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1、 硕 士 学 位 论文 六足仿生机器人结构优 化设计及其位 姿控制策略研究 TRUCTURAL OPTIMIZATION DESIGN AND RESEARCH ON POSTURE CONTROL STRATEGY OF BIOMIMETIC HEXAPOD ROBOT 刘海清 哈 尔 滨 工 业大 学 2012 年 7 月 国内 图书 分 类号 ：TP244 学 校代 码：10213 国际 图书 分 类号 ：681.568.74 密 级： 公开 工 学硕士学 位论文 六足仿生机器人结构优化设计及其位姿控制策略研究 硕士研究生 ： 刘海清 导 师 ： 邓喜军 教授 申 请 学 位 ： 工学硕
2、士 学科 ： 机械电子工 程 所 在 单 位 ： 机电工程学 院 答 辩 日 期 ： 2012 年 7 月 授 予 学 位 单 位 ： 哈尔滨工业 大学 Classified Index: TP244 U.D.C: 681.568.74 Dissertation for the Master Degree in Engineering TRUCTURAL OPTIMIZATION DESIGN AND RESEARCH ON POSTURE CONTROL STRATEGY OF BIOMIMETIC HEXAPOD ROBOT Candidate ： Liu Haiqing Supervis
3、or ： Prof. Deng xijun Academic Degree Applied for ： Master of Engineering Speciality ： Mechatronic Engineering Affiliation ： School of Mechatronics Engineering Date of Defence ： July, 2012 Degree-Conferring-Institution ： Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - I - 摘 要 随着 科 技的 发 展 ， 机 器 人的 研
4、 究逐 渐 从结 构 化环境中 的定 点 作业 向 非结 构 化环境 中 的 自 主作 业 转 变 ， 这 要求 机 器人 具 有在 非 结构 化 地形 下 自 主行 走 的能 力。 六 足机 器 人 的 步 态 丰富 ， 具有 较 高的 灵 活性 和 稳定 性 ， 同 时 能 够通 过 位姿 的实 时 调整 来 提高 机 器 人的 步 行稳 定 性， 对 地形 的 适应 能 力强 ， 因 而能 够 满足 在崎 岖地 形 中稳定 行走 的要 求 。 本课 题 研究 的目的 是 设 计一 种 模块 化 ，集成化 ， 多 传 感器 的 ，能 够 在非结 构 化 环 境下 全 方位 稳定行走 的 六
5、足 仿生 机器人 ， 在 此基 础 上对 机 器 人的 运 动学 进行 分 析， 并 进一 步 对 机器 人 的位 姿 控制 策 略进 行 研究 ， 从而 实现 六足 机 器人 的稳 定行 走 。 首先 ， 结构 设 计 部分 ， 以节 肢 动物 为 仿生 原 型， 考 虑 机器 人 的功 能 实现 和 其它 现 实因 素 ， 完 成 六 足机 器 人的 整 体机 械 结构 设 计及 腿 部的 结 构 优化 。 结构 设计 包 括： 从 仿生 学 的 角度 对 六足 机 器人 进 行结 构 建模 ， 以灵 活 性 和稳 定 性为 设计 目 标 来 进 行机 器 人 的躯 干 设计 ， 同时 以
6、 模块 化 和集 成 化为 设 计 指导 ， 对腿 部结 构进 行 优化 ， 减小 腿部 的 重量 和尺 寸 。 针对 设计 出 的六 足 机器 人， 建 立 D-H 坐标 系 ， 对 机器 人 的摆 动 腿和 支撑 腿 进行 正 逆运 动 学分 析 ， 为之 后 的位 姿 控制 策 略研 究 打下 基 础。 同 时 对六 足 机器 人摆 动腿 和 躯干 的 工作 空间 进 行 分 析， 为 六足 机器 人 的运 动 规划 提供条件 。 针对 六 足机 器 人 的步行 稳定 问 题， 对 机器 人 的位 姿 控 制策 略 进行 研 究，并 将其 分 成两 步 来实 施 ： 采用 基 于最 优
7、位姿 和 重心 调 整的 位 姿调 整 策 略， 完 成机 器 人 的位 姿 调整 ； 同时 基于 足 力控 制的 位 姿保 持 策略 ， 实 现 机器 人的 稳 定行 走； 六足 机器 人 的 位 姿 控制 通过 力/ 位 混 合控 制系 统 来实 现。 位 姿控 制 策略 的研 究， 为六 足机 器 人的 整 体运 动规 划 和控 制打 下 基础 。 最后 ， 将设 计 的 Pro/e 机 械结 构模 型 导入 到 Adams/View 环 境 下 ， 建 立约 束 和运 动， 对 位姿 调 整策 略进 行 仿真 验证 。 然后 将 Adams 模型 导 入到 Matlab 环 境下 ，
8、建 立 Simulink 控制 系 统，对 位姿 保 持策 略 进行 联合 仿 真实 验并 分 析结 果。 关键 词 ： 六足 机器 人 ； 结构 设 计 ； 运 动 学分 析； 位姿 控制 策 略 ； 力/ 位混 合 控制 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - II - Abstract With the development of science and technology, Robotics Research is gradually changing from the fixed-point operations in a structured environment to auto
9、nomous operation in unstructured environments, which requires that the robot has the capability of walking independently on unstructured terrain. The hexapod robot has advantages such as good flexibility, high stability and wealth of gait, so it can adapt to the terrain well and meet the need of wal
10、king on unstructured terrain. The purpose of this paper is to design and evaluate a modular, integrated and multi-sensor biomimetic hexapod robot, which has full range of stable walking in unstructured environments. On this basis, kinematics analysis is done, and posture control strategy is employed
11、 to improve the stability of walking. First ，arthropods is used as bionic prototype, combined with considering about the functions implementation of the robot and other practical factors, the overall hexapod robot mechanical structure design and the structural optimization of the legs has been done.
12、 Structural design includes structural modeling from the perspective of bionics, design of the robots trunk following the goal of improving flexibility and stability, and legs designed as modular and high-integrated with the optimized parameters. With the hexapod robot developed, the D-H coordinate
13、system is built up, at the same time, and both the forward and inverse kinematics analysis of the robots swing legs and supported legs have been done. This work lays the foundation for the following posture control strategy. The workspace analysis of hexapod robots swing legs and trunk is also done,
14、 which provides the conditions for the hexapod robot motion planning. Considering about hexapod robot walking stability, study on posture control strategy has been done. Posture control strategy is divided into two parts ：First, posture adjustment strategy based on optimal posture is used and combin
15、ed with center of gravity(COG) adjustment strategy to complete the robot posture adjustment; Then, posture balanced strategy based on force control is used to achieve robots stable walking; Hexapod robots posture control is achieved by the hybrid force/position control system. The study on posture control strategy laid the foundation for hexapod robot motion planning and control. Finally, the mechanical structure model designed from pro/e is imported into Adams/View environment, then the constraints and movement is set up, and
