【毕业学位论文】可翻滚四足机器人结构设计及其运动规划研究

分类号 校 代 码 10495 号 0915113003武汉纺织大 学硕士学位论硕士学位论硕士学位论硕士学位论文文文文可翻滚四足机器人结构设计及其运动规划研究可翻滚四足机器人结构设计及其运动规划研究可翻滚四足机器人结构设计及其运动规划研究可翻滚四足机器人结构设计及其运动规划研究作者姓名：作者姓名：作者姓名：作者姓名：王玉金王玉金王玉金王玉金指导教师：指导教师：指导教师：指导教师：余联庆余联庆余联庆余联庆副教授副教授副教授副教授学科门类：学科门类：学科门类：学科门类：工学工学工学工学专专专专业：业：业：业：机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程研究方向：研究方向：研究方向：研究方向：机器人轨迹规划机器人轨迹规划机器人轨迹规划机器人轨迹规划完成日期：完成日期：完成日期：完成日期：二零一二年四月二零一二年四月二零一二年四月二零一二年四月E. 明 ： 所呈交的 学位论文 ， 是本人在 导师的指导下 ， 独立进行 研究工作所取得 的成果 。除文中 已经注明引用的 内容外，本论文 不包含任何其他 个人或集体已经 发表或撰写过的 作品成果。对本文 的研究作出重要 贡献的个人和集 体，均已在文中 以明确方式标明 。本人完全意识 到本声明的法律结果 由本人承担。学位论文 作者签名： 签字日期 ： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论 文作者完全了解武汉纺织大学武汉纺织大学武汉纺织大学武汉纺织大学有关保留 、 使用学位 论文的规定 。 特授权武汉纺织大武汉纺织大武汉纺织大武汉纺织大学学学学可以将学 位论文的全部或 部分内容编入有 关数据库进行检 索 ， 并采用影 印 、 缩印或扫 描等复制手段保存、 汇编以供查阅和 借阅。同意学校 向国家有关部门 或机构送交论文 的复印件和磁盘 。（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： 导师签名 ：签字日期 ： 年 月 日 签字日期 ： 年 月 日论文题目：可翻滚四足机器人结构设计及其运动规划研究 专 业：机械电子工程硕 士 生：王玉金指导老师：余联庆摘要： 移动 机器人 是科学 技术进 步的产 物 ， 它 代表 了 机电 一体化 的最高 成就 ， 是目 前科学技术 发展最 活跃的 领域之 一 。 移动 机构决 定了移 动机器 人的综 合移动 性能 ， 是移 动机器人能 够在工 作环境 中实现 快捷 、 平稳 、 精确 、 高效 移动的 关键 。 随着 移动机 器人所 担负任务 要求的 不断提 高，作 业环境 往往 是平 坦与崎 岖共存 的多重 特征任 务环境 。 于是 ， 兼具几 种运动 方式的 移动机 构正成 为研究 的热点 ， 而 用一 套机构 实现两 种运动 方式是 一条有效 途径。 本文 在总结 国内外 最新研 究成果 的基础 上 ， 从形 体仿生 角度出 发 ， 提出 了一种 可翻滚四 足机器 人 ， 该四 足机器 人具有 两种运 动模式 ： 步行 模式和 翻滚模 式 ， 且两 种模式 之间可 实现自 主互换 ， 以达 到利用 一套机 构实现 两种运 动方式 的目的 。 可翻 滚四足 机器人可利 用肢体 变形由 步行模 式自动 过渡到 闭链翻 滚模式 ， 在翻 滚模式 中 ， 通过 调整机 构位形， 由质心 偏置形 成的重 力矩来 驱动机 构翻滚 。首先 ， 基于 对称性 理论 ， 将弓 形杆件 和球冠 结构引 入四足 机器人 中 ， 对可 翻滚四 足机器 人进行 了结构 设计。 可翻滚 四足机 器人四 肢由弓 形杆件 组成， 机体采 用球冠 外形 ，且弓 形杆件 和球冠 机体具 有相同 的曲率 ； 髋关 节含有 两个自 由度 、 膝关 节和踝 关节各 含有一 个自由 度；根 据旋转 对称原 则设计 肢体的 结构参 数和质 心分布 。其次 ， 在由 站立姿 态向翻 滚模式 过渡过 程中 ， 将四 足机器 人简化 为平面 六连杆 机构 ，建立 了过渡 过程的 机器人 质心运 动学模 型 。 提出 了过渡 过程质 心移动 策略 ， 采用 惩罚函数法 ， 优化 了过渡 终止时 刻机器 人的位 形 。 针对 过渡运 动学方 程的非 线性特 性 ， 并根 据能耗 最小的 原则， 采用最 小二乘 法进行 关节运 动轨迹 规划。再次 ，将可 翻滚四 足机器 人在平 坦路面 的翻滚 模型简 化为闭 链弓形 五连杆 机构 ， 采用分 段函数 ， 推导 了一个 翻滚周 期的运 动学约 束方程 、 质心 运动轨 迹方程 、 以及 质心运动的 速度和 加速度 方程。 最后 ， 在总 结现有 翻滚机 构轨迹 规划的 不足基 础上 ， 提出 了可翻 滚四足 机器人 在满足运 动平稳 性、关 节连续 性条件 下的恒 质心偏 距关节 轨迹规 划策略 ，并根 据此策 略 ， 进行了 一个翻 滚周期 的关节 轨迹规 划 。 规划 的结果 验证了 该轨迹 规划策 略的正 确性和 合理性， 同时也 表明了 可翻滚 四足机 器人在 结构上 的优越 性。关键 词： 弓形 五连杆 ； 闭链 翻滚 ； 四足 机器人 ； 运动 规划 ； 恒质 心偏距 翻滚研究 类型： 应用 研究： Q ：of It of m of m m m m m of m m m m e of is m of at e m is m bs e m bs m m is m ut is to um of is m m of of m of sm m of K m 1绪论 .移动 机器人 概述 .国内 外移动 机器人 的研究 动态 .足复 合式移 动机构 .器人 .本文 研究的 意义与 工作内 容 .四足 机器人 结构设 计与系 统组成 .设计 思路 .可翻 滚四足 机器人 结构设 计 .构模 型 .髋关 节设计 .设计 .结构 参数与 配重 .可翻 滚四足 机器人 系统组 成 .统 .系统 .本章 小结 .翻滚 过渡运 动学分 析 .站立 渡模 型 .站立 渡规 划 .刻位 形优化 .迹规 划 .本章 小结 .滚运 动学分 析 .闭链 翻滚模 型 .闭链 翻滚运 动学分 析 .触地 .触地 .触地 .触地 .触地 .转动 惯量分 析 .本章 小结 .偏距 的翻滚 过程关 节轨迹 规划 .轨迹 规划原 则 .现有 的翻滚 机构轨 迹规划 研究 .平稳 连续翻 滚运动 的约束 条件 .翻滚 机构模 型 .滚条 件下的 临界点 模型 .稳性 和关节 连续性 同时满 足的条 件 .恒质 心偏距 关节轨 迹规划 .本章 小结 .展望 .主要 工作总 结 .可翻 滚四足 机器人 的研究 展望 .献 .移动机器人概述移动 机器人 是科学 技术进 步的产 物 ， 更是 人类无 限幻想 和智慧 的结晶 。 移动 机器人是 集环 境感知 、 动态 决策与 规划 、 行为 控制与 执行等 多功能 于一体 的综合 系统 。 它集 中了传 感器技 术 、 信息 处理 、 电子 工程 、 计算 机工程 、 自动 化控制 工程以 及人工 智能等 多学科 的研究 成果 ， 代表 机电一 体化的 最高成 就 ， 是目 前科学 技术发 展最活 跃的领 域之一 。随着 机器人 性能不 断地完 善 ， 移动 机器人 的应用 范围大 为扩展 。 目前 ， 移动 机器人已广 泛应用 于星际 探测 、 消防 救险 、 军事 反恐 、 农业 生产等 关系到 国民经 济和国 防建设的重 要行业 。 随着 作业功 能的不 断开发 ， 移动 机器人 在军事 、 生产 、 生活 以及科 学研究中还 有着许 多潜在 的应用 前景 1 广阔 的市场 需求使 移动机 器人的 发展获 得了源 源不断的强 大动力 ，也是 与其相 关的若 干关键 技术不 断取得 进步的 根源所 在。 移动 机器人 由传 感 系统 、 控制 系统以 及 移动 载体 所组 成 。 移动 机构决 定了移 动机器人的 综合移 动性能 ， 是移 动机器 人能够 在工作 环境中 实现快 捷 、 平稳 、 精确 、 高效 移动的关 键 。 三种 传统的 移动机 构 （ 轮式 、 足式 和履带 式 ） 在本 体结构 的复杂 程度 、 移动 效率的 高低以 及控制 的难易 程度等 方面都 存在较 大差别 ，环境 适应能 力上也 各有所 长 。 随着移 动机器 人所担 负任务 要求的 不断提 高 ， 作业 环境往 往并不 局限于 单一特 征 ， 例如 城市建 筑平坦 路面和 楼梯台 阶共存 ； 又或 者会应 用于未 知特征 环境执 行任务 ， 例如 火星表面 。 这种 情况下 ， 单一 运动方 式的移 动机构 将不再 满足多 重特征 环境的 任务需 求 。 于是 ，兼具 几种运 动方式 的移动 机构正 成为研 究的热 点。动机器人的 足复合式移动机构足式 移动轨 迹为不 连续的 分散点 ，适用 于不规 则地形 ，具有 较强的 环境适 应能力 ；通过 调节腿 机构的 伸展程 度来调 整重心 的位置 ，使之 不易倾 覆，稳 定性较 好。然 而 ， 足式移 动具有 控制复 杂 、 移动 速度慢 和能效 低等缺 点 ， 从而 导致足 式机器 人的广 泛应用 受到限 制 7。为 了进一 步拓展 足式机 器人的 应用空 间，需 要对单 一的足 式移动 方式加 以改进 。 国内 外研究 人员普 遍采用 了加入 滚动元 件的方 法来改 进足式 机构的 移动性 能 ， 陆续出现 了轮 履 及轮 履式 等混合 式移动 机构。 轮 式移 动机构 在功1绪论2能上 大都相 近，但 在结构 上千差 万别。 综合它 们的结 构特点 ，大体 可以划 分为两 类 8：第一 类从结 构上来 看就是 将 “ 轮 ” 安装 在 “ 腿 ” 的末 端 ， 轮和 腿成串 联结构 ， 是比 较常见一 类 ； 第二 类从结 构上来 看 “ 轮 ” 和 “ 腿 ” 完全 分离 ， 移动 中两者 或同时 发挥作 用以混合 式移动 ，或采 用单一 方式移 动。（ 1）第 一类， 轮腿串 联式哈尔 滨工业 大学研 制的轮 式移 动机器 人 图 9。移 动系统 由 四套 轮 合式 移 动 机 构 组成 ， 每 套 移 动机 构 四 个 自 由度 ， 车 轮 独 立驱 动 ， 腿 关节三 个自由 度 ， 可实 现轮式 或腿式 移动 。 轮式 移动时 ， 腿上 各关节 锁定 ， 由车 轮独立 驱动 ； 腿式 移动时 ， 轮上 驱动锁 定 。 上海 交通大 学研制 了一种 由两个 机器人 单元组 成的管道 形 、 轮 月 球探 测 机 器 人 （ ， 每 个 单元 含 有 6条 可 独 立运 动 的 轮 1个探 测球 10,11。 此外 ， 南京 航空航 天大学 12、 西北 工业大 学 13,14、 北京 航空航 天大学 15、中科 院沈阳 自动化 所机器 人学国 家重点 实验室 16、 东南 大学 17等国 内研究 院所也 做过类似 的研 究 和开 发 。日 本 东京 工 业大 学 设计 了 一种 轮 合 式 移动 平 台 18， 它采 用 了两个主 动滑动 副和两 个具有 自锁功 能的被 动转动 副 ； 位于 车体中 心的扭 转副则 可以保 证四轮始 终着地 ， 以获 得持续 的驱动 力 ， 并保 持车体 平衡 。 此前 ， 他们 还研制 了另一 种四足轮 式移 动机器 人 9， 如图 日本 产业技 术综合 研究所 研制了 一种 轮 合 式 移动 平 台 它的 两 条前 腿 各有 三 个自 由 度， 末 端为 可 锁定的 被动轮 ， 而两 条后腿 只有一 个自由 度 ， 末端 安装的 独立驱 动的主 动轮 ； 可以 实现轮式 、 混 合式 和 爬 台 阶 三种 运 动 模 式 20。 美 国 室 开发 了 一 种 六 足轮 腿混 合的 行 星探 测 移动 平 台 如图 21。 该机 器 人 既 利用 了 多足 的 全地形能 力，又 采用了 轮式系 统来补 偿多足 系统的 高能量 消耗， 具有 很强的 越障能 力 。图 2）第 二类， 轮腿分 离式意大 利卡塔 尼亚大 学研制 了一种 名为 腿机 器人， 如图 2。 该机器 人无论 外观还 是原理 上都类 似于人 拉两轮 车 ， 它的 移动系 统由两 条腿和 两个车 轮组成 ， 每条 腿有三 个自由 度 ， 两个 车轮分 别由一 台直流 电机驱 动 。 这种 结构可 以充分 发挥轮式 承载能 力大的 特点 ， 载荷 主要由 轮式机 构承受 ， 腿式 机构增 大了路 面附着 力 ， 可用于越 障 。 日本 千叶工 业大学 近来研 制了 ， 如图 23。 车体 两侧有1绪论3两 个 巨大 的 中 心 轮 ，车 体 前 后 两 端各 有 两 条 腿 ，车 轮 用 于 承 受重 量 ， 采 用 被动 式 轮 态运 动控制 ， 可以 顺利通 过复杂 地形 。 日本 新泻大 学最近 研制了 ，如 图 24。图 轮 合式 移 动 机 器 人虽 然 在 结 构 形式 上 存 在 差 别， 但 都 在 功 能层 面 实 现 了步行 和滚动 方式的 结合 ， 能够 弥补足 式机器 人移动 慢 、 效率 低的缺 点 ， 从而 获得较 高的综 合 性能 。 然 而 ， 从结 构 上 来 看 ，大 多 数 轮 合移 动 机 构 的 轮、 腿 是 完 全 独立 的 ，需要 增加转 换或调 整机构 ， 以实 现两种 移动方 式之间 的转换 。 随之 而来的 是驱动 器的增加和 布线问 题，从 而导致 控制系 统更加 复杂， 控制算 法难度 增大， 可靠性 降低。 而且 ，当系 统以单 一方式 移动时 ， 另一 种移动 机构完 全冗余 ， 成为 负载 ， 影响 系统的 动态性 能 。针 对 上述 两 类 轮 合式 移 动 机 器 人仅 在 功 能 上 实现 了 轮 足 移 动功 能 的 融 合 而在结构 上未能 实现的 这一矛 盾 ， 国防 科技大 学潘存 云教授 在国家 自然科 学基资 助的资 助下提出 了一 种基 于球 齿轮 机构 的新 型轮 式 移动 平台 ，如 图 8,25。该 研究 将传 统双 十字 万向 节机 构进 行改 进， 用球 齿轮 代替 输入 轴和 输出 轴， 其结 构模 型如 图 该新 型关节 具有三 个自由 度，其 中两个 自由度 用来实 现输出 轴全方 位的偏 摆 ， 另外一 个自由 度用来 提供输 出轴在 任意偏 摆方位 上的自 旋 。 全方 位的偏 摆运动 使得该 机构具有 仿生物 肢体运 动特征 ，连续 自旋转 动则正 是轮式 移动所 必需的 。该 复 合式 移 动 平 台 无需 转 换 装 置 即可 用 实 现 滚 动和 步 行 ， 在 结构 上 可 实 现 轮 真正 融合 , 达到 “ 轮 ” “ 腿 ” 合一 的目的 ， 用一 套机构 实现了 两种运 动方式 ， 降低 了系统结构 的复杂 性。图 腿复合移 动平台及其滚动 、步行模式 图 合关节该 机构 在 功能 和 结构 上 都实 现 了 “ 轮 ” “ 足 ” 融 合， 然 而， 正 如该 课 题组 指 出， 由于结 构的限 制 ， 该机 构的运 动空间 有限 ， 使其 步行运 动的灵 活性受 到限制 ， 还需 要进行进一 步的优 化。器人 的研究 领域已 经从结 构环境 的定点 作业中 走出来 ， 向航 空航天 、 星际 探索 、 军事 侦察攻 击 、 水下 地下管 道 、 疾病 检查治 疗 、 抢险 救灾等 非结构 环境下 的自主 作业方 向发展 。 人们 要求机 器人不 仅要适 应原来 结构化 的 、 已知 的环境 ， 更要 适应未 来发展的 非结构 化 、 未知 的环境 。 为适 应机器 人的未 来需求 ， 研究 工作者 把目光 对准了 生物界 ， 力求 从丰富 多彩的 自然界 获得灵 感 ， 将它 们的运 动机理 和行为 方式运 用到机 器人运动机 理和控 制的研 究中 。 仿生 机器人 就是模 仿自然 界中生 物的外 部形状 、 运动 原理和 行为方 式等的 机器人 系统 。 仿生 机器人 作为机 器人领 域的一 大分支 ， 是当 前机器 人领域 的一大 热点 。 仿生 学是 20世纪 60年代 出现的 一门综 合性边 缘学科 ， 它由 生命科 学与工 程技术 相互渗 透 、 相互 结合而 成 。 仿生 学将有 关生物 学原理 应用到 工程系 统的研 究与设 计中， 对当今 日益发 展的机 器人科 学起到 了巨大 的推动 作用。仿生 学研究 表明 ， 自然 界中存 在着许 多以肢 体作为 滚动体 的运动 方式 。 比如 ， 北美和澳 洲沙漠 地区的 风滚草 以及南 非沙漠 的纳米 比金轮 蛛可完 成被动 翻滚运 动 ； 而生 活在水下 洞穴中 的螳螂 虾在被 冲到沙 滩无法 走回水 中的情 况下 ， 能够 依靠连 续的主 动后滚 翻回到 水中洞 穴 。 刺猬 、 北极 熊等四 足动物 在某些 情境中 会采用 前滚翻 的运动 方式 ； 人类自身 的体育 健身活 动中也 有采用 前滚翻 的动作 26。 不同 于轮子 的定轴 驱动滚 动 ， 我们 可以将 这类滚 动称为 翻滚运 动 。 滚动 机器人 就是在 此基础 上发展 起来的 一类新 型移动 机器人载 体。 （ 1）第 一类， 球形 机器人球形 移动机 器人是 指一类 将运动 执行机 构 、 传感 器 、 控制 器 、 能源 装置安 装在一 球形壳 体内的 系统的 总称 。 这类 机器人 具有良 好的动 态和静 态平衡 性 ， 同时 具有很 好的密封性 ，可以 行驶在 无人、 沙尘、 潮湿、 腐蚀性 的恶劣 环境中 ，并具 有水陆 两栖功 能 。 球形机 器人 可应 用于行 星探测 、环境 监测、 国防装 备、娱 乐等领 域 。1996年 ， 芬兰 赫尔辛 基工业 大 学 同研 制了第 一款球 形机器 人 0。他们 设置了 一个驱 动轮 ， 由电 机驱动 驱动轮 在球壳 内滚动 ， 通过 改变系 统的重 心来实 现球体 的翻滚 运动。 此后， 欧美日 等国外 研究人 员研制 了驱动 形式各 异的球 形机器 人 。 国内哈 尔滨工 业大学 、 北京 航空航 天大学 、 西安 电子科 技大学 、 东北 大学等 高校分 别提出了 不 同结 构 的 球 形 机器 人 31 北 京邮 电 大 学 孙 汉旭 教 授 创 新 性的 提 出 了 机器 人 34， 如图 该机 器人增 加可伸 缩的机 械臂执 行机构 ， 使球 形机器 人具有操作 能力 。 它是 对普通 球形移 动机器 人功能 的扩展 ， 大大 拓展了 球形机 器人的 应用领 域 。上 海 交 通大 学 也 设 计 出了 一 种 全 对 称球 形 机 器 人 35， 如 图 ， 该机 器 人 采 用 完全 对称 结构 ，由 2个 电动 机驱 动 2组 螺旋 传动 机构 带动 球壳 滚动 实现 直线 运动 ，并 通过改 变球内 部分的 重心位 置实现 转弯 。 全对 称机器 人机构 简洁 ,内部 剩余空 间大 ， 球壳 与1绪论5地面 是单一 点接触 ，阻力 小，运 动灵活 。图 图 机器人结构图球形 机器人 可将所 有的机 构 、 器件 密封在 球壳内 以防止 外部环 境对内 部装置 的危害 ,所以 它也非 常适合 在潮湿 、 多尘 、 有毒 或辐射 的恶劣 环境中 执行任 务 。 并且 可以在 恶劣环境 下保持 系统的 平衡与 稳定 ,不存 在失稳 状态 ,即使 与静态 或动态 的障碍 发生碰 撞 ,也可以在 经过短 暂的自 身调整 后恢复 稳态 。 但是 球形机 器人的 越障能 力较差 ， 因此 ， 在结 构环境 和非结 构环境 共存的 工作条 件下， 球形机 器人的 移动性 能将大 大减弱 。（ 2）第 二类， 开链 翻滚机 构2008年 12月 ， 发表 了 美国 犹 他大 学 的 可 滚动 圆盘形 双足机 器人 ， 能够 实现步 行 、 滚动 和攀爬 台阶等运动 27,28。 通过 肢体运 动改变 质心位 置 ， 从而 形成关 于地面 接触点 的重力 矩来驱 动翻滚 ，其机 构运动 分析如 图 当某 个关节 触地时 ， 该关 节需保 持固定 角度以 保证翻 滚时肢 体的圆 度 。 考虑 到电机 驱动特 性和运 动学约 束 ， 给出 了一个 周期内 最大质 心偏置 距离随 翻滚角 度的变 化曲线 ， 如图 该研 究给出 了保持 恒定质 心偏置 距离的 关节轨迹 规划 ， 并进 行了步 行 、 翻滚 和越障 等试验 ， 图 静态 翻滚试 验 ， 实验 证明这种 变形翻 滚方式 具有能 耗低的 优点。图 图 置距离变化曲 线1绪论6图 试验该研 究首先 将弓形 结构杆 件引入 到足式 机器人 中 ， 为足 式机器 人的设 计开辟 了新的领 域。 该研 究从 形体 仿生 角度 实现 了 “ 轮 ” “ 足 ” 结 构的 融合 。然 而， 该双 足机 器人 在步行 和变形 时需要 依靠电 磁吸力 来保持 肢体平 衡 ， 还不 能真正 实现 “ 足 ” 功能 ， 也不 能完全 实现 “ 轮 ” 的功 能。而 且，该 机构为 开链形 式，其 刚度特 性较差 。（ 3）第 三类， 闭链翻 滚机构在闭 链翻滚 机器人 方面 ， 北京 交通大 学 姚燕 安教授 在国家 自然科 学基金 的资助 下开展了 整体闭 链移动 机构和 多模式 杆式移 动机构 的研究 36,37。 图 一种 单自由 度概率 翻转移 动连杆 机构 ， 通过 机构形 状的变 化能够 实现平 面内的 转向和 移动功 能 。 北京航 空 航 天大 学 毕 树 生 教授 进 行 了 空 间四 面 体 翻 滚 机器 人 的 研 究 38， 如 图 。 该四面 体翻滚 机器人