多足仿生步行机器人的机构设计与功能分析

第 9期 2 0 1 3年 9月

机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g n & Ma n u f a c t u r e 3 5

多足仿 生步行机 器人 的机 构设计 与功 能分析 祝 小梅 , 蔡 勇, 臧 红彬 6 2 1 0 1 0 ) ( 西南科技 大学 制造过程测试技术省部共建教育部重点实验室 , 四川 绵阳

要: 设计 了一种新 型的 多足仿 生步行机 器人 的机械 结构 , 运用 D — H齐次 坐标 变换矩 阵建立其运动 学方程 , 并 以

最大越 障能力为 目标 函数 以连杆 长度为约束 函数 对腿部机 构进 行优化 , 得 出最佳 多足仿 生步行机 器人 的机械 结构 。 基 于虚拟样机技 术 对该 多足仿 生步行 机 器人进行 爬坡 能力、 通过 复杂路 面能 力、 转 弯步态规划 等功能分析 。仿真结 果表 明该 多足仿 生步行机 器人机 构具有 自由度 少、 控 制 简单 、 运 动灵活 、 爬坡 能力 良好 、 地形 适应性 强、 转 弯稳 定性 好 等特点 。 关键词 : 多足仿生步行机器人 ; 虚拟样机 ; 运动学分析; 优化设计 : 功能分析 中 图分 类 号 : T H1 6 ; T P 2 4 2 文献标识码 : A 文章 编 号 : 1 0 0 1 — 3 9 9 7 ( 2 0 1 3 ) 0 9 — 0 0 3 5 — 0 4

Me c h a n i s m De s i g n a n d F u n c t i o n a l An a l y s i s o f Mu l t i - L e g g e d Wa l k i n g Ro b o t ZHU Xi a o -me i ,CAI Yo n g,ZANG Ho n g - bi n

( S c h o o l o f Ma n u f a c t u i r n g S c i e n c e &E n g i n e e i r n g , S o u t h w e s t U n i v e r s i t y o f S c i e n c e&T e c h n o l o g y , S i c h u a n Mi a n y a n g 6 2 1 0 1 0 , C h i n a )

Ab s t r a c t : A mu l t i - l e g g e dwa l k i n gr o b o t ’ s me c h a n i c a l s t r u c t u r e i s d e s i g n e d。a n di t s k i n e ma t i c a l e q u a t i o n s i e s t a b l s i h e d b yD—

H h o m o g e eo n u s c o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o n m a t r i x . Wi t h t h e ma x i mu m c a p a c i t y o fo b s t a c l e t o t h e o b j e c t i v e f u n c t i o n a n d w i t h t h e l i n k l e n g t h s t o c o n s t r a i n t un f ct i o n t o o p t i m i z e t h e l e g s i st n i t u t o i s, n i t o b t in a s t h e b e s t m e c h ni a c a l s t r u c t u r e o fm u l t i - l e g g e d w a l k i n g r o b o t . B a s e d o n v i r t u a l p r o t o t y p i n g t e c h n o l o g y , i t o p t i m i z e s t h e l e g m e c h ni a s m ft o h e mu l t i — l e g g e d w a l k i n g r o b o t , a n d

r e s e a r c h e s i t s a b i l i t y fc o l i mb i n g , t h r o u g h t h e r o u g h p a v e en m t a n d s w e we ft o h e m u h i - l e g g e d w a l k i n g r o b o t . T h e r e s u h s s h o w t h a t t h e m u l t i - l e ge d w lk a i n g r o b o t h s a 3 o l n ef e tu a r e s i cl n u d i n g f e w e r f r e e d o m s ,e sy a c o n t r o l , le f x i b e l m o v e en m t ,g o o d c l i mb i n ga bi l i t y, g o o dt e r r a i n a d a pt bi a l i t y a n d s t bl a e t u r na bi l i t y . Ke y W o r d s : Mu l t i - L e g g e d W a l k i n g Ro b o t ; Vi r t u a l P r o t o t y p i n g ; Ki n e ma t i c a l Re s e a r c h; Op t i mi z a i t o n De s i g n; F u n c t i o n a l An a l y s i s

1 引言 足式步行机器人研究 已成为机器人研究领域 的热点之一㈣, 国外最具代表性 的是美国某动力学工程公 司设计制造的机器 “ 大 狗” ( B i g d o g )  ̄。国内在此领域的研究也取得了较大成果 , 如哈尔 滨工业大学研制的两栖 仿生机器蟹嘲 和华中科技大学研制的“ 4 + 2 ” 多足步行机器人 。 提 出一种新 型的八足仿生步行机器人 , 并对 其进行运 动学分析 、 腿部机构的优化设计 、 爬坡能力 、 通过复杂路 面能力 、 转 弯步态规划等功 能分析。

存在 1 8 0 。 的相位差 , 则该仿生机器人做直线运动 ; 若最外面两对

足的运动存在转速差 , 则该仿生机器人做转弯运动。

2机构设计 与运动学分析 2 . 1机构 设计 的规格为 : 长1 2 0 0 mm, 宽7 8 0 m m, 高8 7 0 mm。每对足共用一个驱

图 1八足仿生步行机器人整体模型 F i g . 1 MU hi - L e g g e d Wa l k i n g Ro bo t Mo d e l

设计 的八足仿生步行机器人整体结构模型 , 如图 1 所示 。 它 2 . 2 腿 部机构 运动学 分析 八足仿生步行机器人 的腿部机构 由一种类似于斯蒂芬森六 动 电机 , 驱动 电机通过齿轮传动带 动圆盘转 动 , 足上连杆与 圆盘 杆运动链 的多连杆机构组成 , 其形式 , 如 图 2所示 。运用 D — H齐

上 的偏心轴连接 , 圆盘转动则可使得足开始运动。若最外面 的两 次坐标变换矩 阵, 沿着路线 D _ 一 c _ D得出 D点的运动方 对足的输入相位一致 , 内部的两对 足输入相位一致 , 且 两种相 位 程 ( 式 1 ) 册 。 来稿 日期 : 2 0 1 2 — 1 1 - 0 4 基金项 目: 西南科技大学青 年基金项 目资助( 1 1 z x 3 1 4 9 ) 作者简 介: 祝小梅 , ( 1 9 8 9 一) , 女, 四川人 , 硕士生 , 主要研究方向 : 虚拟样机技术

勇, ( 1 9 6 2 一 ) , 男,  ̄ t ) J 1 人, 教授 , 主要研究方 向: 计算机仿 真

多足仿生步行机器人的机构设计与功能分析

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