中国科学枝术大学 硕士学位论文 混合驱动型腿部机构的 设计与实验研究 作者姓名： 王浩 学科专业： 机械电子工程 导师姓名： 杨杰教授董二宝副教授 完成时间： 二O一四年五月十六日
中国科学技术大学 硕士学位论又 混合驱动型腿部机构的 设计与实验研究 作者姓名： 学科专业： 导师姓名： 完成时间： 王浩 机械电子工程 杨杰教授董二宝副教授 二。一四年五月十六日
Y2601626 University of Science and Technology of China A dissertation for master's degree 大 1958 The Design and Experimental Study of Leg Mechanism Based on Hybrid-driven Author's Name: Hao Wang speciality: Mechatronic Engineering Supervisor: Prof.Jie Yang Asso.Prof.Erbao Dong Finished time: May16,2014
I啪1111111111111111MIIMlllllIIillllll Y2601 626 University of Science and Technology of China A d issertation for master’S deg ree The Design and Experimental Study of Leg Mechanism Based on Hybrid_—driven Author’S Name：Hao Wang speciality： Mechatronic Engineering 一 一 Supervisor：Prof．Jie Yang Asso．Prof．Erbao Dong Finished time： May 16m，2014
中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人己经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作 了明确的说明。 作者签名： 王浩 签字日期： 219.6.9 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中 国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 山公开 口保密（年） 作者签名： 王浩 导师签名： 签字日期： 2019.6.9 签字日期： 2®1K6.9
中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作 了明确的说明。 作者签名：'睁 签字日期： 20J9．b·， 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中 国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 ’等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 ， 凹公开 口保密(——年) 作者签名： 王冶 签字日期： 2。¨。6‘l『 导师签名： 签字日期： 矽f收多。驴
摘要 摘要 随着移动机器人应用范围的不断扩展，在高山丛林作战、荒原湿地考察、防 灾救援排爆等应用场合对机器人灵活机动性和环境适应性的要求越来越高，研究 和探索具有高效能的多足移动机构成为了当前多足机器人领域亟待解决的迫切 问题。传统意义上的多足机器人采用伺服控制的开链机构作为多足移动机构，由 于关节驱动器需要不停做往复运动，不断克服惯性做功，能量在正反转切换过程 中损失极大，因此难以实现机器人的快速步态。基于以上考虑，在对过去所研制 的仿生关节型四足机器人进行实验测试和理论研究的基础上，提出了“混合驱动 型多足移动机构”的设计概念。混合驱动型多足移动机构是一类多自由度机构， 由单向连续旋转的大功率普通动力源和随动控制的伺服动力源进行混合驱动，大 功率普通动力源带动曲柄连续转动；伺服动力源实时调节机构末端点的运动轨 迹，从而实现多足机器人的步态控制。本文综合传统机械系统和全伺服机械系统 的优点，设计出了基于混合驱动机构的四足机器人，既能够实现快速移动，同时 也具有良好的灵活机动能力。 本文首先综述了移动机器人和混合驱动机构的发展状况，分析了目前多足机 器人研究领域遇到的瓶颈问题。为了提高多足机器人的移动效率，在机器人腿部 机构的设计中引入了混合驱动机构。研究内容主要包括：平面闭链连杆机构的构 型综合、混合驱动机构的运动学分析、机电耦合建模与虚拟样机仿真技术、机构 执行器轨迹规划方法与实验研究等。 平面闭链连杆机构的构型综合，分析了单自由度连杆机构与两自由度连杆机 构的构型综合，并且给出了各种类型的缩图形式和结构简图。接着分析了平面四 杆机构和混合驱动五杆机构的机构分类，重点对混合驱动七杆机构进行了结构分 析。 混合驱动机构的运动学分析分为正运动学分析和逆运动学分析。正运动学分 析，己知机构结构型式和尺寸参数，通过给定驱动杆件的运动规律，求解得到从 动杆件的位移、速度和加速度，得到了机构执行器的工作空间和轨迹曲线簇，利 用雅克比矩阵分析了机构的速度特性和影响速度特性的主要因素。逆运动学分 析，通过给定机构执行器的运动轨迹和常速电机的转速，求解得到同服电机的角 位移、角速度和角加速度。 机电耦合建模与虚拟样机仿真技术，利用拉格朗日方法建立了混合驱动机构 的动力学方程。由于实际过程中电机的动力特性直接影响整体机构的运动精度， 因此有必要引入电机的动力学方程，进行机电耦合建模。在ADAMS软件中对机 电耦合模型进行仿真分析，得到了不同电压下电机电流和曲柄角速度的变化曲 线。 I
摘要 摘要 随着移动机器人应用范围的不断扩展，在高山丛林作战、荒原湿地考察、防 灾救援排爆等应用场合对机器人灵活机动性和环境适应性的要求越来越高，研究 和探索具有高效能的多足移动机构成为了当前多足机器人领域亟待解决的迫切 问题。传统意义上的多足机器人采用伺服控制的开链机构作为多足移动机构，由 于关节驱动器需要不停做往复运动，不断克服惯性做功，能量在正反转切换过程 中损失极大，因此难以实现机器人的快速步态。基于以上考虑，在对过去所研制 的仿生关节型四足机器人进行实验测试和理论研究的基础上，提出了“混合驱动 型多足移动机构”的设计概念。混合驱动型多足移动机构是一类多自由度机构， 由单向连续旋转的大功率普通动力源和随动控制的伺服动力源进行混合驱动，大 功率普通动力源带动曲柄连续转动；伺服动力源实时调节机构末端点的运动轨 迹，从而实现多足机器人的步态控制。本文综合传统机械系统和全伺服机械系统 的优点，设计出了基于混合驱动机构的四足机器人，既能够实现快速移动，同时 也具有良好的灵活机动能力。 本文首先综述了移动机器人和混合驱动机构的发展状况，分析了目前多足机 器人研究领域遇到的瓶颈问题。为了提高多足机器人的移动效率，在机器人腿部 机构的设计中引入了混合驱动机构。研究内容主要包括：平面闭链连杆机构的构 型综合、混合驱动机构的运动学分析、机电耦合建模与虚拟样机仿真技术、机构 执行器轨迹规划方法与实验研究等。 平面闭链连杆机构的构型综合，分析了单自由度连杆机构与两自由度连杆机 构的构型综合，并且给出了各种类型的缩图形式和结构简图。接着分析了平面四 杆机构和混合驱动五杆机构的机构分类，重点对混合驱动七杆机构进行了结构分 析。 混合驱动机构的运动学分析分为正运动学分析和逆运动学分析。正运动学分 析，已知机构结构型式和尺寸参数，通过给定驱动杆件的运动规律，求解得到从 动杆件的位移、速度和加速度，得到了机构执行器的工作空间和轨迹曲线簇，利 用雅克比矩阵分析了机构的速度特性和影响速度特性的主要因素。逆运动学分 析，通过给定机构执行器的运动轨迹和常速电机的转速，求解得到伺服电机的角 位移、角速度和角加速度。 机电耦合建模与虚拟样机仿真技术，利用拉格朗日方法建立了混合驱动机构 的动力学方程。由于实际过程中电机的动力特性直接影响整体机构的运动精度， 因此有必要引入电机的动力学方程，进行机电耦合建模。在ADAMS软件中对机 电耦合模型进行仿真分析，得到了不同电压下电机电流和曲柄角速度的变化曲 线
摘要 机构执行器轨迹规划方法与实验研究，分别介绍了基于逆运动学分析和基于 轨迹曲线簇的轨迹规划方法。利用混合驱动五杆机构实验平台对以上两种方法进 行了实验研究，得到了圆形轨迹的误差曲线。出于七杆机构构型上的特殊性，腿 部机构特定轨迹实现采用的是基于轨迹曲线簇的方法，利用机器人腿部机构实验 平台进行了四种不同轨迹的实验研究，实验结果验证了方法的可行性。 论文最后总结了研究工作的主要结论，同时对后续工作提出了一些展望，以 期更加深入的研究混合驱动机构。 关键词：多足机器人混合驱动机构工作空间轨迹规划实验研究
摘要 机构执行器轨迹规划方法与实验研究，分别介绍了基于逆运动学分析和基于 轨迹曲线簇的轨迹规划方法。利用混合驱动五杆机构实验平台对以上两种方法进 行了实验研究，得到了圆形轨迹的误差曲线。由于七杆机构构型上的特殊性，腿 部机构特定轨迹实现采用的是基于轨迹曲线簇的方法，利用机器人腿部机构实验 平台进行了四种不同轨迹的实验研究，实验结果验证了方法的可行性。 论文最后总结了研究工作的主要结论，同时对后续工作提出了一些展望，以 期更加深入的研究混合驱动机构。 关键词：多足机器人混合驱动机构 工作空间 轨迹规划 实验研究 II