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硕士学位论文

六足仿生机器人结构优化设计及其位
姿控制策略研究

TRUCTURAL OPTIMIZATION DESIGN AND
RESEARCH ON POSTURE CONTROL STRATEGY OF
BIOMIMETIC HEXAPOD ROBOT


刘海清








哈尔滨工业大学
2012 年 7 月
国内图书分类号:TP244 学校代码:10213
国际图书分类号: 密级:公开





工学硕士学位论文


六足仿生机器人结构优化设计及其位姿控制策略研究




硕士研究生: 刘海清
导师: 邓喜军教授
申请学位: 工学硕士
学科: 机械电子工程
所在单位: 机电工程学院
答辩日期: 2012 年 7 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
Classified Index: TP244
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Dissertation for the Master Degree in Engineering



TRUCTURAL OPTIMIZATION DESIGN AND
RESEARCH ON POSTURE CONTROL STRATEGY OF
BIOMIMETIC HEXAPOD ROBOT



Candidate: Liu Haiqing
Supervisor: Prof. Deng xijun
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Speciality: Mechatronic Engineering
Affiliation: School of Mechatronics Engineering
Date of Defence: July, 2012
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
随着科技的发展,机器人的研究逐渐从结构化环境中的定点作业向非结构
化环境中的自主作业转变,这要求机器人具有在非结构化地形下自主行走的能
力。六足机器人的步态丰富,具有较高的灵活性和稳定性,同时能够通过位姿
的实时调整来提高机器人的步行稳定性,对地形的适应能力强,因而能够满足
在崎岖地形中稳定行走的要求。
本课题研究的目的是设计一种模块化,集成化,多传感器的,能够在非结
构化环境下全方位稳定行走的六足仿生机器人,在此基础上对机器人的运动学
进行分析,并进一步对机器人的位姿控制策略进行研究,从而实现六足机器人
的稳定行走。
首先,结构设计部分,以节肢动物为仿生原型,考虑机器人的功能实现和
其它现实因素,完成六足机器人的整体机械结构设计及腿部的结构优化。结构
设计包括:从仿生学的角度对六足机器人进行结构建模,以灵活性和稳定性为
设计目标来进行机器人的躯干设计,同时以模块化和集成化为设计指导,对腿
部结构进行优化,减小腿部的重量和尺寸。
针对设计出的六足机器人,建立 D-H 坐标系,对机器人的摆动腿和支撑腿
进行正逆运动学分析,为之后的位姿控制策略研究打下基础。同时对六足机器
人摆动腿和躯干的工作空间进行分析,为六足机器人的运动规划提供条件。
针对六足机器人的步行稳定问题,对机器人的位姿控制策略进行研究,并
将其分成两步来实施:采用基于最优位姿和重心调整的位姿调整策略,完成机
器人的位姿调整;同时基于足力控制的位姿保持策略,实现机器人的稳定行走;
六足机器人的位姿控制通过力/位混合控制系统来实现。位姿控制策略的研究,
为六足机器人的整体运动规划和控制打下基础。
最后,将设计的 Pro/e 机械结构模型导入到 Adams/View 环境下,建立约束
和运动,对位姿调整策略进行仿真验证。然后将 Adams 模型导入到 Matlab 环
境下,建立 Simulink 控制系统,对位姿保持策略进行联合仿真实验并分析结果。

关键词:六足机器人;结构设计;运动学分析;位姿控制策略;力/位混合控制

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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
With the development of science and technology, Robotics Research is
gradually changing