基于部分柔顺的腿式机器人的研究

【摘要】：近年来,腿式机器人因其可以适应复杂多变的地形环境,逐渐成为研究的热门。目前腿式机器人大多数都是纯刚性的机构,其只能借助弹簧、扭簧、润滑剂等辅助件,实现减振、抗冲击、减少摩擦和磨损等性能。而柔顺机构是通过自身变形来实现运动、力和能量的传递与转换的。柔顺机构可以从结构设计上解决上述纯刚性腿式机器人的弊端。本文为了提高腿式机器人在减振、抗冲击、减少磨损等方面的性能,设计了接触辅助变刚度弯曲增强装置和柔顺机械足,并在此基础上参照人腿的运动原理和尺寸比例,设计了刚柔耦合的腿式机器人。论文完成的主要工作有:(1)以增强新型交叉簧片式柔性铰链在转动方向上的承载能力和抗冲击能力为背景,设计了接触辅助变刚度弯曲增强装置,并对该装置进行理论分析;通过对上述装置进行有限元仿真和实验测试,验证了理论分析结果的准确性。(2)基于接触辅助变刚度弯曲增强装置的变刚度原理,设计了一种应用于腿式机器人足端的柔顺机械足,并选择六杆七副腿式机构检验柔顺机械足的柔顺特性;运用ADAMS仿真软件对应用柔顺机械足的六杆七副机构进行振动测试,证实了柔顺机械足具有减振、抗冲击的性能;将应用柔顺机械足的六杆七副机构进行实物加工,并搭建实验平台进行实验,验证了柔顺机械足对环境的自适应性。(3)仿照人腿的运动原理和尺寸比例,并结合接触辅助变刚度弯曲增强装置与柔顺机械足的特性,设计了一款刚柔耦合的仿人行走机械腿;对仿人行走机械腿进行动力学分析,并基于Lagrange方程建立了机械腿的动力学模型;运用ADAMS仿真软件对仿人行走机械腿进行动力学仿真,在一定范围内证实了动力学模型的准确性;制作了仿人行走机械腿的样机,并搭建实验平台进行实验,证实了动力学模型的准确性。(4)基于仿人行走机械腿,设计了一款刚柔耦合的仿人行走腿式机器人;对仿人行走腿式机器人的整机结构、行走步态进行设计,并为其选择了合适的驱动方式、传动方式;运用ADAMS仿真软件对腿式机器人做了运动仿真和振动测试,仿真结果表明仿人行走腿式机器人不仅可以实现稳定的行走,而且具有一定的承载能力和良好的幅频特性。本论文研究工作的主要创新点如下:本文设计的接触辅助变刚度弯曲增强装置,可以增强柔性铰链在转动方向上的承载能力和抗冲击能力,其设计过程为柔顺弯曲装置的刚柔耦合设计提供了一种新的方法;本文设计的柔顺机械足从结构设计上,改善了腿式机器人的减振、抗冲击、对环境的自适应等性能;本文设计的仿人行走腿式机器人具有良好的动力学性能,并且实现了刚性机构与柔顺机构的耦合。