一种基于 2-UPS+UP 机构的并联机械腿设计

摘 要

　　目前，六足机器人是机器人领域的研究热点之一，已有的六足机器人普遍采用 6条相同或相似的串联结构机械腿连接在机器人躯干上的结构形式，采用这类结构的六足机器人要么为了获得紧凑的结构而使其机体单薄、脆弱，要么为了获得较大的承载能力而使其体积庞大、不灵活。将并联机构应用于六足机器人的腿部机构，能够改善传统串联机械腿式六足机器人固有的不足，使六足机器人在获得很大承载能力、较好运动灵活性、较高运动精度和刚度的同时，还能够保持紧凑的结构和轻巧的体积，从而增强六足机器人的环境适应性和工程实用性。

　　分析了六足机器人整体构型方式，通过机器人整体构型分析确定了其每条机械腿需要具有的自由度情况，并以此为依据分析并联机械腿的构型方式，根据机械腿的足与地面接触方式的不同将其分为点接触式和面接触式两类，采用螺旋理论对这两类机械腿进行了具体构型分析。以 2-UPS+UP 机构为初始机构，通过多次解耦性优化得到了一种解耦性较好的（U+UPR）P+UPS 机构，做为点接触式机械腿的机构原型。以3-UPS机构为初始机构，通过解耦性优化得到了一种解耦性较好的2-UPS+UPU机构，做为面接触式机械腿的机构原型。

　　建立了（U+UPR）P+UPS 机构的位置模型，给出了（U+UPR）P+UPS 机构的工作空间，对（U+UPR）P+UPS 机构的运动学、静力学、动力学进行了分析，通过定义性能评价指标对（U+UPR）P+UPS 机构的各项机构学性能进行了评价，并揭示了其结构参数与各项性能评价指标之间的关系，为结构参数选取提供依据。采用蒙特卡洛法选取了一组较为合理的结构参数，设计了一种基于（U+UPR）P+UPS 机构的 3 自由度并联机械腿虚拟样机，并通过仿真验证了虚拟样机方案的可行性。在考虑误差包容性的同时，对与（U+UPR）P+UPS 机构具有相同拓扑结构和 相似的机构构型的（U+UPS）P+UPS 机构 进行了误差分析 ,并通过定义误差敏感性评价指标对（U+UPS）P+UPS 机构做出了误差敏感性评价。

　　建立了 2-UPS+UPU 机构的位置模型，分析了 2-UPS+UPU 机构的工作空间，对2-UPS+UPU 机构的运动学、静力学、动力学进行了分析，在定义性能评价指标的基础上对 2-UPS+UPU 机构的各项机构学性能进行了评价，并揭示了其结构参数与各项性能评价指标之间是关系，同样，采用蒙特卡洛法选取了一组较为合理的结构参数，设计了一种基于 2-UPS+UPU 机构的 5 自由度并联机械腿虚拟样机，并对虚拟样机进行了仿真分析验证。

　　设计了一种结构解耦的六足机器人整体的虚拟样机，通过对六足机器人整体三角步态运动过程中的机构等效转换，将机器人整体的三角步态瞬时构型等效为一个三分支并联机构，并对等效并联机构进行了运动学分析，从而为机器人运动过程中的躯干姿态调整提供依据。然后，以三角步态做为六足机器人的步态规划模型，对其运动过程中的步态节拍进行了规划，并将运动过程进行了仿真，得到了机器人运动过程中机械腿的驱动参数曲线。

　　设计了一种基于 2-UPS+UP 机构的并联机械腿，并以此为基础设计了一种六足机器人整体方案，在考虑机械制造、装配工艺因素的基础上，研制了六足机器人试验样机，验证了采用并联机械腿的六足机器人概念可行性。这些为探索新结构六足机器人提供了重要依据，也拓展了六足机器人的应用领域。

　　关键词：六足机器人；并联机械腿；解耦机构；性能评价指标；优化设计；试验样机

Abstract

　　At present, hexapod robot is one of the hot topics in the field of robot. The existinghexapod robots are generally designed with 6 serial mechanical legs on there trunks.Hexapod robots with this kind of structure are very thin and fragile to ensure that theirstructures are compact. Or their volumes are very large to ensure that they have greatbearing capacity. In this paper, parallel mechanisms have been applied to the mechanicallegs of hexapod robots, so deficiencies of serial mechanical legs can be improved. Parallelmechanical legs can make hexapod robots have great bearing capacities and movementflexibilities, and they also have compact structures. This can improve the environmentadaptability and practicability of hexapod robots.

　　The hexapod robot's overall configuration has been analyzed in this paper, so thenumber and type of mechanical leg's degree of freedom has been determined. Mechanicallegs are pided into two classes: point contact and surface contact, based on the contactforms between foots and ground. The screw theory has been used for configurationanalysis, 2-UPS+UP parallel mechanism was chosen as the initial mechanism,（U+UPR）P+UPS parallel mechanism was obtained as the final mechanism for the pointcontact mechanical leg by decoupling optimized. And then 3-UPS parallel mechanism waschosen as the initial mechanism, 2-UPS+UPU parallel mechanism was obtained as thefinal mechanism for the surface contact mechanical leg by decoupling optimized.

　　The position negative solutions formulas of （U+UPR）P+UPS parallel mechanismhave been established. The kinematics, statics and dynamics of （U+UPR）P+UPS parallelmechanism have been analyzed, and the mechanisms performances of （U+UPR）P+UPSparallel mechanism have been evaluated by defining the performance evaluation indexes.Relations between structural parameters and performance evaluation indexes have beenrevealed. An excellent set of structural parameters have been found by Monte Carlomethod. A new kind of 3-DOF parallel mechanical leg has been designed based on（U+UPR）P+UPS parallel mechanism. The error model and sensitivity of （U+UPS）P+UPSparallel mechanism （it has the same topological structure with （U+UPR）P+UPS parallel mechanism） have been analyzed, considering the error tolerance and technological factors.

　　The position negative solutions formulas of 2-UPS+UPU parallel mechanism havebeen established. The kinematics, statics and dynamics of 2-UPS+UPU parallelmechanism have been analyzed, and the mechanisms performances of 2-UPS+UPUparallel mechanism have been evaluated by defining the performance evaluation indexes.Relations between structural parameters and performance evaluation indexes have beenrevealed. An excellent set of structural parameters have been found by Monte Carlomethod. A new kind of 5-DOF parallel mechanical leg has been designed based on2-UPS+UPU parallel mechanism.

　　The virtual prototype of a new kind of hexapod robot with decoupling structure hasbeen designed based on the （U+UPS）P+UPS parallel mechanism leg. The instantaneousequivalent parallel mechanism of the hexapod robot with （U+UPS）P+UPS parallelmechanism legs was obtained, and its kinematics has been analyzed. The gait planning ofthe hexapod robot with （U+UPS）P+UPS parallel mechanism legs has been analyzed bydouble-triangle gait, and its motion simulation has been done. The curves of driveparameters have been obtained.A new kind of hexapod robot's experimental prototype with 2-UPS+UP parallelmechanism legs has been designed. Considering the mechanical manufacturing process,the experimental prototype was manufactured. The concept of hexapod robot with parallelmechanism legs has been validated. These findings extend the application fields ofhexapod robot.

　　Keywords: hexapod robot; parallel mechanical leg; decoupling mechanism; performance evaluation index; structural optimization design; experimental prototype

目 录

　　第 1 章 绪 论

　　1.1 研究背景及意义

　　机器人的广泛应用是人类历史上最伟大的成就之一，用于代替人从事制造类生产劳动的通用工业机器人技术已经十分成熟，并早已得到了广泛应用[1,2].而用于代替人从事户外复杂操作、运输、探索、救灾、维修等工作的机器人，多数都处于试验、研究阶段。人类活动有一半儿以上处于户外环境，要想在这些环境中使机器人成功替代人类开展各种工作，成熟的通用式工业机器人技术显然不适合，而能够自主运动的可移动式机器人十分适合在这类环境中为人类服务[3].要实现机器人的自主移动，可以通过轮式行进、履带式行进、足式步行、爬行、跳跃等多种方式。根据美国陆军的统计，地球上的陆地中有超过一半的面积是轮式、履带式等常规交通工具无法行进和通过的[4].足式步行机器人由于其采用非全时接触的行进方式，十分适合在复杂、崎岖地面通过和工作，可以大大拓展人类在复杂地貌环境的各种作业任务[5-7].足式步行机器人主要包括：双足、四足、六足、八足机器人，其中双足机器人的控制非常复杂，导致运动稳定性差；四足机器人由于其自身的步态特点，在迈步的时候比较容易失稳；八足机器人由于分支过多，容易导致结构庞大。所以，六足机器人根据其自身的结构特点，可以在保持较大承载能力和运动灵活性的同时获得稳定的行进步态，非常适合在复杂地况作业[8].

　　根据已经公开的资料统计，全世界已经有近 80 种有实际应用价值的六足机器人问世，而机器人爱好者制作的小型科普六足机器人更是数量众多[9,10].目前，已有的六足机器人普遍采用 6 条相同或相似的串联结构机械腿均布连接在机器人躯干上的主体结构形式，采用这种结构的机器人，如果想获得较大的承载能力和迈步行程，就必须加长、加粗其机械腿每个构件的长度和尺寸，这会导致机器人的体积十分庞大、笨重；如果想获得较小、较紧凑的机器人体积，就必须将机械腿各构件设计的纤细精巧，这会导致机器人的承载能力和迈步行程急剧下降。要想使六足机器人在体积、结构紧凑的同时，还可以获得较大的承载能力和较好的迈步行程及运动灵活性，采用现有的串联结构机械腿来设计六足机器人是很难实现的。

　　将并联机构应用于六足机器人的腿部机构，能够改善传统串联机械腿式六足机器人固有的不足，使六足机器人在获得很大承载能力、较好运动灵活性、较高运动精度和刚度的同时，还能够保持紧凑的结构和轻巧的体积，从而增强六足机器人的环境适应性和工程实用性。因此，分析和研究基于并联腿部结构的六足机器人，具有很高的理论研究价值和工程应用意义。

　　1.2 六足机器人研究进展

　　1.2.1 国外六足机器人研究现状分析

　　1.2.2 国内六足机器人研究现状分析

　　1.3 并联机械腿研究进展

　　1.4 本文的主要研究内容

　　第 2 章 机器人整体及机械腿构型分析

　　2.1 构型思路

　　2.2 机器人整体构型分析

　　2.2.1 腿与躯干连接点布局分析

　　2.2.2 机器人整体的等效机构及自由度分析

　　2.2.3 机器人整体的等效机构旋量系分析

　　2.3 机械腿构型分析

　　2.3.1 点接触式机械腿自由度及旋量系分析

　　2.3.2 点接触式机械腿构型分析

　　2.3.3 面接触式机械腿构型分析

　　2.4 腿部机构的解耦性优化

　　2.4.1 2-UPS+UP 机构的解耦性优化

　　2.4.2 3-UPS 机构的解耦性优化

　　2.5 基于并联机械腿的六足机器人构型实例

　　2.6 本章小结

　　第 3 章 3-DOF 并联机械腿的分析与设计

　　3.1 （U+UPR）P+UPS 机构位置分析

　　3.1.1 （U+UPR）P+UPS 机构坐标系建立与姿态描述

　　3.1.2 （U+UPR）P+UPS 机构位置反解

　　3.2 （U+UPR）P+UPS 机构工作空间分析

　　3.2.1 （U+UPR）P+UPS 机构约束条件

　　3.2.2 （U+UPR）P+UPS 机构工作空间分布

　　3.2.3 （U+UPR）P+UPS 机构结构参数与工作空间关系

　　3.3 （U+UPR）P+UPS 机构运动学分析

　　3.3.1 （U+UPR）P+UPS 机构速度映射关系

　　3.3.2 （U+UPR）P+UPS 机构运动灵活性分析

　　3.4 （U+UPR）P+UPS 机构全静力学分析

　　3.4.1 （U+UPR）P+UPS 机构驱动/约束静力映射关系

　　3.4.2 （U+UPR）P+UPS 机构驱动静力学性能评价及分析

　　3.4.3 （U+UPR）P+UPS 机构约束静力学性能评价及分析

　　3.5 （U+UPR）P+UPS 机构动力学分析

　　3.5.1 （U+UPR）P+UPS 机构各构件运动学描述

　　3.5.2 （U+UPR）P+UPS 机构动力学建模

　　3.5.3 （U+UPR）P+UPS 机构驱动参数预估

　　3.6 （U+UPS）P+UPS 机构误差分析

　　3.6.1 （U+UPS）P+UPS 机构误差矢量建立

　　3.6.2 （U+UPS）P+UPS 机构误差源分析

　　3.6.3 （U+UPS）P+UPS 机构误差模型的建立

　　3.6.4 （U+UPS）P+UPS 机构误差敏感性分析

　　3.7 3-DOF 并联机械腿虚拟样机设计

　　3.7.1 3-DOF 并联机械腿参数选取

　　3.7.2 3-DOF 并联机械腿虚拟样机设计

　　3.7.3 3-DOF 并联机械腿在步行运动中仿真分析

　　3.8 本章小结

　　第 4 章 5-DOF 并联机械腿的分析与设计

　　4.1 2-UPS+UPU 机构位置分析

　　4.1.1 2-UPS+UPU 机构坐标系建立与姿态描述

　　4.1.2 2-UPS+UPU 机构位置反解

　　4.2 2-UPS+UPU 机构工作空间分析

　　4.2.1 2-UPS+UPU 机构约束条件

　　4.2.2 2-UPS+UPU 机构工作空间分布

　　4.2.3 2-UPS+UPU 机构结构参数与工作空间关系

　　4.3 2-UPS+UPU 机构速度映射模型

　　4.4 2-UPS+UPU 机构全静力学分析

　　4.4.1 2-UPS+UPU 机构驱动/约束静力映射关系

　　4.4.2 2-UPS+UPU 机构驱动静力学性能评价及分析

　　4.4.3 2-UPS+UPU 机构约束静力学性能评价及分析

　　4.5 2-UPS+UPU 机构动力学分析

　　4.5.1 2-UPS+UPU 机构各构件运动学描述

　　4.5.2 2-UPS+UPU 机构动力学建模

　　4.5.3 2-UPS+UPU 机构驱动参数预估

　　4.6 5-DOF 并联机械腿虚拟样机设计

　　4.6.1 5-DOF 并联机械腿参数选取

　　4.6.2 5-DOF 并联机械腿虚拟样机设计

　　4.6.3 5-DOF 并联机械腿在步行运动中仿真分析

　　4.7 本章小结

　　第 5 章 基于并联机械腿的六足机器人整体设计

　　5.1 基于（U+UPS）P+UPS 机构的六足机器人设计

　　5.1.1 基于（U+UPS）P+UPS 机构六足机器人布局分析

　　5.1.2 基于（U+UPS）P+UPS 机构六足机器人运动学分析

　　5.1.3 基于（U+UPS）P+UPS 机构六足机器人步态分析

　　5.2 基于 2-UPS+UP 机构的六足机器人试验样机研制

　　5.2.1 六足机器人试验样机机构选型与参数确定

　　5.2.2 六足机器人试验样机机械腿研制

　　5.2.3 六足机器人试验样机整体研制

　　5.3 本章小结

结 论

　　本文对六足机器人整体及机械腿进行了构型分析，提出了 2 种并联机械腿的具体构型并进行了分析与优化设计，提出了采用并联机械腿的六足机器人整体设计方案并研制了试验样机。通过研究，取得的主要研究成果为：

　　（1）分别提出了一种 3 自由度和一种 5 自由度并联机械腿的机构原型，其具体结构分别为（U+UPR）P+UPS 和 2-UPS+UPU 并联机构，具有转动解耦性。推导了这 2 种机构的位置反解，并对其工作空间、运动学、全静力学、动力学进行了分析，通过定义这 2 种机构的各种性能评价指标，揭示了其结构参数与性能评价指标之间的关系，利用蒙特卡洛法选取了这 2 种机构各自性能较好的具体结构参数，分别设计了一种 3 自由度和一种 5 自由度并联机械腿的虚拟样机。

　　（2）提出了一种误差包容性和工艺性较好的 3 自由度并联机械腿的机构原型，其具体结构为（U+UPS）P+UPS 并联机构，该机构与（U+UPR）P+UPS 机构具有相同的拓扑结构和相近的性能，但其误差包容性和工艺可制造性更好。建立了该机构的误差模型，并对其进行了误差传递分析。

　　（3）提出了一种结构解耦的六足机器人整体设计方案，该方案采用了一种基于（U+UPS）P+UPS 机构的 3 自由度并联机械腿。通过对该六足机器人整体进行运动瞬时机构等效代替，对其采用三角步态时的瞬时等效并联机构进行了运动学分析，为机器人运动过程中的躯干姿态调整提供了依据。将三角步态做为该六足机器人的步态模型，对其进行了步态规划和运动仿真。

　　（4）设计了一种基于 2-UPS+UP 机构的并联机械腿，并以此为基础设计了一种六足机器人整体方案，在考虑机械制造、装配工艺因素的基础上，研制了六足机器人试验样机，验证了采用并联机械腿的六足机器人概念可行性。

　　本文的主要创新之处为：

　　（1）分别提出了一种 3 自由度和一种 5 自由度并联机械腿，其具有很好的运动解耦性，从而使其控制模型更加简单，这 2 种机械腿的结构紧凑、承载能力强、运动灵活性好，能够为六足机器人提供有效的运动动作，通过选取合理的结构参数，分 别设计一种 3 自由度和一种 5 自由度并联机械腿的虚拟样机。

　　（2）提出了一种结构解耦的六足机器人整体设计方案，采用基于（U+UPS）P+UPS机构的 3 自由度并联机械腿，该六足机器人整体和机械腿的解耦性均较好，其在性能方面兼顾了承载能力和运动灵活性，同时具有非常紧凑的结构，通过采用自适应式面接触足，从而获得了很好的运动稳定性，根据工艺因素选取了结构参数，设计了该六足机器人的虚拟样机。

　　（3）研制了一种采用并联机械腿的六足机器人试验样机，验证了采用并联机械腿的六足机器人概念可行性。

　　本文的研究成果为采用并联机械腿的六足机器人设计与应用奠定了理论基础。

　　尚需进一步研究之处为：

　　（1）对六足机器人整体的静力学进行分析与研究，以对其整体进行结构优化。

　　（2）对六足机器人整体的动力学进行研究，从而基于动力学模型建立机器人的控制系统模型。

　　（3）对六足机器人整体的误差模型进行研究，并以此为依据评估机器人整体的运动误差和静态误差情况。

致 谢

　　首先感谢导师金振林教授，在他的亲切关怀和悉心指导下，我的博士学业得以顺利完成。导师严谨的学术风范、渊博的知识体系、精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，给我留下深刻的印象，令学生受益终身。在整个课题研究期间，从论文选题、课题研究到论文撰写处处凝聚着导师的心血和汗水，其所展现的科学研究作风、为人师表的师德精神和伟大的人格魅力，令我终生难忘，为我今后的人生道路指明了方向，同时金老师还在思想、生活上给我以无微不至的关怀和帮助，使我明白了许多为人处世的道理。值此论文完成之际，谨向尊敬的导师致以崇高的敬意和衷心的感谢！ 在课题的研究工作和论文撰写过程中，得到了李研彪、王跃灵师兄、崔冰艳师姐的大力支持与热心帮助，在此表示衷心的感谢。

　　衷心感谢父母和妻子曲梦可、儿子荣书剑多年来无私的关爱以及在精神和物质上不懈的支持与奉献！

　　感谢机械系统与振动国家重点实验室提供的科研平台。

　　参考文献

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