● 摘要
像壁虎一样能够在竖直壁面和天花板上爬行的仿壁虎爬行机器人是目前世界上仿生机器人界比较前沿的热点问题之一。本论文研究的背景是国家自然科学基金重点资助项目“类壁虎仿生机器人的关键基础研究”，该项目前期研究内容主要是研制具有类似壁虎一样能够在壁面爬行功能的第一代四足仿壁虎机器人，具体研究内容涉及仿壁虎机器人机构设计、机构建模及仿真分析、机器人零件设计、仿壁虎机器人四足爬行步态规划，机器人运动学分析，以及机器人控制系统研制。本文介绍了这些研究工作第一阶段的具体内容，方法以及工作成果。论文首先介绍了仿壁虎机器人机械结构设计的方法及过程，针对仿壁虎机器人机构设计的要求，讨论了机器人身体是否应该具有自由度，设计了三种方式实现机器人身体的自由度，并通过平面自由度分析，和空间机构分析对三种实现方式作比较；分析了柔性杆形变对机器人稳定性的影响，并介绍了机器人机械零件的设计结果；在仿真系统中对设计的机器人机构，机器人实体都作了动态仿真，验证了设计结果的正确性；采用仿真方式分析柔性杆的形变量，以及机器人各关节控制力的大小，为驱动元件的选择提供依据。 其次在仿壁虎机器人步态规划方面，介绍了1324，伪1324以及对角线步态，比较三种步态规划结果的优劣，着重分析了对角线步态实现机器人直线前进，转弯，以及任意爬行方式及其控制方程，通过仿真验证了步态规划的正确性。在步态规划基础上，为了提高机器人控制精度，研究了机器人单足足尖路径规划，并通过仿真验证路径规划结果的正确性。最后为了能够精确控制机器人运动，针对仿壁虎机器人的机构作了运动学分析。在机器人机构设计，零件设计，步态规划以及运动学分析完成后，讨论了仿壁虎机器人控制系统设计的内容。研究了仿壁虎机器人控制系统的整体结构，介绍了机器人下位机硬件实现方案、软件控制策略以及下位机软件开发流程；分析了三种实现机器人串口通信的方法，并介绍上位机控制软件的实现流程。通过最终研制出的机器人爬行试验证明本文所讨论的机构设计，步态规划，以及控制系统具有一定可行性，理论分析结果具有一定的指导意义，为进一步改进机器人性能作了一定量的技术积累。