾救援等许多领域,对这些复杂环境不断的探索和研究往往需要有机器人的介入。腿式系统有很大的优越性,较好的机动性、崎岖路面上乘坐的舒适性及对地形的适应能力强。所以这类机器人在军事运输、海底探测、矿山开采、星球探测、残疾人的轮椅、教育及娱乐等众多行业,有非常广阔的应用前景,多足步行机器人技术一直是国内外机器人领域的研究热点之一。四足步行机器人是机器人的一个重要分支,由于四足机器人比两足步行机器人承载能力强、稳定性好,同时又比六足、八足步行
3、机器人结构简单,因而更加受到各国研究人员的重视。在四足机器人中,足结构是最重要的机构,选择得当可使机器人机构简单、设计方便,大大简化控制方案。 但由于机器人数学描述的复杂性,使得在机器人运动学、动力学分析方面显得较为困难,计算机虚拟仿真技术在该领域的应用为机器人的运动特性分析提供了依据。本文通过建立一种四足步行机器人模型,在规划该机器人的直线爬行步态后,利用虚拟样机软件MSC.ADAMS对机器人的爬行步态进行了动力学仿真,得到了机器人各个关节相关物理量的变化曲线。通过仿真验证了步态规划的合理性,同时将该模型投入到具有一定形状的模拟路面,分析机器人的稳定性等动态特性,这为机器人分析提供一种良好的
4、途径。 一、四足机器人步态规划 1.机器人结构的建立 一直以来,人们对四足机器人的各种运动步态进行了大量的研究和实践。本文涉及的机器人由一个机身和4条腿组成,整体结构如图1所示。它是一个对称的模型,机身尺寸为6780mm2,重心位置为机器人机身的中心,呈对角的腿起到支撑和迈进的作用,这两个作用交替出现,行走方向为z的正方向。 图1机器人结构示意图 机器人腿部为连续转动式腿机构,如图2所示。其腿部结构尺寸为:髋关节长度l1=15mm;大腿关节长度l2=28mm;小腿关节长度l3=24mm。其中每一部分都可以一定角度转动或者摆动,髋关节沿着自身轴心转动,大腿关节和小腿关节分别绕O1、O2转动。初始
5、状态大腿关节轴心沿着x方向,小腿关节平行于y方向垂直于x方向。 3D动力网】本文运用Pro/ENGINEER软件与虚拟样机软件MSC.ADAMS相结合的方式对四足仿生步行机器人的样机模型进行了模拟,经过分析验证了所设计步态的适用性和可行性,避免了用常规方法求解四足仿生步行机器人运动学逆解的复杂运算,提高了四足仿生步行机器人的设计效率和研制水平,在机器人技术领域具有一定的参考价值。 2.机器人步态分析 通过对步行机器人进行稳定性分析,选择合理的摆动腿顺序,可以生成各种各样的步态。要实现机器人的行走就要对这些关节的角度进行协调控制,机器人多轴协调控制的理论虽然比较成熟,但技术实现起来却有一定的难度
6、。目前研究步态及步态变换的工具均是基于一个跨步周期的支撑状态步态图。 四足仿生步行机器人实现步行的核心思想就是把机器人的四足分为两组,两足支撑机体并推动机器人前进(称为支撑相),另两足摆动为下一步支撑做准备(称为摆动相),整个机器人的运动过程就是支撑相与摆动相交替、循环的过程。在机器人研究领域支撑相和摆动相随时间变化的顺序集合称为步态。对匀速行走的机器人来说,其足相呈周期变化规律。由于这时步态是周期变化的,故称为周期步态。在一个周期T内,支撑相的时间为t,则该足的有荷因数按=t/T计算。 一个步态周期中,步行机器人机体重心向前移动的距离称为步距s,各足处于支撑相时相对于机体的移动距离称为足的行
7、程R,两者的关系为R=s。 为了便于描述,本机器人采用如图3所示的步态,即初始状态4足处于站立状态,如图3(a)所示;接着后腿1和前腿2向前跃进,这个过程中髋关节转动,大腿关节绕O1小幅度转动,小腿关节绕O2向外转动,其余两腿保持站立状态;当后腿1和前腿2跃进站稳后,前腿1和后腿2开始跃进,如图3(c)所示,如此往复向前运动。 图3机器人步态分析图 在对机器人进行步态规划时,机器人足端点轨迹的选择对机器人的运动特性有着重要影响,机器人行走过程中的连贯性、稳定性、美观性以及所需驱动转矩的大小均受其牵制。对于四足仿生步行机器人来说,较好的足端点轨迹应具有良好的起落特性、速度和加速度特性。人们多采用
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