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军用轮、腿混合四足机器人设计

更新时间：2019-12-29 21:17:05 大小：3M 上传用户：IC老兵查看TA发布的资源 标签：四足机器人 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

为设计一种可以在迈步行走、有动力轮式机动、无动力轮旱冰式滑行3种运动方式之间灵活转换的轮、腿混合四足机器人,提出一种采用3-PUPS机构的超冗余、可变胞并联机械腿,其构型可以通过伺服电机的抱闸锁定实现变胞变换,从而使机械腿能根据任务需求实时改变自身构型和性能。在建立机械腿3-PUPS机构的运动学和静力学模型基础上,通过定义运动学和静力学性能评价指标,分析了机械腿尺寸参数对其各性能评价指标的影响规律,从而确定机械腿一组使机械腿运动学和静力学性能较为均衡的结构参数,并研制出机械腿的实验样机。建立轮、腿混合四足机器人整机的通用运动学模型,定义机器人整机的性能评价指标,分析机器人整机尺寸参数对其各性能评价指标的影响规律,并确定整机尺寸参数值,在此基础上完成了轮、腿混合四足机器人整机的设计方案。通过一套专用机器人标定系统对机械腿的实验样机进行位姿测量实验。研究结果表明:机械腿运动平台的实际运动沿x轴方向最大偏差为0.041 mm,沿y轴方向最大偏差为0.040 mm,沿z轴方向最大偏差为0.040 mm;绕z轴姿态角最大偏差为0.041°,绕y轴姿态角最大偏差为0.043°,绕x轴姿态角最大偏差为0.045°;机械腿实验样机达到了通用式工业机器人的精度水平。


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1577625417军用轮、腿混合四足机器人设计.pdf 3M

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39  
4
Vol． 39 No． 4  
Apr． 2018  
第
卷第  
期
兵
工
学
报
2 0 1 8  
4
ACTA ARMAMENTARII  
年
月
、
军用轮 腿混合四足机器人设计  
1，2，3  
2，3  
1
，
王洪波  
，
荣誉  
曲梦可  
( 1．  
，
河北科技师范学院 城市建设学院 河北 秦皇岛  
066004; 2．  
，
燕山大学 河北省并联机器人与机电系统实验室 河北 秦皇岛  
066004;  
3．  
，
燕山大学 先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室 河北 秦皇岛  
066004)  
: 、 、 3  
摘要 为设计一种可以在迈步行走 有动力轮式机动 无动力轮旱冰式滑行 种运动方式之间  
、
，
3-PUPS  
、
，
灵活转换的轮 腿混合四足机器人 提出一种采用  
机构的超冗余 可变胞并联机械腿 其构  
型可以通过伺服电机的抱闸锁定实现变胞变换 从而使机械腿能根据任务需求实时改变自身构型  
3-PUPS  
，
。
，
机构的运动学和静力学模型基础上 通过定义运动学和静力学性  
和性能 在建立机械腿  
， ，  
能评价指标 分析了机械腿尺寸参数对其各性能评价指标的影响规律 从而确定机械腿一组使机械  
， 。 、  
腿运动学和静力学性能较为均衡的结构参数 并研制出机械腿的实验样机 建立轮 腿混合四足机  
， ，  
器人整机的通用运动学模型 定义机器人整机的性能评价指标 分析机器人整机尺寸参数对其各性  
， ， 、  
能评价指标的影响规律 并确定整机尺寸参数值 在此基础上完成了轮 腿混合四足机器人整机的  
。 。  
设计方案 通过一套专用机器人标定系统对机械腿的实验样机进行位姿测量实验 研究结果表  
: x  
明 机械腿运动平台的实际运动沿 轴方向最大偏差为  
0. 041 mm， y  
沿
轴方向最大偏差为  
0. 040 mm， z  
沿 轴方向最大偏差为  
0. 040 mm;  
z
0. 041°， y  
绕
绕 轴姿态角最大偏差为  
0. 043°， x 0. 045°;  
绕 轴姿态角最大偏差为  
轴姿态角最大  
偏差为  
机械腿实验样机达到了通用式工业机器人的精  
。
度水平  
关键词 机器人 轮 腿混合 并联机械腿 实验样机  
: TP242. 3 : A : 1000-1093( 2018) 04-0787-11  
文章编号  
:
;
、
;
;
中图分类号  
文献标志码  
DOI: 10． 3969 /j． issn． 1000-1093． 2018． 04． 019  
Design of Military Wheel-leg Hybrid Quadruped Robot  
1，2，3  
2，3  
1
QU Meng-ke  
，WANG Hong-bo ，RONG Yu  
( 1． College of Urban Construction，Hebei Normal University of Science and Technology，Qinhuangdao 066004，Hebei，China;  
2． Parallel Robot and Mechatronic System Laboratory of Hebei Province，Yanshan University，  
Qinhuangdao 066004，Hebei，China;  
3． Key Laboratory of Advanced Forging ＆ Stamping Technology and Science of Ministry of Education，  
Yanshan University，Qinhuangdao 066004，Hebei，China)  
Abstract: A military wheel-leg hybrid quadruped robot is developed，which can move by the dynamic  
driving wheels on the road without being damaged at high speed，and can walk by stepping alternately in  
the ruins with its mechanical legs，and can skate on a flat road by the wheels without dynamic driving．  
The robot can walk at the maximum speed with the minimum energy consumption． A new type of meta-  
: 2017-07-07  
收稿日期  
:
基金项目 国家科技支撑计划项目  
( 2015BAI06B01) ;  
( QN2015185) ;  
河北省高等学校科学技术研究青年基金项目 秦皇岛市科技计  
( 201703A003) ;  
( 2015YB004)  
划项目  
河北科技师范学院博士启动基金项目  
:
作者简介 曲梦可  
( 1981—) ，  
， ，  
讲师 博士  
。E-mail: lixiangcg@ 126． com  
女
兵 工 学 报  
39  
卷
788  
第
morphic mechanical leg based on the 3-PUPS parallel mechanism is proposed，and its kinematic analysis  
is done． The effects of dimension parameters of 3-PUPS mechanism on its kinematic and static evaluation  
indexes are analyzed by defining performance evaluation indexes． A set of the structural parameters of  
mechanical leg is selected，and an experimental prototype of mechanical leg is developed． A general  
mechanism model of wheel-leg hybrid quadruped robot is established，and the relationship among robot's  
parameters and its kinematic and static evaluation indexes is revealed． A set of structural parameters of  
wheel-leg hybrid quadruped robot is selected，and the overall design of wheel-leg hybrid quadruped robot  
is completed． The pose of mechanical leg experimental prototype is measured using a special robot cali-  
bration system． Experimental results show that the maximum error of mechanical leg motion platform a-  
long x axis is 0. 041 mm，the maximum error along y axis is 0. 040 mm，the maximum error along z axis  
is 0. 040 mm，the maximum error of the attitude angle around z axis is 0. 041°，the maximum error of atti-  
tude angle around y axis is 0. 043°，and the maximum error of attitude angle around x axis is 0. 045°．  
The experimental prototype of mechanical leg meets the design requirements．  
Key words: robot; wheel-leg hybrid; parallel mechanical leg; experimental prototype  
人在结构紧凑的同时具有很大的承载能力和灵活  
0
引言  
。
性
关于并联结构机械腿的研究主要集中在纯迈步  
:
行走机器人方面 上海交通大学开发了一系列并联  
可移动式无人机器人在军事领域的应用越来越  
［1 － 2］  
［22 － 29］  
，
，
根据移动实现原理不同 可以分为车辆移  
，
燕山大学也开发了一种并联  
广泛  
结构多足机器人  
机械腿的多足行走椅  
［3 － 8］  
［30］  
、 、 、  
动式 履带移动式 迈步行走式 混合移动式等  
。
。
探索一种综合性能较好  
，
履带 移 动 式 机 器 人 的 通 过 能 力 较 强 但 体 积 笨  
、
的采用并联结构机械腿的轮 腿混合机器人具有很  
［9］  
;
，
车辆移动式机器人普遍采用轮式移动 速度  
。
重
好的军事应用价值  
［10］  
，
较快 但越障能力较差  
;
、
本文提出一种采用变胞机械腿的轮 腿混合  
迈步行走机器人一般是  
、 、 ，  
双足 四足 六足的构型 这类机器人越障能力最强  
，
，
四足机器人 其机械腿的结构可以根据任务需求  
［11］  
，
但速度普遍较低 且能耗很高  
;
、
轮 腿混合式机器  
，
实时改变机构构型及最优性能 通过对机械腿的  
， ，  
机构学分析 选取了机械腿的结构参数 研制出机  
人就是将迈步行走机器人和车辆式移动机器人融合  
，
到一台机器人身上 使其可以根据具体路况选择迈  
。 、  
械腿的实验样机 通过对轮 腿混合机器人整机  
［12 － 13］  
。
、
轮 腿混合机器人的具体  
，
的机构学建模及性能分析 选取了性能较好的整  
步行走或轮式移动  
:
实现结构类型主要有 以轮式移动为主且机械腿可  
，
机尺寸参数 并给出了机器人整机的设计方案  
。
［14 － 15］  
;
、
通过标定系统对机械腿的实验样机进行了位置  
以微调的机器人  
的轮腿一体式机器人  
动力轮子旱冰式滑行的机器人  
轮子装在多足机器人腿末端  
［16 － 19］  
;
( ) ，  
姿态 简称位姿 测量 实验数据表明机械腿的定  
通过机械腿运动带动无  
［20 － 21］  
;
。
轮子装在机器  
位精度满足了设计要求  
， 、 。  
人躯干上 机械腿和轮子分离的轮 腿机器人 上述  
1
变胞机械腿设计  
2 ，  
机器人一般只能在 种运动模式间转换 而将迈步  
、 、  
行走 有动力轮式移动 无动力轮的旱冰式滑行融入  
、 ，  
对于轮 腿混合四足机器人而言 根据其执行任  
， ，  
到一台机器人身上 必将大大提高其运动灵活性 从  
，
务类型和运动方式的不同 对机械腿的最优性能要  
。
， :  
求也不同 如 快速移动时要求机械腿的运动灵活性  
而更好地拓展其军事应用的领域  
、
已有的轮 腿混合机器人普遍采用串联结构的  
、 、  
最好 负重运输时要求机械腿的承载能力最强 崎岖  
，
机械腿 串联机构自身的不足导致这些机械腿的承  
。
地面越障时要求机械腿的抗冲击能力最强 并联机  
， ，  
载能力普遍较弱 其驱动装置均安装在关节上 很难  
、 、 、  
构的特点是其运动学 静力学 动力学 静刚度等性  
，
有效防护 在军事领域应用时环境适应能力较差  
。
，
能很难同时达到最优 往往在使机构的一种性能达  
、 、 ，  
并联机构刚度大 承载能力强 结构紧凑 尤其是其  
， 。 ，  
到最优的同时 其他性能大幅度降低 另外 本文提  
， ，  
驱动装置可以集中安装在固定平台 便于防护 将并  
、 3  
出的轮 腿混合四足机器人能够实现 种运动模式  
，
、 ，  
联机构应用于轮 腿混合机器人的机械腿 将使机器  
而每种运动模式对机械腿的自由度数目和类型的要  

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