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1、南京航空航天大学 硕士学位论文 四足机器人步态规划与仿真 姓名：马东兴 申请学位级别：硕士 专业：机械设计及理论 指导教师：岳林 20080301 南京航空航天大学硕士学位论文 I 摘 要 根据调查，在地球上近一半的地面不适合于传统的轮式或履带式车辆行走， 但是一般多足动物却能在这些地方行动自如。因此，足式机器人与轮式及履带式 机器人相比具有独特的优势。足式机器人对崎岖路面具有很好的适应能力，足式 机器人的立足点是离散的点， 可以调整姿态在可能到达的地面上选择最优的支撑 点。足式机器人还具有主动隔振能力,允许机身运动轨迹和足式运动轨迹解耦。 尽管地面高低不平，足式机器人仍然可以相当平稳地行走。
2、因此足式机器人受到 各国研究人员的普遍重视，已经成为机器人研究中一个引人注目的研究领域。 本文对比分析了一个传统的四足机器人与一种背部带关节的新型四足机器 人， 利用三维参数化建模软件 Pro/E 与机械系统动力学仿真分析软件 ADAMS 对 四足机器人进行了步态规划与仿真研究。具体内容如下： 首先，对比分析了两种四足机器人结构特点，利用 Pro/E 软件建立了四足机 器人的三维实体模型，通过 Pro/E 与 ADAMS 之间 Mechanism/Pro 接口模块，将 四足机器人的三维实体模型导入到 ADAMS 中，建立了四足机器人的虚拟样机。 其次，分析了四足机器人步态基本理论与稳定性原理，
3、规划了四足机器人的 直线行走步态、定点转弯步态、横向行走步态，利用 ADAMS 仿真软件对四足机 器人进行了步态仿真，得到四足机器人重心的位移曲线和各关节所需的驱动力 矩。 最后， 根据四足机器人的结构制作了四足机器人的物理样机， 利用 AT89C52 单片机成功实现对四足机器人多个舵机的独立控制以及舵机的速度控制。 对四足 机器人物理样机进行了步态实验验证。 仿真与实验结果表明四足机器人能够根据 规划步态实现稳定行走，说明整体方案的正确性与可行性。 关键词：关键词：四足机器人，虚拟样机，步态仿真，ADAMS，舵机 四足机器人步态规划与仿真 II ABSTRACT According to t
4、he investigation, nearly half of the ground on the earth can not be reached by traditional wheel or pedrail vehicles, while many multi-leg animals can walk on it freely. Compared to the wheel or pedrail robots, the locomotion of the legged robot has some unique capabilities.They have stronger adapta
5、bility to the complex changeable ground. The falling feet spots are discrete, so their feet tips can adjust the walking gesture within the reachable areas and choose the proper supporting pots. Furthermore, the vibration can be isolated by the legged robots locomotion system independently, that is t
6、o say, it allows body moving track and feet moving track relieve coupling. Although the ground is uneven, the robot can walk smoothly. Many experts from different countries pay more attentions on the legged robot, which becomes the key and hot point in robot study field. A conventional walking robot
7、 and a new quadruped robot with waist-joint are analyzed comparatively in this paper. The gait planning and simulation research are done by Pro/E and ADAMS.The details are as follows: Firstly, the structure characteristics of two quadruped robots were analyzed comparatively. Three-dimensional model
8、of quadruped robot was built up by Pro/E. The virtual prototype of quadruped robot was presented in ADAMS by the interface module Mechanism/Pro. Secondly, the basic knowledge of gait and stability principles were analyzed.The straight-walking gait、stand-still turning gait and laterally walking gait
9、were planned. The gait simulation was done in ADAMS. We got the displacement curves of quadruped robot center of gravity and the drive torque of joints. Finally, the physical prototype of quadruped robot was built based on the structural of quadruped robot. We have successfully controlled servos by
10、a single AT89C52 SCM. We have also realized the velocity control of servo.Gait experiment of physical prototype verifies the simulation results from ADAMS.Therefore, the simulation and experimental results show that the quadruped robot with waist-joint can walk steadily through the planned gait. And
11、 the correctness and feasibleness.of the proposed plan were proved by the results. Key words: quadruped robot; virtual prototype; gait simulation; ADAMS; servo 南京航空航天大学硕士学位论文 V 图清单 图 1.1 早期的机器卡车 .3 图 1.2 日本 TITAN- 四足机器人.3 图 1.3 韩国 ELIRO-四足机器人.4 图 1.4 西班牙 SILO4 四足机器人.5 图 1.5 美国 RGR 仿壁虎机器人.5 图 1.6 清华大
12、学 BIOSBOT四足机器人.6 图 1.7 上海交通大学 JTUWM-型四足机器人.6 图 1.8 华中科技大学“42”多足步行机器人 .7 图 1.9 南航仿生所仿壁虎机器人 .8 图 2.1 四足机器人 NHQR-腿部结构简图. 11 图 2.2 四足机器人 NHQR-结构简图. 11 图 2.3 四足机器人 NHQR-结构简图.12 图 2.4 构建虚拟样机流程图 .16 图 2.5 四足机器人 NHQR-虚拟样机.17 图 2.6 四足机器人 NHQR-三维模型图.19 图 2.7 输出 PARASOLID 对话框.20 图 2.8 导入模型对话框 .20 图 2.9 MECH/PRO下拉菜单 .22 图 2.10 导入 ADAMS 中的四足机器人 NHQR- .
