机器人轮足复合式移动机构的探讨.pdf

1、V o l . 13 , 饰5 O e t . 1 9 9 2 东北工 学 院 学 JOU RN ALOFNOR THEAS TUNIV ERSITY 报 OFTECHNOL O G Y 总第 SU 入I 80期 灿 80 机器人轮足复合式移动机构的探讨 李树 军 (机械二系) 摘要给出一种 新型机器人移动机构轮足 复合式移动机构 , 并对其移动过程!1 1的 步态 、 支承状态和各足的相应动作过程等进行了讨论 . 关键词机器人 , 轮足复合式 , 轮式 , 关节式 , 步态 . 分 类号 T P20 3 n 己1 二梦 、少 J 月二1 机器人移动机构的优劣 , 是评价 移动式机器人性能的重

2、要指标之一 。 机器人 的移动机构 , 大体上可分为两 大类 : 轮式和关节式 . 两种移动机构 的具体形式如图 l 所示 . 轮式移动机构就是将机器人 装上 轮子及操纵控制系统 , 使其可以完成 移动作业 。 最大的特点是移动时能量 损失少 , 效率高 . 常用的为汽车型轮 式移动机构 . 这种形式的移动机构速度快 , 业 环境工作 , 更不能跨越障碍物 . 图 l 机器人移动 机构的种类 进退 自如 , 转向 灵活 , 但不适于在凸凹不平 的 作 关节型(或称步行型 )移动机构 , 不但可 以在平地 、 凸 凹不平地面及台阶上移动 , 而且 可以跨越障碍物 , 但由于其行走速度有限 , 同

3、时对平衡等各项技术性能要求都很高 , 目前还 没有达到在工业方面实用化的阶段 . 因此本文给出一种新型机器人移动机构 一轮足复 合式 移动机构 , 可望其具有轮式和 关节式移动机构的共同特点 , 使移动机构的性能大大提高 . 1 基本结构及工作原理 轮足复合式移动机构的基本 结构及工作原理如图 2 所示 . 这 种移动机构的结构就象穿上旱冰 鞋的肢体一样 , 即在关节式移动 3l 图 2 轮足复合式移动机构基本结构及工作原理示意图 1,9 1一06 一 31 收到 31 卷 5 期李树 军 : 机器人 轮足 复合 式移动机构的探讨 4 81 机构的末端装上轮子 . 当移动机构在平地上运 行时

4、, 关节机构收缩 , 使整个机构重心下移 , 由末端的轮子驱动机构移动 . 此时 , 该机构和汽车型轮式移动机构完全相同;当移动机构在 凸凹不平的地面上移动或 跨越障碍物 时 , 关节机构张 开 , 末端的驱动轮成为关节机构的足 , 与整个关节式步行机构一起运动 . 2 轮足复合式移动机构移动过程的研究 2 . 1 步态及支承状态 文 献 2介绍 的4足 机器人 步行机构 的步 态是按照赛马 跑动 时的摄影 , 根据计算机处理 后的结果 设计及控制的 . 而马在平时走动时 , 处于对角线的两腿总是同时动作的 . 这种两点 支承状态对于机构的平衡是较难的 , 而且对于支承机构的刚性也是不利的 .

5、 如果在运动过程 中能使移动机构始终 保 持三点 (或三点以上)的支承状态 , 其 性能将大 大提高 . 对于轮足复合式移动机构 , 当走平地时为四点接触 , 且重心 可降得很低 , 不论是平衡性能 、 支承刚性及运动的平稳性等都可 以得到良好的保证 . 图 3 为该 类 机构跨越障碍时设想的一 种 步 态 。 在跨越过程中 , 始终使共四 足中的三足与地面接触并近似等 边三角形排列 . 这 种步 态将比二 足 同时动作的两 点支承步态在支 承刚性及平衡方面优越得多 . 问 题是这种步态完成一个循环的动 3(4)l(2)332 i i i i i i i J . . . . . 、/ / /

6、/ / / / / / / . / / / / / / / / / / 、 、 、 - - - 23(4)1(2) / / / / / / / / / / / 13 仁二 作了力 2 亡商 一钊叮司 3 自二二二二, 二台 l ( e) L 图 3 步态 、 相应的支承状态及足的动作顺序示意图 (其中 , , , L表示动作顺序) 作所花 费的时间可能比前者长些 . 好在轮足复合式移动机构在平地上运行速度可以很快 , 而 且在跨越障碍时可 以实现跨 足的同时 , 其它轮 子(支承 足)转动 , 推动整体运动 , 即实现轮 足的复合运动 , 使其得以充分 的补偿 . 2 . 2 各足之间动作的协

7、调 要实现图3所示的动作步态 , 要求运动过 程中各足之间要相互协 调 . 图 3给 出了运动过 程中各足的一种动作顺序 . 身乒毛身督 2 . 3 轮足复合式移动机构的结构形式 轮足复合式移动机构的结构形式 , 根据实 图4 (b)( e )( d ) .( ) 轮足复台式移动机构足结构示意图例 482 东北学 院 学报 1992 年 际作业环境的不 同 , 可以有由简到繁的 多种形式 . 但不论采取哪种形式的机构 , 其末端都是 驱动轮是毫无疑问的 。 图 4 给出 了其中的几种结构形式 , 以供参考 “ 。 3 轮足复合式移动机构的特点 由于轮足复合式移动机构是轮式和关节式移动机构的结合

8、 , 因此其具备了 二者 的共同特 点 : 即在平地上运行时 , 可以较高的速度前后行进 , 且转向灵活 , 重心低 , 运行平稳 ; 在 跨 越障碍时 , 相当于一个四足步行机构 . 有所不同的是 , 轮足复合式移动机构的足 跨越的 同 时 , 支承足的轮子可以推动整体运动 , 亦 即可以实现运行和跨越的复合运动 . 如果采用图 3所示步态 , 整个机构可始终处于三点(或四点)支承状态 , 平衡性能 、 支 承机构的刚性均比二点支承状态好得多 . 另一方面 , 由于行走机构附加了末端的驱动装置 , 整个机构的传动装置将比一般 关节式 移动机构的复杂 , 足的重量也有所增加 , 这是其不利之处

9、 . 4 结束语 虽然本文仅对设想的轮足复合式移动机构的步态 、 足的动作顺序 、 支承状态及机构特性 等作了定性的分析和研究 , 但由于该机构明 显地具有轮式及关节式移动机构二者的性能及特 点 , 其可行性是不难理解的 . 关于该 机构准确的运动学和动 力学性能及设想的移动步 态控制 的可行性等 , 还需进行专 门研究 , 其实用性还有待实践验证 . 参考文献 1 森野成昭 , JJI西千秋 , 缘本 安信 . 核械毅舒 , i , 5 4,25(1 0) : 2 3一3 3 小林境峰 , 本简和男 . 楼械O研究 , 1 9 89,41(6) : 65 3一66 1 LiSh u j un

10、 . M e eh M ach T h e o ry , i ,o , 2 5(6) : 6 4 5一6 53 O n th e Wh ee lin g一w - a lki n g C o mbin a tio n M ov i n g M ee h an ism o fR o b o t s L艺 刀h o J 。 。 ABSTRAC TA new ty p eofr obo七 。 m ov ing m e e h an i om , i . e . t h e wh ee ling - w alk ingeo mbin at io n m e ehan i sm , w as d eveloPed . A di s euss i on w as th erefore m a d e on i七5 w a lking a七t it u d e i n t ravelling , sup P o r ting eon ditio n sa n d七h eeoor din a- 七ion o f all leg , 5ae七5a n d