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多足步行机构的运动规划及仿真研究

季亚超  
【摘要】:多足步行机构和轮式、履带式的移动方式相比较,能更好地适应复杂的非结构环境,因此得到众多学者的关注和研究。在智能化的趋势下,目前大部分步行机构的结构和控制比较复杂,并没有得到广泛的应用。本文设计了一种步行机构,结构简单易控制,效率高且功耗小,通过对该机构的仿真、运动学分析和动力学分析,为该步行机构的设计和进一步开发研究提供了一定的理论依据。主要工作和结果如下: (1)通过对已有步行机构类型的比较,设计了一种结构简单、易于控制的步行机构。该机构基本符合预期要求,但存在一些缺陷,因此在该机构基础上提出了两种改进方案,用Pro/E软件对两个方案的零件进行了三维实体造型,并对腿部机构组件进行了运动仿真,验证了方案能实现步行的基本要求;利用仿真结果得出两种方案的足端运动曲线,从合理性、可操作性等方面进行比较,确定了最终方案,并建立了该方案的整机三维造型。 (2)对单腿方案分别在抬起和落地两种状态时进行了正运动学分析,用非线性方程组表示出在运动过程中各节点的位置,并借助仿真结果得出了杆件之间角度、角速度和角加速度随时间的变化曲线,随后进行了逆运动学分析;根据分析结果预测了机构可能存在的问题,并提出了相应的解决方案。 (3)通过建立参考坐标、机身坐标和各腿部机构坐标对六足步行机构整机进行运动学计算,建立了机体位姿和驱动角度之间的关系;确定了步行机构的行走步态,得出各项行走步态参数,并对该步态下的步行机构进行了静态稳定性分析。 (4)把步行机构的三维实体造型导入ADAMS软件中,搭建了步行机构的虚拟样机模型,利用ADAMS软件强大的多体动力学计算功能,对步行机构在实际行走过程中的受力情况进行模拟分析,得出更逼真的行走曲线和所需的驱动力矩。 (5)制作了六足步行机构的试验样机,对静态的实物样机进行了简单的观察和测量,并在空载状态和负载状态下运行了试验样机,验证了实物样机符合设计要求,能完成预期行走动作;对初步试验结果进行分析,为进一步研究和改进提供参考。


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