助老助残四足/两足可重构并联腿步行机器人理论与技术研究

助老助残步行机器人是服务机器人应用基础研究最高水平的体现，成为近年备受关注的研究热点。针对我国约1.5 亿老人和2400万肢体残障者中很大一部分需要轮椅或其他助行机器的状况，本项申请提出一种新型的助老助残四足/两足可重构并联腿机构步行机器人，其特点是通过结构重组可实现四足和两足步行，能在室外不平地面行走和室内上下楼梯。.四足并联腿机构步行机器人的研究在国内外还没有先例，本项申请旨在奠定四足/两足可重构并联腿机构步行机器人的机构学理论基础，解决行走控制的关键技术问题，并构建样机平台。主要研究内容包括：四足/两足可重构机器人的模块化理论；行走运动学和动力学模型；超确定输入下的协调运动；步态规划；多腿协调控制方法；平衡稳定控制策略；四足/两足转化条件与控制。该研究将在机构概念和理论方法上有所创新，具有较高的学术价值。研究成果将对提高老年人和下肢残疾人的生活质量、构建和谐社会具有深远的意义。

本项目旨在奠定四足/两足可重构并联腿机构步行机器人的机构学理论基础，解决步行椅机器人的关键技术问题，并构建样机平台。报告的主要内容如下：.基于模块化、可重构思想，完成了步行椅机器人、并联腿及可重构装置的机构设计及理论分析。.结合并联机构理论和影响系数理论，导出了机器人摆动腿机构和机体机构的运动学方程及动力学方程，解决了机器人机体动载在关节空间的最优协调分配问题。.针对四足/两足之间的转化问题，研究了四足向两足或两足向四足的转化方法，指出当步行椅机器人以腿1机构开始迈步合并时，合并步态1-3-4-2最优。.根据机构的结构约束条件，选用线速度全域性能指标和承载能力全域性能指标，分析其与结构尺寸之间的关系，从中得到了机器人结构尺寸的取值范围，并利用遗传算法优选出步行椅机器人最优结构尺寸参数。.考虑步行椅机器人的机体调整协调性、运动空间需求以及重心调整次数，提出了机器人稳定行走时的步态方式。.基于螺旋理论，结合约束力和约束力矩各项同性指标，讨论了步行椅机器人在各种不同运动状态下的冗余驱动问题，给出了最优驱动输入组合。.初步探索了步行椅机器人的力-位置混合控制模型。基于PIC单片机，开发了一套能实现位置、速度、电流三种控制模式的伺服电机控制器和驱动器，为步行椅机器人的力-位置控制提供了硬件环境。.根据腿机构的综合与优化，最终选择非对称2-UPS+UP并联机构作为四足时的腿机构，6-UPS并联机构作为两足时的腿机构。研制了四足/两足可重构并联腿步行椅样机，并对其进行了行走实验研究。.此项目研究不仅扩大了并联机构的应用范围，同时也在并联机构的理论上有一定的突破和创新。