【正文】 .......................................... 1 引言 ........................................................................................................................ 1 課題來源、目的及意義 ................................................................................... 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ................................................................................................. 2 本文研究?jī)?nèi)容 ..................................................................................................... 7 2 多足步行機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和誤差分析 ......................................... 9 引言 ........................................................................................................................ 9 研究對(duì)象的介紹 ................................................................................................10 影響運(yùn)動(dòng)誤差的主要因素 ............................................................................. 11 機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和誤差分析 ...............................................................13 串聯(lián)機(jī)械手的正運(yùn)動(dòng)學(xué) ....................................................................................13 機(jī)器人抓取時(shí)的正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 ........................................................................16 算例 ....................................................................................................................19 本章小結(jié) ..............................................................................................................21 3 多足步行機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和誤差分析 ........................................22 機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和誤差分析 ..........................................................22 算例 .......................................................................................................................26 本章小結(jié) ..............................................................................................................28 結(jié)論 ....................................................................................................................................29 致謝 ....................................................................................................................................30 參考文獻(xiàn) ..........................................................................................................................31 附 錄 ...............................................................................................................................33 附錄 1 ..............................................................................................................................33 附錄 2 ..............................................................................................................................37 基于手腳融合的多足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度研究 1 1 緒論 引言 在自然界和人類社會(huì)中 ,存在一些人類無法到達(dá)的地方和可能危及人類生命的特殊場(chǎng)合 ,如行星表面、災(zāi)難發(fā)生礦井、防災(zāi)救援和反恐斗爭(zhēng) 等 ,對(duì)這些危險(xiǎn)環(huán)境進(jìn)行不斷地探索和研究 ,尋求一條解決問題的可行途徑成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展和人類社會(huì)進(jìn)步的需要。 傳統(tǒng) 的 移動(dòng)機(jī)器人主要包括履帶式、足式、輪式、混合式等 多種 運(yùn)動(dòng)形式。 相對(duì)于輪式 、 履帶式 機(jī)器人而言，多足步行機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化、存在不確定性的環(huán)境內(nèi) 移動(dòng)雖 具有 較大 的優(yōu)勢(shì) ，但現(xiàn)有的多足步行機(jī)器人通常作為一種單純的移動(dòng)平臺(tái) ,或者配置特定的機(jī)械臂才能完成作 業(yè)。 鑒于此， 為了拓展多足步行機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用 ,在世界范圍內(nèi)的科研人員對(duì)多足步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及所配工具開展了廣泛的研究 ， 如日本東京工業(yè)大學(xué)開發(fā)了 TITANIX 型排雷四足步行機(jī)器人 。 課題來源、目的及意義 課題來源 于國家自然科學(xué)基金（編號(hào)： 50875246）： 本文是分析多足步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí) 誤差產(chǎn)生的原因，建立誤差分析的模型，對(duì)誤差參數(shù)經(jīng)行分析 。在崎嶇路面上 ,步行機(jī)器人優(yōu)于輪式或履帶式車輛。所以 ,這類機(jī)器人在軍事運(yùn)輸、海底探測(cè)、礦山 開采、星球探測(cè)、殘疾人的輪椅、教育及娛樂等眾多行業(yè) ,有非基于手腳融合的多足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度研究 2 常廣闊的應(yīng)用前景 ,多足步行機(jī)器人技術(shù)一直是國內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。目前，由于工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，針對(duì)其誤差的研究已經(jīng)受到了廣大學(xué)者的關(guān)注，而多足步行機(jī)器人尚未能像工業(yè)機(jī)器人那樣大規(guī)模的應(yīng)用 ,其基礎(chǔ)理論的研究比較滯后 ,關(guān)于其位姿誤差分析的研究自今很少涉及。因此，在多足步行機(jī)器人領(lǐng)域?qū)冗M(jìn)行研究是一項(xiàng)重要而富有實(shí)際意義的工作。該課題的研究將會(huì)促進(jìn)多足步行機(jī)器人向?qū)嵱没~進(jìn)。有據(jù)可查的是在 1893 年 Rygg 設(shè)計(jì) 的機(jī)械馬， 歷經(jīng)一個(gè)多世紀(jì) 的發(fā)展，特別是隨著 20 世紀(jì)后期計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、人工智能技術(shù) 、 生物工程的飛速發(fā)展，多足步行機(jī)器人的研究已 經(jīng) 取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。比較典型的是 由 Mosher（ 美國 ）在 1968 年設(shè)計(jì)的“ WalkingTruck” 四足車 [1]，如圖 11 所示。 在 1976 年 ， 日本的 Shiego Hirose 成功 研制 了 世界上第一臺(tái)四足步行機(jī)器人 KUMO，如圖 12 所示。 1983 年由美國研制的 “ ODEXI” 六足步行機(jī)器人， 6條腿沿圓周 均布 ,且每條腿 有 3個(gè)自由度 ,適于在狹小空間 里 運(yùn)動(dòng) ,還 可以上下臺(tái)階。在 19861988 又研制了 Collie2[3]，如圖 l4 所示。該機(jī)器人 裝有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) ， 實(shí)現(xiàn)了 trot 和 pace 步態(tài)。在 19861988 又研制了 Collie2[3]，如圖 l4 所示。該機(jī)器人 裝有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) ， 實(shí)現(xiàn)了 trot 和 pace 步態(tài)。 1990 年 初 由美國 MIT AI Lab 完成的仿昆蟲有腿行走機(jī)器人 Attila,如圖 16 所示 。 等 研制的 TITAN 系列 四足步行 機(jī)器人歷經(jīng) 了八代。 1994年研制 了 TITANVII，其 能夠 躲 避障 礙和 在陡峭和崎嶇 的地方步行 。 圖 17 TITANVIII 圖 18 ScoutI 加拿大 McGill 大學(xué)研制了四足機(jī)器人 ScoutI [6]，如圖 18 所示，機(jī)器人只有四個(gè)自由度，每條腿有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。 ScoutII [7]，如圖 19所示，能完成奔跑和步行等運(yùn)動(dòng)。該機(jī)器人可進(jìn)行地雷探測(cè)、森林采伐和拆除作業(yè)等。該機(jī)器人 4 條腿完全相圖 19 ScoutII 圖 110 BISAM 基于手腳融合的多足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度研究 5 同，每條腿之間由 3 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)相連，另一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)連接軀干和腿部。 西班牙開發(fā)的四足機(jī)器人 SIL04，如圖 111 所 示。能在不平地面上行走，并能躲避障礙物。該機(jī)器人有 6 條腿 , 且每條腿有 4 個(gè)自由度，具有用手搬運(yùn)物品及用腳移動(dòng)或進(jìn)行作業(yè)的雙重機(jī)能，具 有全方向移動(dòng)的機(jī)能和全方位均等的作業(yè)空間，可懸吊于天花板進(jìn)行作業(yè)或在不平地面上移動(dòng)。 國內(nèi) 從 20世紀(jì) 80 年代 末 90 年代初開始研究步行機(jī) [8]。 1980 年 ,中國科學(xué)院研制 成功了 八足步行 機(jī)器人 。 1990 年 ,中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所研制出了六足步行機(jī)器人 [10]。 1991 年 ,上海交通大學(xué)研制了四足 步行機(jī)器人 JTUWM 系列 [11]。 2021 年 ,上海交通大學(xué)研制了微型六足仿生機(jī)器人 [12]。 從目前國內(nèi)外多足步行機(jī)器人的研究現(xiàn)狀可看出 ，多足步行機(jī)器人多作為一種移動(dòng)平臺(tái)，很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的操作功能。 2021 年由大阪大學(xué)的新井健生、田窪明仁等研制成功的新型手腳統(tǒng)一型步行機(jī)器人ASTERISK[8]，如圖 112 所示。采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，有 6 個(gè) CCD 攝像機(jī)和 11 個(gè)傳感器。 近 年來 ,對(duì) 多足步行機(jī)器人 相關(guān) 技術(shù) 的研究取得了一系列 成果。 1989 年 ,北京航空航天大學(xué)研究 成功了四足步行機(jī)器人。同年 ,清華大學(xué) 也研制成功了全方位三 足步行機(jī)器 人 DTWN。 2021 年 ,上海交通大學(xué)研制了微型雙三足步行機(jī)器人MDTWR。 華中科技大學(xué) 研制 的 4+2 多足步行機(jī)器 人 [14]。對(duì)有手腳融合功能的多足步行機(jī)器人的研究極少涉及。在很多應(yīng)用場(chǎng)合，多足步行機(jī)器人機(jī)身可作為作業(yè)平臺(tái)搭載儀器設(shè)備，因此其定位精度直接影響到機(jī)器人的工作質(zhì)量。 在國外，已有不少學(xué)者對(duì)機(jī)器人誤差建模進(jìn)行了研究。次年，他們又對(duì)機(jī)器人位置精度提出了機(jī)器人位姿誤差建模的矩陣法，在 DH 坐標(biāo)系中，采用兩個(gè) 3 3 旋轉(zhuǎn)變換矩陣和一個(gè) 3 維平移列矢量作為相鄰構(gòu)件之間的轉(zhuǎn)換矩陣，并假設(shè)結(jié)構(gòu)參數(shù)已知，且不存在任何誤差，建立了機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置誤差表達(dá)式。 Chihaur Wu 將機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度分析方法應(yīng)用到靜態(tài)誤差分析中來，導(dǎo)出了由于構(gòu)件結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)變量誤差引起的末端執(zhí)行器位置誤差變化規(guī)律。 Timo 提出一種分析機(jī)器人精度的方法，根據(jù)輸入輸出方程微分推導(dǎo)求得輸出誤差與驅(qū)動(dòng)誤差與尺寸誤差的關(guān)系方程。 在國內(nèi)，關(guān)于并聯(lián)機(jī)器人的誤差理論已成為學(xué)者 的研究熱點(diǎn) [1520]。汪勁松教授 [22]將 Stewart 平臺(tái)的各分支作為假想的單開鏈，利用串聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué) DH 方法，結(jié)合從運(yùn)動(dòng)學(xué)方程微分得到的結(jié)論，推導(dǎo)出Stewart 平臺(tái)并聯(lián)機(jī)器人終端運(yùn)動(dòng)誤差和鉸鏈間隙誤差間的映射關(guān)系。利用蒙特卡洛技術(shù)模擬服從某種概率分布的原始誤差，抽樣 計(jì)算機(jī)器人手部位姿誤差，然后在數(shù)值上完成了機(jī)器人在其可達(dá)工作空間內(nèi)的位姿誤差的各種概率分析。洪林 [24]從典型結(jié)構(gòu) Stewart平臺(tái)出發(fā)，運(yùn)用并聯(lián)機(jī)器人輸入輸出微分關(guān)系，建立了機(jī)器人輸出位姿誤差正解的數(shù)學(xué)模型，全面分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)和位姿參數(shù)對(duì)輸出位姿誤差的影響問題，研究了不同參數(shù)下奇異位形和機(jī)器人位姿正負(fù)偏差最大值出現(xiàn)的位置，結(jié)合對(duì)位姿正負(fù)偏差最大值的控制，提出了結(jié)構(gòu)參數(shù)合理取值以有效避開誤差敏感區(qū)的可行方法。祃琳 [36]以 3－ HSS 型并聯(lián)機(jī)床為對(duì)象，利用空間矢量鏈模型建立零部件制造誤差與動(dòng)平臺(tái)位姿誤差的映射關(guān)系，當(dāng)給定零部件制造公差后，利用該模型即可預(yù)估出動(dòng)平臺(tái)的位姿誤差。 本文研究?jī)?nèi)容 本文以四足步行機(jī)器人為研究對(duì)象，在討論其運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)上，提出了誤差建模與分析的方法，并結(jié)