摘 要

论文基于一种高度可调的新型扭杆弹簧悬架系统，搭建了一个简化的轮足式机器人模型，分析其行走运动时轮足机构摆动相的运动轨迹曲线，从而实现机器人的单一轮足机构的摆动运动；通过对臂式扭杆悬架所配置的多套直流电机进行协同控制，通过转动大臂及小臂关节电机实现关节摆角的调节，使搭载该悬架的轮足机器人不同通行条件下顺利通过；并且对适用于本机器人的模式切换运动进行了分析，得出轮腿切换的步骤和信号输入。

本课题意在于基于一种高度可调的新型扭杆弹簧悬架系统，并研究机器人运动的悬架控制策略，通过控制悬架所装备的多套电机协同运转，使搭载该悬架的全地形载具在面对不同的路面以及载荷状况下可通过转动支脚实现车身高度的调节，以及轮腿结构转化，从而实现轮足机器人的轮足切换和爬行过程。

本文的研究内容主要集中在以下四个方面：

1. 首先建立双关节的轮足机构的数学模型，采用Craig表示法对关节位置坐标进行描述，获得该表示法下的坐标变换矩阵，之后利用Jacobian矩阵逆速度求解出轮足机构的摆动角度等变化规律。
2. 选取适当的足端轨迹曲线，利用搭建的数学模型求解出了该轨迹下的关节变量的变化曲线，绘制了单一轮足机构的空间摆线曲线。基于此倒推出实际的关节变量参数；同时需要对机器人的四足运动步态进行规划分析，选取合适的运动步态和运动时序图，控制四组运动的时序，从而实现机器人的运动步态仿真。
3. 根据足端轨迹曲线，利用搭建的数学模型求解出了关节变量的信号。同时利用电机拖动相关理论，对关节电机转速与控制电压的数学关系进行了推导分析，从而得到了Gait步态条件的每套轮足机构配置的双电机的输出关系，再逆求解出电机的输入信号。
4. 对机器人的结构布置和模式切换进行分析。首先根据稳定性要求确定适当的布置形式，此外对于模式切换，对摆臂转动的步骤顺序和控制信号进行了分析，确定了在足式切换为轮式时采用先收小臂再收大臂的顺序，而为减小电机负荷，采用了正弦曲线作为控制信号。

本文紧密联系当下移动式机器人的研究热点领域，核心落脚点在于步态规划。可为后续继续深入研究如自适应姿态调整算法等领域打下一定基础，具有极大的发展潜力和研究价值。

关键词： 轮足机器人；仿生学；步态规划；多电机控制；

Abstract

Based on a new type of torsion bar spring suspension system with adjustable height, this paper built a simplified robot model of wheel foot, and analyzed the trajectory curve of the swing phase of the wheel foot mechanism when walking, so as to realize the swing movement of the robot's single wheel foot mechanism.

Through the coordinated control of multiple sets of dc motors configured by the arm type torsion bar suspension, the joint swing Angle is adjusted by rotating the big arm and the small arm joint motors, so that the wheeled robot equipped with the suspension can pass smoothly under different conditions. Moreover, the mode switching motion of the robot is analyzed, and the steps of wheel leg switching and signal input are obtained.

This subject is based on a new type of torsion bar spring suspension system with adjustable height, and to study the suspension control strategy of robot motion. By controlling the coordinated operation of multiple sets of motors equipped in the suspension, the whole terrain equipped with the suspension is made The vehicle can adjust the height of the car body and transform the structure of the wheel legs by turning the feet under different road surfaces and load conditions, so as to realize the wheel-foot switching and crawling process of the wheel-foot robot.

The research content of this article mainly focuses on the following four aspects:

(1) First, establish a mathematical model of the double-joint wheel-foot mechanism, describe the position coordinates of the joint using Craig representation, obtain the coordinate transformation matrix under this representation method, and then use the Jacobian matrix inverse speed to solve the swing angle of the wheel-foot mechanism And other changes.

(2) Select the appropriate foot trajectory curve, use the built mathematical model to solve the change curve of the joint variable under the trajectory, and draw the spatial cycloid curve of the single wheel-foot mechanism. Based on this, the actual joint variable parameters are derived; at the same time, it is necessary to plan and analyze the robot's quadruped gait, select the appropriate gait and motion timing diagram, and control the timing of the four sets of motion, so as to realize the motion gait simulation of the robot .

(3) According to the foot trajectory curve, the signal of the joint variable is solved using the built mathematical model. At the same time, using the relevant theory of motor dragging, the mathematical relationship between the joint motor speed and the control voltage is deduced and analyzed, so as to obtain the output relationship of the dual motors configured by each set of wheel-foot mechanisms in the Gait gait condition, and then inversely solve the motor's input signal.

(4) Analyze the structural arrangement and mode switching of the robot. First, determine the appropriate layout form according to the stability requirements. In addition, for the mode switching, the swing arm rotation step sequence and control signal are analyzed, and when the foot type is switched to the wheel type, the arm is retracted first and then the arm Sequence, and to reduce the load on the motor, a sinusoidal curve is used as the control signal.

This article is closely related to the current research hotspots of mobile robots. The core goal is gait planning. It can lay a certain foundation for further in-depth research such as adaptive attitude adjustment algorithm, and has great development potential and research value.

Key Words : wheeled-legged robot; Bionics; Gait planning; Multi-motor control;

目录

第1章 绪论 1

1.1课题背景及意义 1

1.2轮足机器人国内外研究现状 4

1.3仿生学步态运动的基础研究 7

1.4本章小结 9

第二章 二自由度摆臂数学模型的建立及分析 10

2.1 D-H参数的Craig表示法基础 11

2.2 D-H参数的坐标转换矩阵 12

2.3单一轮足机构的逆运动学求解 13

2.4 Jacobian矩阵的速度求解 15

2.5本章小结 17

第三章 机器人的步态规划与仿真 18

3.1摆动相的轨迹规划 18

3.2机器人Gait步态控制策略 22

3.3机器人的静态稳定裕度研究 28

3.4本章小结 31

第四章 单一轮足机构的多电机控制与仿真 32

4.1直流电机系统的数学模型 32

4.2双电机协同控制的仿真模型建立 34

4.3协同控制结果分析 36

4.4本章小结 39

第五章 机器人轮足模式转换的仿真 40

5.1轮足布置分析和模式转换的步骤设计 40

5.2轮足切换运动仿真与结果分析 43

5.3本章小结 45

第六章 总结与展望 47

6.1论文总结 47

6.2论文展望 48

参考文献 49

致 谢 51

第1章 绪论

1.1课题背景及意义

机器人，是指任何能取代人类劳动的自动操作的机器，尽管它可能在外表上不像人类或以类似人类的方式执行功能。机器人大致可分为静止机器人和移动式机器人，而移动机器人根据运动方式的不同，可以分为腿式机器人、轮式机器人以及飞行机器人和轮足机器人等^[1]。

静止机器人是指那些工作时不改变位置的机器人。把机器人称为“静止的”并不意味着机器人实际上是不动的。“静止”是指机器人的基座在运行过程中不移动。这类机器人通常通过控制末端执行器的位置和方向来操纵它们的环境。静止机器人类别包括笛卡尔/龙门式机器人、机械臂(铰接式机器人)、并联机器人。

轮式机器人是指借助轮子改变位置的机器人^[2]-[3][4]。机器人的轮式运动可以很容易地实现，而且成本很低。此外，轮式运动的控制通常更容易。这些原因使得轮式机器人成为最常见的机器人之一。常见的轮式移动机器人主要包括两轮机器人、多轮式机器人和跟踪机器人等。腿式机器人是一种移动机器人，类似于轮式机器人，但它们的运动方式与轮式机器人相比更加复杂。正如它们的名字所暗示的那样，它们用腿来控制自己的移动，在不平坦的地形上，它们的表现要比轮式机器人好得多。尽管这些机器人的生产成本和复杂性很高，但它们在不平坦的地形上的优势使得它们在大多数应用中不可或缺。单腿机器人、两条腿机器人四条腿机器人、六条腿机器人和多腿机器人都属于这类机器人。游泳机器人如机器鱼游泳机器人是在水下移动的机器人。这些机器人通常受到鱼的启发，他们使用鳍状的驱动器在水中移动。或者采用喷水泵，前进方式类似于乌贼等。飞行机器人是一种能在空中漂浮和操纵的机器人，它们的翅膀像飞机或鸟或昆虫的翅膀，螺旋桨或气球。这些机器人的例子有飞机机器人、鸟类/昆虫灵感的翅膀扑动机器人、基于支撑器的多翼飞行器和气球机器人。