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基于手脚融合的多足步行机器人的运动精度研究.doc
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基于手脚融合的多足步行机器人的运动精度研究.doc
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摘 要
机器人运动误差是衡量机器人性能的重要指标之一,直接影响到机器人的工作质
量,对多足步行机器人的运动精度研究是一项重要而富有意义的工作。本文以四足步
行机器人为研究对象,通过分析机器人的正运动学和逆运动学运动方程和误差方程,
对步行机器人的精度分析问题进行了比较深入的理论研究。
首先,结合国内外多足步行机器人现状和误差分析现状以及多足步行机器人的机
构特点,分析了运动误差的主要来源。
其次,在多足步行机器人正逆运动学的求解过程的基础上,运用微分的方法计算
运动机器人正逆运动的误差方程。
最后,在 MATLAB 环境下编制相应的误差分析程序,通过实例仿真验证误差分析
的正确性。
关键词: 多足步行机器人/正运动学/逆运动学/误差分析
HAND-FOOT-INTEGRATED
MECHANUSM THE MORE WALKING ROBOT
FUSION ACCURACY OF MOVEMENT
ABSTRACT
The motion error is one of the important indexes robot performances, which affect the
working quality of the multilegged walking robot directly, for much of the motion
precision walking robot research is an important and meaningful work. Based on four
walking robot for research object, through the analysis of the robot kinematics and inverse
kinematics is in error equations equation and the walking robot, precision analysis problem,
deeply theoretical research.
First, combined with the domestic and foreign many walking robot present situation
and the error analysis, as well as the characteristics of the walking robot, the error analysis
of movement error is the main reason for the difference.
Secondly, in walking robot is the inverse kinematic solution process, using the
differential method of inverse robot motion equation of movement error.
Finally, in the MATLAB environment corresponding error analysis program compiled
by example to prove the correctness of the error analysis.
Keywords: multi-legged walking robot,forward kinematics,inverse kinematics,Error
analysis
目 录
摘 要...................................................................................................................................................I
ABSTRACT...............................................................................................................................................II
1 绪论 .................................................................................................................................................1
1.1 引言..........................................................................................................................................1
1.2 课题来源、目的及意义 ...............................................................................................1
1.3 国内外研究现状 ...............................................................................................................2
1.4 本文研究内容.....................................................................................................................7
2 多足步行机器人的正运动学分析和误差分析................................................9
2.1 引言..........................................................................................................................................9
2.2 研究对象的介绍 .............................................................................................................10
2.3 影响运动误差的主要因素........................................................................................11
2.4 机器人正运动学分析和误差分析........................................................................13
2.4.1 串联机械手的正运动学 ................................................................................................13
2.4.2 机器人抓取时的正运动学分析...................................................................................16
2.4.3 算例.....................................................................................................................................19
2.5 本章小结 .............................................................................................................................21
3 多足步行机器人的逆运动学分析和误差分析..............................................22
3.1 机器人的逆运动学分析和误差分析...................................................................22
3.2 算例........................................................................................................................................26
3.3 本章小结 .............................................................................................................................28
结论 .......................................................................................................................................................29
致谢 .......................................................................................................................................................30
参考文献............................................................................................................................................31
附 录..................................................................................................................................................33
附录 1................................................................................................................................................33
附录 2................................................................................................................................................37
1 绪论
1.1 引言
在自然界和人类社会中,存在一些人类无法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场
合,如行星表面、灾难发生矿井、防灾救援和反恐斗争等,对这些危险环境进行不断地探索
和研究,寻求一条解决问题的可行途径成为科学技术发展和人类社会进步的需要。具有仿
生特征的移动机器人,因为能够代替人在一些非结构性环境中作业而成为了学者们研究和
关注的热点。
传统的移动机器人主要包括履带式、足式、轮式、混合式等多种运动形式。其中,履
带式和轮式机器人结构较简单,其运动能力受到环境因素的限制。相对于轮式、履带式机
器人而言,多足步行机器人在非结构化、存在不确定性的环境内移动虽具有较大的优势,
但现有的多足步行机器人通常作为一种单纯的移动平台,或者配置特定的机械臂才能完成
作业。如果能够在腿/臂融合结构基础上,把多足机器人的腿设计成具有手脚融合功能的
结构形式,可使其能在在更多特殊环境和场合中使用,因而该类机器人具有广阔的应用前
景。
鉴于此,为了拓展多足步行机器人的实际应用,在世界范围内的科研人员对多足步行
机器人的结构及所配工具开展了广泛的研究,如日本东京工业大学开发了 TITAN-IX 型排
雷四足步行机器人。
瞄准国内外机器人技术的前沿,为了给我国步行机器人的研究提供理论平台和关键技
术,开展多足机器人的技术和相关理论研究具有重要的科学意义和应用价值。
1.2 课题来源、目的及意义
课题来源于国家自然科学基金(编号:50875246):本文是分析多足步行机器人运动
时误差产生的原因,建立误差分析的模型,对误差参数经行分析。
步行机器人(walking robot)或步行车辆(walking vehicle)简称步行机,是一种智能型机器
人,它是涉及到生物科学、仿生学、机构学、传感技术及信息处理技术等的一门综合性高科
技。在崎岖路面上,步行机器人优于轮式或履带式车辆。步行机器人腿式系统具有很大的优
越性:较好的机动性,崎岖路面上乘坐的舒适性,对地形的适应能力强。所以,这类机器人在
军事运输、海底探测、矿山开采、星球探测、残疾人的轮椅、教育及娱乐等众多行业,有非
常广阔的应用前景,多足步行机器人技术一直是国内外机器人领域的研究热点之一。
定位精度是衡量多足机器人性能的一个重要指标,因此,无论在理论上还是在实验当
中都受到了国内外学者的广泛关注。目前,由于工业机器人的广泛应用,针对其误差的研
究已经受到了广大学者的关注,而多足步行机器人尚未能像工业机器人那样大规模的应用,
其基础理论的研究比较滞后,关于其位姿误差分析的研究自今很少涉及。
通过多足步行机器人的位姿误差分析,可以得到各个误差源对机器人机构输出位姿的
影响程度,从而可以发现机构中的关键环节,明确提高机器人精度的重点和方向,为改善
机器人的设计质量和提高机器人的设计水平提供准确可靠的资料和依据。因此,在多足步
行机器人领域对精度进行研究是一项重要而富有实际意义的工作。
本课题的研究将介绍一种多足步行机器人的误差分析的方法,以四足步行机器人为例,
通过仿真验证该方法的可行性。该课题的研究将会促进多足步行机器人向实用化迈进。
1.3 国内外研究现状
1.3.1 多足步行机器人的研究现状
多足步行机器人的发展最早可追溯到中国古代三国时的“木牛流马”。有据可查的是
在 1893 年 Rygg 设计的机械马,历经一个多世纪的发展,特别是随着 20 世纪后期计算机
技术、电子技术、人工智能技术、生物工程的飞速发展,多足步行机器人的研究已经取得
了长足的进步。
20 世纪 60 年代初,由美国的 Shigley 和 Baldwin 设计出了比履带车或轮式车更为灵
活的步行机。比较典型的是由 Mosher(美国)在 1968 年设计的“WalkingTruck”四足车
[1]
,如图 1-1 所示。其四条腿采用液压驱动,手臂和脚安装有位置传感器,具有步行和爬
越障碍的功能,因此,“WalkingTruck”被视为步行机发展史上一个里程碑。
在 1976 年,日本的 Shiego Hirose 成功研制了世界上第一台四足步行机器人 KUMO,
如图 1-2 所示。它的外形像一个蜘蛛,有四条腿,能够爬行
[2]
。
1983 年由美国研制的 “ODEX-I” 六足步行机器人,6 条腿沿圆周均布,且每条腿有 3
个自由度,适于在狭小空间里运动,还可以上下台阶。
1984-1986 年东京大学的 Shimoyama 和 Miura 研制了 Collie-l 四足机器人,如图 l-3
所示。在 1986-1988 又研制了 Collie-2
[3]
,如图 l-4 所示。Collie-2 每条腿有 5 个关节,
且每个关节都装有电位器。该机器人装有实时操作系统,实现了 trot 和 pace 步态。
1984-1986 年东京大学的 Shimoyama 和 Miura 研制了 Collie-l 四足机器人,如图 l-3
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omyligaga
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