新型串并混联四足步行机器人的动载协调问题理论分析与实验研究

The applicant will present theoretical and experimental study on dynamic load coordinated allocation of a novel parallel-serial quadruped robot. . A novel parallel-serial quadruped robot mechanism is presented，whose legs formed by a 3R parallel mechanisms and a rotational joint in series. The mechanism has both serial and parallel mechanism’s advanges of flexibility, big workspace and load capacity, etc..Because the coxa is made by 3R parallel mechanism, actuators of the 3R parallel mechanism can be mounted on the back of the quadruped robot. When the robot walks, the inertia of moving parts must be lighten. And the stability will be increased. . Structure parameters will be optimized by using genetic algorithm in this project. The kinetics model is estabished using Lie group&Lie algebra. Aiming for minimum power and fastest time, dynamic load is allocated. The theoretical results will be verifed by dynamic simulation software. A prototype will be designed and manufactured based on the above theoretical research. Using the prototype, the experimental study on the dynamic load coordinated allocation can be carried out.. The research achievements of this project will provide theory support for the design, control and application of parallel-serial quadruped robot. The Lie group&Lie algebra which is used in establishing kinetics model, not only can sovle technology problem of parallel-serial quadruped robot, but also provide new thread for other mechanical engineering dynamic problems.

本项目对一种新型串并混联四足步行机器人的动载协调问题进行理论分析与实验研究。. 申请者提出了一种新型串并混联四足机器人机构。这种机构兼串、并联机构的优点，即运动灵活、工作空间大，负载能力强。用3R 并联机构来构造髋关节，可以将三个驱动电机安装机器人的背部，这样就能减轻机器人抬腿行走时的惯量，增加行走的稳定性。本项目拟用遗传算法对该机器人的结构参数进行优化，以李群李代数方法来建立机器人的动力学模型，以功率最小，时间最快为目标进行动载协调分配，用动力学仿真软件对理论分析结果进行验证。基于上述研究成果试制一台串并混联四足机器人样机，对动载协调问题进行实验研究。本项目的研究成果将为串并混联四足机器人的设计、控制及应用提供理论指导，所应用的基于李群李代数来建立动力学模型的方法，不但可以解决这种新型串并混联四足机器人机构动载协调分配的难题，也为解决其它机械工程动力学问题提供新思路。

本项目提出了一种新型的由串并混联机构构建的四足步行机器人，采用直接欧拉法对髋关节进行了运动学分析，并对串并混联腿整体进行了运动学正、反解分析，求取了其雅可比矩阵并分析了奇异性和工作空间，在此基础上提出了一种适用于混联机构的灵巧度指标，并对混联机构的关键参数进行了优化。基于重要工作空间提出了一种混联机构动力利用率指标，将其与工作空间、腿部连杆长度总和加权后作为综合约束条件，利用遗传算法进行了串并混联机构的结构参数优化。.之后对串并混联机构进行了静力学研究，并提出了适用于混联机构的全局刚度系数指标。用具体的算例计算在足端受力或力矩时，驱动电机和电缸的受力情况。基于旋量理论和李群方法，分别采用拉格朗日方法和影响系数与牛顿欧拉相结合的方法对混联腿进行了动力学建模分析，并对具体算例分别用两种方法进行了计算，两种计算结果一致且与ADAMS仿真结果一致。.研究了串并混联机构的冗余运动参数对髋关节驱动的静力性能的影响，并利用动力利用率指标，分析了冗余参数对混联腿部机构在重要工作平面内的力学性能影响，结果表明通过适当规划冗余参数可以达到优化静力与动力学性能的目标。对机器人整机的冗余性质进行了分析，确定了整机典型步态的冗余性质，给出了基于足端点支反力的逆向协调方程，并以足端点支反力与地面法线方向夹角之和作为协调指标，对机器人进行了动载协调。.对这种混联结构机器人的典型步态规划进行了研究，提出了一种基于高次多项式的零冲击轨迹规划算法，利用此算法对walk步态和trot步态进行了规划，并利用ADAMS对其进行仿真，结果显示：四足机器人运动平稳，所设计的步态能够满足机器人平稳运动的要求。最后采用Trio多轴运动控制器和台达伺服控制系统搭建试验平台对制作的实验样机进行运动试验，结果表明：该机器人能够完成所规划的动作。