六足移动机器人的仿生机构设计与运动学分析_陈媛.docx

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1、分类号： TH11 _ 密级： _ UDC： _ 编号： 15-080200-16M 河北工业大学硕士学位论文 六足移动机器人的仿生机构设计与 运动学分析 论文作者： 陈媛 学生类另 IJ: 全日制 学科门类： 工学 学科专业： 机械工程 指导教师： 张明路 职 称： 教授 资助项目基金：河北省自然科学基金 （ E2014202154) 机器人技术与系统国家重点实验室开放研究项目 （ SKLRS-2013-ZD-04) Dissertation Submitted to Hebei University of Technology for The Master Degree of Mechin

2、ical Engineering BIONIC MECHANISM DESIGN AND KINEMATIC ANALYSIS OF HEXAPOD MOBILE ROBOT by Chen Yuan Supervisor: Prof. Zhang Ming Lu March 2015 This work supported by the Hebei Province Natural Science Foundation (E20142021 54) and Robotics and Systems National Key Laboratory Research Project (SKLRS

3、-2013-Z D-04) 原创性声明 本人郑 m声明：所 M交的学位论文，避本人在导师指导下，进行研究工作所収得 的成染。除文中己经注明引用的内界外，本学位论文不包含任何他人或集体己经发表 的作品内荇，也不包含木人为获得其他学位 Ifii使州过的材料。对木论 文所涉及的研宄 |二作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创蚀声 明的法捧货任由本人承担 学位论文作者签名 : 賺 2 li, 5 巧 关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有 权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文：学校有权提供本学位论

4、文全 文或者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据庳 进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的 印件和电子版。 (保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 飢 日期： 巧 日期 : 导师签名 加 li 1 河北工业大学硕士学位论文 摘 要 六足仿生机器人具有灵活性高、越障能力强的特点，相比轮式和履带式机器人可 以更好的适应复杂路面，在崎岖地形具有优越的通过性，使其在侦察、救援等诸多领 域存在广阔的应用前景。本文在河北省自然科学基金 （ E2014202154)和机器人技术 与系统国家重点实验室开放研宄项目 （ SKLRS-2013-

5、ZD-04)的支持下，重点针对六 足仿生机器人的结构开展了深入研宄。 主要创新性工作和成果如下： 1. 搭建了六足昆虫仿生观测实验平台，选取蚂蚁和甲虫等典型生物为观测对象， 研宄了不同六足纲昆虫结构及运动姿态的共性和特性，为六足仿生机器人结构设计 与运动控制奠定了基础。 2. 基于六足昆虫仿生观测实验数据，综合昆虫身体结构、行走机理和机器人足端 工作空间及整体稳定性等运动性能，设计优化了机器人的单腿和机体结构，完成关键 部件选型，构建了一种新型六足仿生机器人。 3. 针对设计的六足仿生机器人开展了运动学分析，建立了其串、并联机构的运动 学模型，采用虚拟样机技术检验运动学模型，并模拟了机器人姿态

6、调整和三角步态行 走，验证了运动学模型的正确性和驱动系统选型及设计的合理性。 4. 搭建了六足仿生机器人实验平台，针对机器人的整体协调能力和行走稳定性能 开展了单足、整机运动和三角步态行走实验，对比仿真分析结果，验证了六足仿生机 器人设计的合理性与理论分析的准确性。 关键词 ： 六足机器人；结构设计；仿生研宄；运动学分析； ADAMS仿真 I 六足移动机器人的仿生机构设计与运动学分析 ABSTRACT Hexapod bionic robot has the characteristics of high flexibility and strong obstacle ability.Comp

7、ared with wheeled tracked robots, hexapod bionic robot has stronger ability to adapt to complex terrain, which makes it in the rugged terrain has excellent passing ability. This kind of ability makes it a broad prospect in the areas of detection, rescue and so on. Supported by the Hebei Province Nat

8、ural Science Foundation (E2014202154) and Robotics and Systems National Key Laboratory Research Project (SKLRS-2013-ZD-04), the structure of hexapod bionic robot is carried out in-depth research. The main contents and innovative achievements are as follows: 1. An observation experiment platform for

9、hexapod insect is built, and hexapod insects, such as ants and beetles, is chosen as observation objects. In order to design the structure and movement control of hexapod bionic robots, commonness and characteristics in the structure and movement of several hexapod insects are researched. 2. Based o

10、n the hexapod insect experiment data, and body structure of insect, walk mechanism, work space of feet end and overall stability of hexapod bionic robot, the robots single leg and body structure are designed and optimized. Model selection of key parts are completed and a new kind of hexapod bionic r

11、obot is constructed. 3. Kinematics analysis of the hexapod bionic robot is carried out. The series and parallel mechanism kinematics model of hexapod bionic robot are established. With assistance of virtual prototype technology, the above kinematics model are verified, then posture adjustment and tr

12、ipod gait walking are both stimulated, and the correctness of dynamic modelsand and the practicality of driving system selection and design are verified. 4. An experiment platform for hexapod bionic robot is built. Aiming at the overall coordination ability and walking stability for the robot, exper

13、iments for single leg, overall movement and tripod gait walking are carried out. Compared with simulation analysis results, the above experiments verify the rationality of hexapod bionic robot design and correctness of theoretical analysis. KEYWORDS: hexapod robot structural design bionic research k

14、inematic analysis ADAMS simulation II 河北工业大学硕士学位论文 目 录 m w . I ABSTRACT . II 录 . III 第一章绪论 . 1 1.1课题背景及研宄目的 . 1 1. 2仿生机器人研宄现状 . 2 1.2. 1国外典型六足仿生机器人 . 3 1.2.2国内典型六足仿生机器人 . 7 1.3课题主要研宄内容 . 8 1. 4本章小结 . 9 第二章六足昆虫仿生观测实验 . 11 2. 1 引目 . 11 2.2六足昆虫仿生观测实验平台 . 11 2. 2. 1实验对象 . 11 2. 2. 2实验平台 . 12 2.3六足昆虫仿生实验

15、观测 . 13 2. 3. 1蚂蚁仿生实验观测 . 13 2. 3. 2甲虫仿生实验观测 . 17 2. 4本章小结 . 21 第三章六足仿生机器人机构研究 . 23 3. 1 引目 . 23 3.2六足仿生机器人整机分析 . 23 3. 3六足仿生机器人腿部结构分析与设计 . 25 3. 3. 1腿部结构设计 . 25 3. 3. 2腿部驱动分析 . 28 3. 3. 3腿部传感器选型 . 31 3. 3. 4腿部零件设计 . 32 3. 4六足仿生机器人机体设计 . 34 3. 5六足仿生机器人整机模型 . 35 3. 6本章小结 . 36 III _ 六足移动机器人的仿生机构设计与运动学

16、分析 _ 第四章六足仿生机器人运动学分析及仿真 . 37 4. 1弓丨胃 . 37 4. 2运动学分析 . 37 4. 2. 1摆动腿运动学 . 37 4. 2. 2支撑腿运动学 . 42 4. 3基于 ADMAS的仿真分析 . 44 4. 3. 1六足仿生机器人模型构建 . 44 4. 3. 2仿真模型的运动参数 . 45 4. 3. 3六足仿生机器人运动学仿真 . 45 4. 3. 4六足仿生机器人仿真 . 47 4. 4本章小结 . 52 第五章六足仿生机器人实验分析 . 53 5. 1 引 g . 53 5. 2实验平台介绍 . 53 5. 2. 1实验样机 . 53 5. 2. 2六

17、足仿生机器人控制系统 . 54 5. 3六足仿生机器人样机实验 . 55 5. 3. 1单腿摆动实验 . 55 5. 3. 2整机运动实验 . 56 5. 3. 3三角步态行走实验 . 56 5. 4本章小结 . 57 第六章结论与展望 . 59 6. 1课题结论 . 59 6. 2研究展望 . 59 . 61 & i射 . 65 IV 河北工业大学硕士学位论文 第 一 章 绪 论 1.1课题背景及研究目的 移动机器人是一种融合了机械工程、传感技术、控制理论、计算机技术、电子信 息技术等多个学科的产物，作为一种特种机器人可以通过多种内、外部传感器感知外 界环境和自身关节速度、位置姿态等参数，自

18、主或半自主的完成一些任务 1_3。目前 移动机器人已经在航空、军事战争、地震抢险、核电工业等危险环境或是人类无法到 达的区域完成信息采集、救援、设备检测修复等工作 4_7，为人类可以克服恶劣的自然 条件和科技的发展革新提供了强大的技术支持，对自身发展和科学研宄都有着深远的 意义和庞 大的社会效益和经济利益。 科技的不断进步和机器人技术的日益成熟，其使用领域的逐渐拓展、开发，令移 动机器人可以更加灵活广泛的应用于多种工作环境，完成更复杂的工作任务。人们希 望未来的移动机器人不仅可以在已知的结构化环境中迅速、准确的完成任务，也可以 在未知的，非结构化的环境中完成人们提出的工作要求。这就需要移动机器

19、人应有自 主判断的能力；移动灵活，行走稳定；良好的地面通过能力，可以适应沟壑、洼地、 楼梯等多种地形特征 8。 移动机器人一般可以分为轮式机器人、履带式机器人 127 式机器人，它们都有各自的优、缺点 91 。当轮式机器人的车轮半径大于地面不 平度时，机体能够实现快速的移动，具有效率高，噪声低的优点，但这种机器人对于 地质松软、崎岖的地形通过性较差；且转弯效率较低。履带式机器人可以完成原地转 向，地形适应能力较强，在松软地面移动时两块履带与地面接触，运动平稳，能够产 生强劲的推动力；但履带机器人在崎岖的山路、废墟中运动会出现机体晃动不稳的现 象，在上述环境中履带式机器人机动性能仍然很差；运动速

20、度低，噪声大。未来机器 人将更多的应用在地形复杂的环境中，足式机器人具有很 强的环境适应性和运动灵活 性，可以满足未来机器人的要求。这类机器人具有以下几个特点： (1) 采用足式行走方式的机器人可以更好的适应外部复杂多变的环境，这是由 于该种机器人的支撑点为一系列离散点，移动时只需要腿部末端与地面点接触，对复 杂地形适应能力好，可以轻松的跨越一些大型障碍物（石块、坑洼等）以及沼泽、泥 潭等恶劣地形，能够选择更为平整的区域作为腿部的落足点；在一条或者多条腿损坏 六足移动机器人的仿生机构设计与运动学分析 时也可正常运动，保证继续完成工作。 (2) 腿部具有多 个关节，将相对独立的连杆连接在一起，多

21、个自由度可以显著 提高机器人运动灵活性，并通过控制各个关节的摆角调整腿部姿态和机体重心，达到 机器人稳定的目的，不易发生侧翻。 (3) 足式机器人的机体和地面是分离的，使得机器人运动系统具有主动减震效 果，允许机体的运动轨迹和足端轨迹解耦。机器人不管路面情况复杂程度和腿部支撑 点位置均可以保持机体稳定移动。 足式机器人的足数越多，其保持运动稳定的能力越好。四足以上即可满足机器人 行走过程中腿部摆动，其余腿支撑时机体保持平衡；而七足以上机器人会过于饱和， 产生多余的浪费。因此本课题在河北省自然科学基金 （ E2014202154)和机器人技术 与系统国家重点实验室开放研宄项目 （ SKLRS-2

22、013-ZD-04)的支持下，设计一个具 有良好越障能力，适应复杂地形的六足仿生机器人。通过对昆虫结构测量和行为观测 认识生物的运动机理；在此基础上完成六足仿生机器人腿部和机体部分结构设计，并 对其进行运动学分析及仿真；最后进行试验样机的测试。 1.2仿生机器人研究现状 仿生学是 20世纪 60年代出现的一门新学科，主要涉及生物结构和行为特性，是 工程技术和生命科学相互影响，相互 渗入的产物，在雷达、导弹制导、复合材料等诸 多领域都已经取得了非凡的成绩 11_14。 自然世界中存在的各种生物数目众多、类别繁杂，其中节肢动物所比例最高，是 动物物种的 84%，这类生物躯体两边对称，主要有头部、胸

23、部、腹部三个部分。它们 经过自然淘汰与竞争和为了适应环境的长期进化，对外部世界已经产生了很强的适应 性，具有复杂、精巧、稳定及高效的肢体结构，以及异常灵活的移动方式，可以容易 的通过沟壑、洼地等各种复杂的自然地形，甚至可以在光滑的物体表面上行走。同时 在运动姿态调节、方位辨认和外界信息辨析与处理 等方面也表现出了高度的合理性。 因此生物自身各方面的优越性充分吸引了人们对其的关注，日益成为人类创新和革新 技术与设备的重要参照物。而仿生机器人便是机器人与仿生学原理很好结合下的产物， 机器人方面的专家曾在 IEEE机器人学与仿生国际会议指出：仿照生物的结构特点和 运动机理，模仿动物行为特点的仿生机器

24、人可能会替代现有机器人，引领机器人未来 的前进方向。 因此将昆虫行走姿态和结构特征与机器人的机构研宄相结合，研发出具有高效行 走能力的仿生移动机器人 1516。使机器人满足在路况好的地面快速移动，达到较高的 速度，同时又可以在复杂、崎岖的路面条件下具有良好的通过性能，保证机器人移动 2 河北工业大学硕士学位论文 时具有的灵活、稳定的特点。因此将仿生机理与足式机器人相结合，观察蚂蚁、甲虫 等典型的六足昆虫的身体构成、各部比例、运动形态，了解其在不同地面环境时的运 动成因 17，再通过六足仿生机器人的机构研宄和结构优化去实现。 从古至今自然界的生物都是人们技术创新和创新突破的一个思想源泉。三国时期

25、 蜀国丞相诸葛亮创造的木牛流马可以算作最早的多足仿生机器人。二十世纪八十年代 美国 MIT开发了一系列能够实现动物行走运动的机器人，随后很多国家重点大学、实 验室都在开展仿生机器人的相关研宄，从此进入了仿生机器人繁荣发展的新时期。六 足仿生机器人的模仿对象主要集中在蚂蚁、蟑螂、甲虫等具有典型特征的六足昆虫上， 研宄重点主要是机器人结构设计、步态规划和控制等几个方面。下面介绍几个性能优 越的仿生六足机器人。 1.2. 1国外典型六足仿生机器人 Attila和 Hannibal (如图 1.1)是九十年代早起由 Mobot实验室研 制的第一款用于 自主星球探测的六足机器人，二者结构相同，仅颜色不同

26、， Attila为金色和 Hannibal 为红色。机器人结构上采取模块化设计，每个部分都是一个配备了驱动器和传感器的 独立部分，腿部仿照昆虫结构多支路形式，使得机器人即使有腿部失效，依然可以保 持正常移动，六条腿共有 18个自由度，每条腿三个自由度，机长约 35cm， 质量 2.8kg， 装有超过 60个传感器，为机体提供外部环境信息，当数据出现损坏或是遗失时，系 统能够自动将数据恢复到出错前状态 1819。 图 1.1 机器人 Attila 和 Hannibal 随着人类的开发进程逐步伸向海洋领域，水陆两栖多足机器人的研究就渐渐成为 人们关注的热点，尤其是将螃蟹的生理特征与机器人相结合的水

27、陆两栖机器人更是其 中焦点。美国 iRobot公司在 DARPA和海军研究所资助下于 1996年推出了一款用于 侦查、排除地面或水下地雷的机器人 ArielM(如图 1.2)。 Ariel体长 56cm， 质量约为 10.4kg。 该款机器人每足有两个关节，共 2个自由度，髋关节活动范围 90 ，膝关节 3 六足移动机器人的仿生机构设计与运动学分析 活动范围 135 ，类似于螃蟹的腿能够使机器人更容易跨过障碍和保持站立姿态，但 仅能在一个方向移动，控制算法简单，活动灵活，反应灵敏，即使在水中被打倒依然 可以保持平衡继续移动，控制器及线 路等电子设备被放在封闭、抗冲击的空腔中，具 有较好的防水性

28、能，机体配有多个传感器，可以感知自身情况，系统配有自适应程序， 可以对外界环境改变做出迅速有效的反应。 图 1.2机器人 Ariel 图 1.3 机器人 Hamlet 新西兰 Canterbury大学机械工程学院于 2000年研发的仿竹节虫机器人 Hamlet(如 图 1.3)，这款机器人外形尺寸是 650mmx500mmx400mm， 质量约 12.7kg， 每条腿 3 个自由度，关节通过小型 Maxon伺服电机驱动，伞齿轮减速箱输出扭矩，腿部末端外 部包裹有碳纤维材料，在与地面接触时起到保护作用，并在足端配有框架应变结构的 力传感器，硬件部分通过 TMS320C44芯片的板卡对传感器和驱动

29、信号进行控制运算， 可以在复杂路况下保持较快的速度，且具有优越的越障功能 21。 图 1.4 Robot II机器人和 Robot V机器人 同样模仿竹节虫设计的六足机器人还有由凯斯西储大学研制的 Robotll (如图 1.4 左），外形尺寸约为 500mmx500mmx250mm， 机体的低重心提高了整体稳定性，腿 部依照竹节虫足部设计，具有三个独立旋转自由度和一个线性被动柔顺自由度，配有 4 河北工业大学硕士学位论文 角度传感器和力矩传感器，采用分布式控制系统，关节由直流电机驱动，通过局部控 制器协调各个关节，简化了控制难度 2223。 Robot V (如图 1.4右）是参照蟑螂设计

30、的六足机器人，胫节装有应变片，可以提供力矩信息。 图 1.5 机器人 X-RHex Lite X-RHex Lite (如图 1.5)是美国宾夕法尼亚大学根据蟑螂快速行走方式研发的一 款可以行走、跳跃的六足机器人，机体身长 51cm， 高度 20cm， 体重 6.7kg， 机体配 有六条弹性的腿，腿部为弧形结构，仅有一个自由度，通过位于髋关节电机驱动，图 1.5右侧为机器人跳起跨越障碍物图像，该机器人移动速度很快，运动灵活，通过简 单的控制即可适应不同类型的地面，遇到障碍物能够跃升跳起或是从两个前足勾住大 型物体的边缘进行翻越 24。 NASA为了帮助宇航员检修太空设备，研发了一款六足机器人

31、Lemur(如图 1.6)， 为了提高机器人的柔韧性、稳定性，腿部结构参照螃蟹设计的，具有四个自由度，且 六条腿均可以作为机械手操作，配有力传感器，机身体积较小，运动灵活，图 1.6右 侧为 机器人按比例放大的 Lemur Ila在望远镜模型上工作场景 25。 图 1.6机器人 Lemur 日本大阪大学于 05年设计了一款仿蜘蛛六足机器人 “ Asterisk” （如图 1.7)，该机 5 六足移动机器人的仿生机构设计与运动学分析 器人外形尺寸为 820mmx820mmx250mm， 质量 2.8kg， 机体为多边形结构，六足均 匀分布，每足四个关节，采用舵机驱动，末端装有力传感器，可以通过

32、CCD相机获 取外界环境信息完成路径规划，具有良好适应地形的能力，同时六足还具备手的功能， 可以抓取物体（如图 1.8)，甚至能够实现在天花板移动，该机器人主要用于灾害时搜 寻伤员和检查隧道顶部等工作 2627。 图 1.7机器人 Asterisk 图 1.8机器人抓取物体 Lauron IV是由德国卡尔斯鲁厄大学于 2004年研发成功的一款六足机器人（如图 1.9)，该款机器人是自 94年开发的 Lauron系列的第四代，外形尺寸 700mx600mmx 500mm， 机身采用轻量碳纤维材料，重 27kg， 每足三个转动关节，胫节部分配备力传 感器检测足端受力，机器人选用镍氢蓄电池为机体供电

33、，续航能力长达 60分钟，最 高行驶速度 .22m/s。 采用基于行为的控制系统，即使在极端条件下也具有良好的稳 定性，主要用于危险环境探测和灾后搜救等领域 2829。 图 1.9 机器人 Lauron IV 图 1.10 机器人 DLR-Crawler DLR-Crawler(如图 1.10)是德国宇航局开发的一个用于外星探测的小型六足机器 人，质量仅为 3kg， 腿部构型类似手指 结构，以减小尺寸，单足有四个自由度，各关 节通过无刷直流电机驱动，配有力传感器、角度传感器等多种传感器，头部装有 2个 6 河北工业大学硕士学位论文 摄像头捕捉外部信息，保证机器人的稳定移动 3 。 1.2.2国

34、内典型六足仿生机器人 华中科技大学研发了 “4+2” 仿生机器人（如图 1.11)，外形尺寸 1240mmx920mm x550mm，每条腿具有三个旋转自由度和一个球铰，大腿与髋关节采用齿轮传动，小 腿为线轮传动，采用分层式控制思想模式完成多个关节连动控制，上层为计算机，下 层为 PCL-832运动控制卡3132。 图 1.11 “4+2” 多足步行机器人 图 1.12 机器人 Mini Quad I Mini QuadI模块化可重构步行机器人（如图 1.12)同样是由华中科技大学设计完 成的，机器人腿部结构参照了螃蟹各足比例长度，并引入模块化设计理念，不仅运动 灵活，还可以调节自身结构，能够

35、增加或拆卸功能模块，每足三个转动关节，通过伺 服电机驱动，由微处理器、 CAN通信和 PC通信三大模块构成，采用 LPC2292作为 控制核心 33。 图 1.13 机器人 HIT-Spider 图 1.14仿弓背蚁机器人 哈尔滨工业大学开发的六足移动机器人 HIT-Spider (如图 1.13)以竹节虫为生物 原型，机体大部分质量位于躯干部分，从而提高腿部运动 刚度，减小转动惯量，该机 7 六足移动机器人的仿生机构设计与运动学分析 器人外形尺寸 260mmx 155mm， 机体设计为椭圆形，不仅提高行走稳定性还能减少腿 部干涉，腿部结构以复合四杆作为其传动机构， 3个关节通过舵机驱动，降低

36、机器人 整体质量，配有压力和红外测距传感器等，采用 ARM芯片 LPC2294作为控制器系统， FPGA芯片为协控制器 3435。 北京理工大学仿照日本弓背蚁设计一款侦查、探测仿生六足机器（如图 1.14)， 每条腿具有三个转动自由度，关节通过三相直流无刷电机驱动，针对六足机器人应用 环境，提出了一种根据分层递阶控制理论设计的控制系统，将相同相腿部关节参数设 为同步发出指令，这样就可以保证同步、协调的 “ 三角步态 ” ，并对采集到的传感器 信号运用小脑模型神经网络，对关节控制实现机体移动，机器人配有压力、超声波和 红外线等多种传感器，通过超声波和红外线传感器复合阵列完成实时避障 36。 图

37、1.15南京林业大学机器人 南京林业大学在观察甲虫的结构特点和运动性能的基础上开展了有关仿甲虫六 足机器人的探宄，该款机器人的机体是对称的八边形设计，六足均匀对称分布在身体 两侧，仿生甲虫机器人结构件采用高强度的铝合金材料，腿部和关节之间的连接件由 高强度塑料制成，这种设计能够较好的减轻整体的质量，便于机器人有效的移动，机 体尺寸 214mmxl40mmx60mm， 两中足足端间距为 400mm， 前足和后足两足端间距 均为 320mm， 质量为 1.86kg， 样机如图1.15所示，该款机器人主要用于灾难救援以 及巡检等工作 3738。 1.3课题主要研究内容 以蚂蚁和甲虫作为六足昆虫仿生观测实验的研究对象，通过对其躯干和腿部各节 相关部位的结构、尺寸、几何比例以及生物学特性的研宄，完成机器人机构设计，并 通过 ADAMS对机构进行建模与仿真，设计一种可以实现在复杂环境中实现灵活的移 动，具有较好的承载能力的六足仿生机器人。主要内容涵盖机构研宄、运动学分析、 8 _ 河北工业大学硕士学位论文 _ 仿真和样机实验等几个部分，具体如下： (1) 综述了国内外六足仿生机器人的研宄现状和仿生研宄的发展，介绍本文研 究的主要内容。 (2) 选择蚂蚁和