六足机器人的运动分析及路径规划.docx

五邑高校毕业设计说明书毕业设计题目：六足机器人的运动分析及路径规划庞系机电工穆学龙专业机械工程及自动化学号APOBo8340学生姓名诗焕城学生电话一指导老师李昌明副我校完成日期2012年5月20日六足步行机器人机动性强，适应实力高，能代普多种机器人完成工作，其探讨具有全要的科学意义和实际应用价值。本文针对六足步行机器人的机体设计、步态规划、运动学分析、足端轨迹规划中的空间插值方法及避障路径规划算法等理论和技术问题，开展了较为系统的探讨工作。首先,对六足昆虫进行机械建模，确定选用椭圆形身体布局后，进一步对六足步行机器人在三角形步态卜的爬行植定性进行具体地分析；然后，求解机器人步行是运动学的正逆解问题，利用求解结果协助规划机器人的足端轨迹。MAT1.AB的分析仿真发觉，在六次多项式函数的足端轨迹曲线下，步行足具有较好的运动特性：最终,先简洁介绍了人工势场和蚁群算法，再合理地对两种算法进行了芍效地酷合与改进，扬长避短，得到了一种更高效智能的路径轨迹规划算法。MAT1.AB的仿典试验结果证明白该匏法的有效性。关键词：六足步行机器人：步态规划：运动学：轨迹规划：人工势场：蚁科算法AbstractDuetothegreatmobi1.ityandadaptabi1.ityofhexapodwa1.kingrobot,andtheirhighperformancesinvariousrobotictasks,theresearchonitisofmomentousscientificsignificanceandpractica1.app1.icationva1.ue.Thisthesisaddressesbodydesign,gaitp1.anningandkinematicsana1.ysis,po1.ynomia1.interpo1.ationneth<1.offootIrajeC1.oryp1.anning,andobstac1.epathp1.anninga1.gorithmforhexapodwa1.kingrobot.Inordertoso1.vetheseprob1.ems,asystematicstudyfortherobotsispresented.First1.y,theova1.bodyconfigurationischosenbasedonthestructureandmotioncharacteristicofinsect,andthendrivedeeperintothestabi1.ityofcraw1.1.ocomotionundertheIripodgaitmovement.Second1.y,afterso1.vingforwardandinversekinematicsofswinging1.eg.po1.ynomia1.interpo1.ationmethodisadoptedtofindabettercun,coffttrajcctor>,.MAT1.ABisusedtodothissimu1.ation.Theso1.utionshowsthatswinging1.egpossessestheexce1.1.entkineticcharacteristicunderthesix-orderPO1.yno1.nina1.functioncurve.Fina1.1.y,abriefdescriptionofartit1.cia1.potentia1.fie1.dInethod(PFM)andantco1.onya1.goriIhm(ACO)exposestheimperfectionofthem.Anewa1.gorithmisproposedbycombiningPFMwithACOeffective1.y.Simu1.ationresu1.tstestifytheva1.idityofthisHICIhOdforrobotpathp1.anning.Keywords：Hexapodwa1.kingrobotGaitp1.anningKinematicsTrajeCtoryp1.anningArtificia1.potentia1.fie1.dAntco1.onya1.gorithm书目摘要AbstractII第1章结论I1.1 课题的来源及探讨的目的与遨义I1.2 文献综述1国外仿生多足机器人探讨概况1国内仿生多足机器人探讨概况41.3 本课题探讨的主要内容51.4 本章小结5第2章仿生六足机耕人机构建模52.1 仿生六足机器人机构模型62.2 基于螺旋理论的机构自由度分析62.3 机器人机体结构72.4 本章小结8第3章六足机器人静态步态规划分析93.1 步态的相关概念93.2 六足机器人的步态分析IO3.3 三角形步态1()三角形步态的稔定性分析I1.六足机器人的步长设计12六足机器人若地点的优化133.4 本章小结14第4章六足机器人的运动学分析144.1 D-H变换154.2 步行足坐标系的建立154.3 运动学正解164.4 运动学逆解174.5 基于微分变换法的雅可比矩阵184.6 本章小结19第5章机器人的足端轨迹规划2()5.1 步行足的摇摆轨迹分析205.2 步行足的摇投轨迹生成215.3 足端轨迹仿真分析235.4 本章小结26第6章六足机器人避障路径轨迹规划266.1 人工势场法路径规划26人工势场法原理26受力分析286.2 蚁群算法路径规划29蚁群算法原理29基本蚁群算法的数学模型306.3 势场和蚁群算法结合与改进31启发信息为的构造32期望启发式因子P的改进326.4 算法步.骤336.5 基F势场蚁群算法路径规划的仿真实现336.6 本堂小结35结论35参考文献36致谢39附录A运动分析的相关程序401计算两组支撑三角形最大重强面积402转换矩阵生成程序403足端轨迹的生成和计算程序414求运动逆解问题44附录B路径规划的相关程序44I路径规划的主程序442计算引力、斥力与X轴的角度453计算引力大小464计算斥力大小465计算合力在在八个可行方向上的至量476计算由合力引起的启发信息497地图生成程序518势场蚊群算法程序52第1章绪论1.1 it题的来源及探讨的目的与意义机器人自问世以来,伴随着电子计算机的发展，整合多科学领域里的新成果，己经成为种现代科学技术的典型产物，在工业、农业、消遣、军事等行业中均扮演着举足轻重的加色。当今，随着科学迅猛发展，人类探究探讨范围渐渐扩展到一些人类无法到达或可能危及生命的特别场合，例如外星球表面、核反应堆、战场、消防及营救等。面对这艰难的挑战，寻求一条解决问题的可行途径已是科学技术发展和人类社会进步的燃眉之急的任芬。地形不规则或难以预料是这些环境的共同特点。从而使轮式机器人和履带式机器人的应用受到肯定的限制“，以往的探讨表明轮式机器人的结构相对也较简洁，在相对平坦的地形上行驶时具有运动速度快速、平稳和限制荷洁的优点。但是由于轮式机器人运动时须要连续的地面支撵，在不平坦或松软的地形上行驶时，能耗大大增加，运动性能也极速降低有时甚至完全丢失移动实力。履带式机器人虽然支掠面积大.牵引附着性能优越，在松软或泥泞的场地行驶时的适应性比轮式有较大的改善，但是在不平地面上行驶时机身晃动严峻：，机动性仍旧差强人意。而多足步行机器人可以利用独立的地面支撵，即使是一系列孤立的点也可以成为它的运动轨迹，所以，与轮式、履带式移动机器人相比，多足步行机器人面对困难的非结构环境时适应性强和敏徒性高，可以代替人类完成很多危急的作业，具有广泛的应用前景。近年来，得益于仿生科学的进步，仿生多足步行机器人如雨后春笋般快速地发展起来，现在已经成为当前各国科学家开发探讨的重点课题之一。1.2 文献综述1.2.1 国外仿生多足机器人探讨柢况自从第一次工业革命以后，随着机械学的不断成熟，机器人渐渐地从人类的幻想进入实现生活中。国外仃据可查的记载是1893年Rygg设计的机械马。此后步行机器人历经了一百多年的发展，取得了长足的进步。在20世纪60年头，美国的Shig1.cy和Ba1.dwin都运用的四轮连杆机构设计出比轮式车和履带式车更为敏捷的四足步行机"Wa1.kingTruck",如图1-1所示，被视为现代多足步行机器人发展史上的个里程碑I1.但由于受到当时技术水平及限制技术的限制，步行机不仅效率低适应性差，而且依靠于人的手脚对液压伺服系统的限制来操纵推个步行机的运动。从步态规划的角度若，这种步行机只能兑是人操作的机械移动装置一在上世纪70年头末以来，随着电子技术及计算机技术的快速发展，多足步行机器人超越了单纯依靠机构限制模式而实现了基于电子计算机技术的限制。其中以美国的McGhce与Frank研制的四足步行机器人”PhonyPony”最具典里和开创性。该机器人具有较好的步态运动稔定性，但由于其关节是由逻辑电路组成的状态机限制的，因此机器人的行为受到限制，只能呈现固定的运动形式.随后他们又研制出具有自主避解功能的六足步行机器人“OSU”，这种机器人每条腿具有"三个自由度，敏捷性高。此外，具有代表性的机渊人还包括1983年美国研制的六足步行机器人"ODEX-I”，如图1-2所示，其6条腿沿圆周方向布置.，每条腿上有三个自由度，适于在狭小空间运动，可以上下台阶.1990年卡内基美隆而校的Whinaker等人研制的用丁外星探测的六足步行机器人"AMB1.ER”，图1-3,该机器人机构的特点是躯体分成两部分，腿可从中间穿过，从而使得后部的腿可迈到前部，地面适应实力增加。1993年该高校又开发出用于火山考察的八足步行机器人"DANTE”,图1-4是其改进型“DANTE-II”,在对斯伯火山的考察中得到r实际应用，传回r很多宝货的数据和图像网.图1-3六足机零人"AMB1.ER图M八足机器人"DANTEJI”从美国引进机版人技术后，日本很快成为这方面的强国。自20世纪8()年头起先，E1.本东京工业高校的ShigcoHirose教授领导的成验室，胜利地开发出8代的T1.TAN系列四足步行机器人。其中，"TITAN-HI”的足由形态记忆合金组成，装有传感器和信号处理系统，可以自动检测与地面接触的状态.姿态传感器和姿态限制系统依据传盛信息作出限制决策，实现在不平地而的自适应静态步行。1994年研制的“T1TAN-V11”作为移动的平台，能够敏捷自由地在坎坷和陡峭的地方步行。图1.5是最新研制的四足机器人"TITAN-Vin”，它具有高度的地面自适应实力，“TITAN-VIH”的腿能够成为有力的工作野，用探测地雷和进行排雷操作。图1-5四足机器人*'11TAN-V1I1自本世纪以来，仿生学、材料学及计算机信息学等学科的发展和交叉淞合，把多足步行机器人的探讨推向新的高潮。这一时期，具有多功能性和自主性对机器人技术进入到新的发展阶段。图1-6所示的是2002年印度研制了六足行走式机器人“舞王”，其基座为一六角形的底盘，装有6条长腿，由18个轴限制，分别安装在底盘的6个角上,在18台电子发动机的惜动下，每条腿都转动，形似个巨大的蜘蛛。此外.“舞王''的基座上还装有用于限制和监视的电脑。据报道称，“舞王”在一台无线台式电脑的遥控下，不仅可以行走、转弯，还可以爬梯子、翻越45厘米高的障碍物。又如美国斯坦福高校于2(X)6年研发的仿