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一种水陆两栖机器人的两移两转串并混联腿机构

更新时间：2019-12-26 21:17:32 大小：2M 上传用户：IC老兵查看TA发布的资源 标签：水陆两栖机器人 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

为了适应水陆两栖机器人的复杂工作环境,提出一种同时拥有直线驱动和转动驱动的串并混联四足步行机器人。将串并混联机器人腿部机构简化为2UPU-UPR并联机构,并运用螺旋理论分析该并联机构的自由度特性,Y方向的位置和Z方向的姿态是影响机构运动的两个独立变量。推导出了2UPU-UPR并联机构的运动学反解及其速度雅克比矩阵,并根据速度雅克比矩阵分析了该机构的三类运动学奇异位形,2UPU-UPR并联机构没有运动学反解奇异,但是存在四种运动学正解奇异和两种混合奇异。通过对该机构组成的四足机器人进行直行步态规划,验证了机器人的运动稳定性;对一简单实例进行了单腿机构运动学仿真,分析其输入输出变化关系。研究结果可为机构的进一步动力学分析与应用提供理论基础。


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39  
1
期
Vol． 39 №． 1  
Jan． 2018  
第
卷第  
哈
尔
滨
工
程
大
学
学
报
2018  
1
月
年
Journal of Harbin Engineering University  
一种水陆两栖机器人的两移两转串并混联腿机构  
1
1
2
1
， ， ，  
马广英 陈原 姚云龙 高军  
( 1．  
( ) ，  
山东大学 威海 机电与信息工程学院 山东 威海  
264209; 2．  
( ) ，  
山东大学 威海 基建处 山东 威海  
264209)  
: ，  
要 为了适应水陆两栖机器人的复杂工作环境 提出一种同时拥有直线驱动和转动驱动的串并混联四足步行  
摘
。
机器人 将串并混联机器人腿部机构简化为  
2UPU-UPR  
，
并联机构 并运用螺旋理论分析该并联机构的自由度特  
，Y  
Z 。  
方向的位置和 方向的姿态是影响机构运动的两个独立变量 推导出了  
2UPU-UPR  
性
并联机构的运动学反解  
，2UPU-UPR  
并联机构没有运动  
，
及其速度雅克比矩阵 并根据速度雅克比矩阵分析了该机构的三类运动学奇异位形  
， 。  
学反解奇异 但是存在四种运动学正解奇异和两种混合奇异 通过对该机构组成的四足机器人进行直行步态规  
， ; ， 。  
划 验证了机器人的运动稳定性 对一简单实例进行了单腿机构运动学仿真 分析其输入输出变化关系 研究结果  
。
可为机构的进一步动力学分析与应用提供理论基础  
:
;
;
;
;
;
;
关键词 串并混联机器人 并联机构 螺旋理论 运动学 奇异性 步态规划 自由度计算  
DOI: 10. 11990 /jheu． 201608038  
: http: / /www． cnki． net/kcms/detail/23. 1390． u． 20171204． 1700． 006． html  
网络出版地址  
: TH112; TP24  
: A  
: 1006-7043( 2018) 01-0135-08  
文章编号  
中图分类号  
文献标志码  
2T2R serial-parallel hybrid leg mechanism of amphibious manipulator  
1
1
2
1
MA Guangying ，CHEN Yuan ，YAO Yunlong ，GAO Jun  
( 1． School of Mechanical，Electrial ＆ Information Engineering，Shandong University，Weihai 264209，China; 2． Infrastructure Depart-  
ment，Shandong University，Weihai 264209，China)  
Abstract: To adapt to the complex working environment of an amphibious manipulator，a serial-parallel hybrid  
quadruped walking manipulator comprising a linear and a rotary drive is proposed herein． The leg mechanism of the  
serial-parallel hybrid manipulator was simplified as a 2UPU-UPR parallel mechanism，and the degree of freedom of  
the parallel mechanism was analyzed using screw theory． The results showed that the position of the Y direction and  
the orientation of the Z direction were two independent variables that influenced the movement of the mechanism．  
Theoretical derivation was used to deduce kinematics inverse solution and the velocity Jacobian matrix of the 2UPU-  
UPR parallel mechanism． Three types of kinematic singularities of the 2UPU-UPR parallel mechanism were identi-  
fied based on the analysis of the Jacobian matrix． The results showed that the 2UPU-UPR parallel mechanism did  
not comprise kinematic inverse singularities; however，four types of kinematic forward singularities and two types of  
combined singularities were found in the mechanism． The motion stability of the four-legged robot，which was driv-  
en by the mechanism，was verified via straight gait planning． Finally，the kinematics simulation of the single leg  
was performed as a simple demonstration and its input-output relation was analyzed． The results obtained in this  
study can provide the theoretical basis for further dynamics analysis and possible applications of the mechanism．  
Keywords: serial-parallel hybrid manipulator; parallel mechanism; the screw theory; kinematics; singularity; gait  
planning; calculation of degree of freedom  
( ) ，  
足式 步行 机器人相比轮式机器人 具有更高  
， ， : 、  
作业任务 尤其是在突发灾难的区域 如 地震 火  
［1］  
，
的机动能力和越障能力 更适合在复杂地形中执行  
、
灾 沉船等场合  
。
四足步行机器人由于运动灵  
， ，  
活 稳定性好 在整个步行机器人中占有很大的比  
［2 － 3］  
，
重 是目前机器人研究领域的热点之一  
。
: 2016 － 08 － 19．  
: 2017 － 12 － 04．  
收稿日期  
网络出版日期  
( 51375264) ;  
:
基金项目 国家自然科学基金项目  
山东省科技重大专项  
现有的四足机器人腿部结构大多采用串联机  
( 2015JMRH0218 ) ;  
( 2017CXGC0923 ) ;  
( 2017GGX30112) ．  
山 东 省 重 大 科 技 创 新 工 程  
［4］  
，
构 如美国波士顿动力公司研制的  
BigDog  
Lit-  
和
山
东 省 重 点 研 发 计 划  
［5］  
［6］  
tleDog  
、
HyQ  
、
意大利理工学院研制的  
日本千叶  
:
作者简介 马广英  
( 1979 － ) ，  
， ，  
讲师 博士  
．
女
:
通信作者 马广英  
，E-mail: gyma@ sdu． edu． cn．  
Hyperion 4  
技术学院研制的  
机器人和山东大学研制  
·136·  
39  
卷
哈
尔
滨
工
程
大
学
学
报
第
［7］  
。
， U 2 1  
副 副驱动支链的 副连接块 分别与四个支座  
的液压驱动四足仿生机器人  
等
串联腿机器人  
，
由于腿部安装了驱动器和相应的传感器 增加了腿  
，
1
B
连接形成转动副 四个支座 分别固定在底盘  
。T 3  
型腿部 上端杆件中空并与  
，
部较低位置的质量及机器人的腿部转动惯量 降低  
下方的对应位置  
。
了腿部的机动性 而并联腿机构主要应用在单足或  
4 ，T 3  
主驱动支链的连杆 连接形成转动副 型腿部  
， ，  
双足机器人中 在四足机器人领域的应用还较少 王  
，
下端杆件与副驱动支链连接形成转动副 每条支  
［8］  
［9］  
、Gao F  
，
，
路的移动副由液压缸驱动 转动副由伺服电机驱  
洪波  
等
分别提出了四足并联腿机器人  
。
并对其进行了腿部机构的力学性能分析 并联腿机  
， T ，  
动 将 型腿安装在动平台上 便可作为水陆两栖  
， ，  
构具有较大的刚度 可提高机器人的载重自重比 同  
。
机器人的末端执行机构 其腿部构型简图如图  
3
; 、  
时使机身运动更加平稳 但通常形式复杂 构件数目  
。
所示  
、 、 ，  
较多 驱动器布置容易干涉 工作空间小 阻碍了高  
。
速高承载能力的发挥  
［10］  
［11］  
，
为克服上述不足 田兴华  
、
高建设 等将串  
，
并混联机构引入四足仿生机器人中 提出了几种不  
，
同的混联腿机构 并对其进行了比较及运动分析与  
。
仿真 混联腿机构结合了并联机构和串联机构的优  
， / ，  
点 可在提高机器人载重 自重比的同时 满足快速  
， 、 、  
稳定响应的需求 从而实现高速 低能耗 高承载的  
。 ，  
运动 但由于结构本身原因 在性能分析方面相对  
。
并联机构要复杂一些  
，
本文针对水陆两栖机器人的工作特点 提出了  
: A．  
，B．  
，C．  
，D、E、F．  
。
直线驱动器  
注
搭载平台  
底盘  
转动驱动器  
一种同时拥有直线驱动和转动驱动的四足步行串并  
1
图
四足串并混联步行机器人  
，
混联机器人 该机器人的串并混联腿机构为具有两  
Fig． 1 Quadruped serial-parallel walking manipulator  
( 2T2R)  
。2T2R  
机
移动两转动  
构把空间的移动和转动有机结合起来 在工业中有  
2T2R  
的空间四自由度机构  
，
。
着广泛的应用 国内外学者对  
机构已开展了  
并联机构的构  
对 不 同 的  
，
［12 － 16］  
， Fan  
一定的研究 如  
2T2R  
对
等
［17 － 18］  
。Ye  
型综 合 方 法 进 行 了 研 究  
2T2R  
等
并联机构进行了运动学分析和性能分析 为  
2T2R  
。
为
并联机构的应用提供了较好的技术支持  
2T2R  
了方便对串并混联  
机构进行运动学分析和性  
，
能分析 本文将其等效为  
2UPU-UPR  
，
并联机构 然后  
，
基于螺旋理论对其自由度进行分析 推导其动平台  
，
姿态约束方程及机构的位置反解方程 利用速度雅  
。
克比矩阵分析了机构的奇异特性  
: 1．  
，2．  
，3． T  
，4．  
，5．  
，
连接件  
注
支座  
连接块  
型腿部  
，D、F．  
转动驱动器  
连杆  
直线驱动器  
机器人腿部结构  
Fig． 2 The leg structure of the manipulator  
B．  
，C．  
。
底盘  
1
串并混联步行机器人及其腿部结构  
2
图
1
，
为设计的四足串并混联步行机器人 搭载  
图
A B ，  
平台 固定在底盘 上 既可以保护步行机器人的  
3 ，  
考虑到图 中串并混联结构构型的复杂性 在  
控制系统设备又可以为步行机器人提供外部拓展功  
，
不影响其运动状态的情况下 将上述结构简化为  
， 、 、  
能的搭载平台 如各项侦测 维修 抢险等具备复杂  
4。  
4
主要对主驱动支链做了下面两部分改  
图
图
， 、  
功能的拓展操作设备 实现水下 陆地各种复杂环境  
: ，  
变 第一 将转动副  
R
，
去掉 把两个支链的转动副  
1
。
下的操作任务  
R 、R  
2
U
( U 、U )  
1 2  
; ，  
代替 第二 将转动副  
用两个  
副
3
2
。
转
图
为串并混联步行机器人的腿部构型  
R
，
去掉 将两端的转动副  
R 、R  
4
U
变成两个 副  
6
5
C、  
直线驱动器  
E、F  
4
和连杆 构成主驱  
动驱动器  
( U ，U ) 。  
3 4  
这样整个腿部结构的运动状态没有改  
2UPU-UPR  
;
动支链 直线驱动器  
D、U  
2
R
和 副连接  
副连接块  
，
变 而原来的串并混联机构变成了  
并
5
。
构成副驱动支链 其中主驱动支链的转动驱  
件
，
联机构 可以利用并联机构分析方法对其进行运  
C B  
动器 分别与底盘 的对应位置连接形成转动  
。
动分析和奇异分析  

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