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软着月六足机器人缓冲性能及步态规划研究
摘要
随着探月工程任务的不断深入,传统探测器着陆后姿态不可调整,着陆地形
及探测等不可控因素较多。本文提出一种能适应月球复杂环境、可重复使用、落
月过程中可进行姿态调整、落月后可行走的软着月六足机器人构型,并对软着月
六足机器人的力学特性、动态特性以及落月缓冲过程和月表行走的步态规划进行
研究。
首先,本文设计了软着月六足机器人的整体结构和缓冲部分的关键部件,提
出了一种新型的弹簧阻尼式缓冲腿和仿生缓冲足。该仿生缓冲足结合了鸭掌的宽
大平面和鹰爪强大抓持力的特点。鸭掌结构有助于分散接触压力,减少陷入松软
月壤的可能性;鹰爪结构增强了机器人在崎岖月面上的抓地能力,从而提高其在
复杂月面的机动性。
其次,本文定义了软着月六足机器人的坐标系及缓冲腿关节坐标系,利用D-H
方法构建了单腿步行的运动学模型。通过求解各关节间的旋转矩阵和齐次变换矩
阵,推导了机器人的足端位置矢量、关节转角、雅可比矩阵、系统动能、势能和
关节驱动力矩。这些研究为软着月六足机器人的运动控制提供了理论基础。
然后,本文在运动学仿真中,对软着月过程中六足机器人的着陆姿态与着陆
工况进行分析,确定不同弹簧阻尼系数、水平速度、月面坡度、俯仰角、偏航角
等因素对着陆稳定性的影响,并得出弹簧阻尼系数的最佳值,水平速度越小探测
器稳定性越好;仿真结果表明,当软着月六足机器人的缓冲足为1-2-2-1式时,着
陆稳定性更高,月面坡度越小着陆稳定性越好,需尽可能使探测器在平坦的着陆
区域实现软着陆。
最后,本文根据六足机器人的特点分析了三足步态、四足步态和波动步态三
种典型步态,采用了静态分析方法中的静态稳定边界法,对六足机器人的稳定性
进行分析。分析表明,三足步态行走速度最快,但稳定性最差;波动步态稳定性
最好,但是速度最慢;四足步态介于两者中间。故在平坦的月面采用三足步态增
加巡视效率,崎岖路面采用波动步态,增加巡视稳定性。并对三种步态进行运动
学仿真,仿真结果满足规划目标。
关键词软着月六足机器人;缓冲机构设计;缓冲性能分析;步态规划
-I-
ResearchonBufferingPerformanceandGaitPlanning
ofSoftLandingHexapodRobot
Abstract
Withthedeepeningofthelunarexplorationprojectmission,thetraditionalprobe
attitudeafterlandingcannotbeadjusted,andtherearemoreuncontrollablefactorssuch
aslandingterrainanddetection.Thisthesisproposesasoft-landinghexapodrobot
configurationthatcanadapttothecomplexlunarenvironment,canbereused,canbe
attitudeadjustedduringthemoonlandingprocess,andcanwalkafterthemoonlanding,
andinvestigatesthemechanicalproperties,dynamicproperties,andthegaitplanningof
thesoft-landinghexapodrobotforthemoonlandingbufferprocessandthewalkingon
themoonsurface.
Firstly,thisthesisdesignstheoverallstructureofthesoft-landingsix-leggedrobot
andthekeycomponentsofthecushioningpart,andpropo