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六足机器人运动的分析及路径规划.doc
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六足机器人运动的分析及路径规划.doc
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摘 要
六足步行机器人机动性强,适应能力高,能代替多种机器人完成工作,其研究具有
重要的科学意义和实际应用价值。本文针对六足步行机器人的机体设计、步态规划、运
动学分析、足端轨迹规划中的空间插值方法及避障路径规划算法等理论和技术问题,开
展了较为系统的研究工作。首先,对六足昆虫进行机械建模,确定选用椭圆形身体布局
后,进一步对六足步行机器人在三角形步态下的爬行稳定性进行详细地分析;然后,求
解机器人步行足运动学的正逆解问题,利用求解结果辅助规划机器人的足端轨迹。
MATLAB 的分析仿真发现,在六次多项式函数的足端轨迹曲线下,步行足具有较好的运
动特性;最后,先简单介绍了人工势场和蚁群算法,再合理地对两种算法进行了有效地
融合与改进,扬长避短,得到了一种更高效智能的路径轨迹规划算法。MATLAB 的仿真
实验结果证明了该算法的有效性。
关键词: 六足步行机器人;步态规划;运动学;轨迹规划;人工势场;蚁群算法
Abstract
Due to the great mobility and adaptability of hexapod walking robot, and their high
performances in various robotic tasks, the research on it is of momentous scientific
significance and practical application value. This thesis addresses body design, gait planning
and kinematics analysis, polynomial interpolation method of foot trajectory planning, and
obstacle path planning algorithm for hexapod walking robot. In order to solve these problems,
a systematic study for the robots is presented. Firstly, the oval body configuration is chosen
based on the structure and motion characteristic of insect, and then drive deeper into the
stability of crawl locomotion under the tripod gait movement. Secondly, after solving
forward and inverse kinematics of swinging leg, polynomial interpolation method is adopted
to find a better curve of foot trajectory. MATLAB is used to do this simulation. The solution
shows that swinging leg possesses the excellent kinetic characteristic under the six-order
polynominal function curve. Finally, a brief description of artificial potential field
method(PFM) and ant colony algorithm(ACO) exposes the imperfection of them. A new
algorithm is proposed by combining PFM with ACO effectively.Simulation results testify
the validity of this method for robot path planning.
Key words : Hexapod walking robot Gait planning Kinematics Trajectory planning
Artificial potential field Ant colony algorithm
目录
摘 要...........................................................................................................................................I
Abstract......................................................................................................................................II
第 1 章 绪论..............................................................................................................................1
1.1 课题的来源及研究的目的与意义.............................................................................1
1.2 文献综述.....................................................................................................................1
1.2.1 国外仿生多足机器人研究概况......................................................................1
1.2.2 国内仿生多足机器人研究概况......................................................................4
1.3 本课题研究的主要内容.............................................................................................5
1.4 本章小结.....................................................................................................................5
第 2 章 仿生六足机器人机构建模..........................................................................................6
2.1 仿生六足机器人机构模型.........................................................................................6
2.2 基于螺旋理论的机构自由度分析.............................................................................6
2.3 机器人机体结构.........................................................................................................8
2.4 本章小结.....................................................................................................................9
第 3 章 六足机器人静态步态规划分析................................................................................10
3.1 步态的相关概念.......................................................................................................10
3.2 六足机器人的步态分析...........................................................................................10
3.3 三角形步态...............................................................................................................11
3.3.1 三角形步态的稳定性分析............................................................................12
3.3.2 六足机器人的步长设计................................................................................13
3.3.3 六足机器人着地点的优化............................................................................14
3.4 本章小结...................................................................................................................15
第 4 章 六足机器人的运动学分析........................................................................................16
4.1 D-H 变换....................................................................................................................16
4.2 步行足坐标系的建立...............................................................................................17
4.3 运动学正解...............................................................................................................17
4.4 运动学逆解...............................................................................................................18
4.5 基于微分变换法的雅可比矩阵...............................................................................20
4.6 本章小结...................................................................................................................20
第 5 章 机器人的足端轨迹规划............................................................................................22
5.1 步行足的摆动轨迹分析...........................................................................................22
5.2 步行足的摆动轨迹生成...........................................................................................22
5.3 足端轨迹仿真分析...................................................................................................25
5.4 本章小结...................................................................................................................28
第 6 章 六足机器人避障路径轨迹规划................................................................................29
6.1 人工势场法路径规划...............................................................................................29
6.1.1 人工势场法原理............................................................................................29
6.1.2 受力分析........................................................................................................31
6.2 蚁群算法路径规划...................................................................................................32
6.2.1 蚁群算法原理................................................................................................32
6.2.2 基本蚁群算法的数学模型............................................................................33
6.3 势场和蚁群算法结合与改进...................................................................................35
6.3.1 启发信息
ij
h
的构造........................................................................................35
6.3.2 期望启发式因子 β 的改进............................................................................36
6.4 算法步骤...................................................................................................................36
6.5 基于势场蚁群算法路径规划的仿真实现...............................................................36
6.6 本章小结...................................................................................................................38
结 论........................................................................................................................................39
参考文献..................................................................................................................................40
致谢..........................................................................................................................................43
附录 A 运动分析的相关程序 ..............................................................................................44
1 计算两组支撑三角形最大重叠面积........................................................................44
2 转换矩阵生成程序....................................................................................................44
3 足端轨迹的生成和计算程序....................................................................................45
4 求运动逆解问题........................................................................................................48
附录 B 路径规划的相关程序 ..............................................................................................49
1 路径规划的主程序....................................................................................................49
2 计算引力、斥力与 x 轴的角度................................................................................50
3 计算引力大小............................................................................................................50
4 计算斥力大小............................................................................................................51
5 计算合力在在八个可行方向上的分量....................................................................52
6 计算由合力引起的启发信息....................................................................................53
7 地图生成程序............................................................................................................56
8 势场蚁群算法程序....................................................................................................57
第1章 绪论
1.1 课题的来源及研究的目的与意义
机器人自问世以来,伴随着电子计算机的发展,整合多科学领域里的新成果,已经
成为一种现代科学技术的典型产物,在工业、农业、娱乐、军事等行业中均扮演着举足
轻重的角色。当今,随着科学迅猛发展,人类探索研究范围逐渐扩展到一些人类无法到
达或可能危及生命的特殊场合,例如外星球表面、核反应堆、战场、消防及营救等。面
对这艰难的挑战,寻求一条解决问题的可行途径已是科学技术发展和人类社会进步的迫
在眉睫的任务。地形不规则或难以预测是这些环境的共同特点。从而使轮式机器人和履
带式机器人的应用受到一定的限制
[1]
。以往的研究表明轮式机器人的结构相对也较简单,
在相对平坦的地形上行驶时具有运动速度迅速、平稳和控制简单的优点。但是由于轮式
机器人运动时需要连续的地面支撑,在不平坦或松软的地形上行驶时,能耗大大增加,
运动性能也极速降低有时甚至完全丧失移动能力。履带式机器人虽然支撑面积大,牵引
附着性能优越,在松软或泥泞的场地行驶时的适应性比轮式有较大的改善,但是在不平
地面上行驶时机身晃动严重
[2]
,机动性仍然差强人意。而多足步行机器人可以利用独立
的地面支撑,即使是一系列孤立的点也可以成为它的运动轨迹,所以,与轮式、履带式
移动机器人相比,多足步行机器人面对复杂的非结构环境时适应性强和灵活性高,可以
代替人类完成很多危险的作业,具有广泛的应用前景。近年来,得益于仿生科学的进步,
仿生多足步行机器人如雨后春笋般快速地发展起来,现在已经成为当前各国科学家开发
研究的重点课题之一。
1.2 文献综述
1.2.1 国外仿生多足机器人研究概况
自从第一次工业革命以后,随着机械学的不断成熟,机器人逐渐地从人类的幻想进
入实现生活中。国外有据可查的记载是 1893 年 Rygg 设计的机械马。此后步行机器人
历经了一百多年的发展,取得了长足的进步
[3]
。
在 20 世纪 60 年代,美国的 Shigley 和 Baldwin 都使用的凸轮连杆机构设计出比轮
式车和履带式车更为灵活的四足步行机“ walking Truck”,如图 1-1 所示,被视为现代
多足步行机器人发展史上的一个里程碑
[1]
。但由于受到当时技术水平及控制技术的限制,
步行机不仅效率低适应性差,而且依赖于人的手脚对液压伺服系统的控制来操纵整个步
行机的运动。从步态规划的角度看,这种步行机只能算是人操作的机械移动装置。
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