四足机器人柔性部部结构的设计与分析

四足机器人柔性部部结构的设计与分析

0多军事任务适应性在复杂的斜坡上，四足步行的机器人具有良好的稳定性、机动性、效率和地形适应性，能够满足各种军事任务，如地面作战、救灾计划、交通安全等。本文以四足机器人为对象,提出了基于仿哺乳动物结构的平台构型,进行了腿部机构的正逆运动学求解,研究两种负载因子下的直行起步到稳定行走步态,计算稳定裕度并进行对比研究。1大鼠肢体主动关节能力本文所研究的某型四足机器人是基于仿生学的理念进行设计,腿部结构的设计对机器人整体灵活性和行走能力有重要影响。针对典型的犬类哺乳动物骨骼进行分析,犬类动物的腿部关节常采用对顶的配置方式,如图1(a)所示,其主动关节包括髋关节(两个转动自由度)、膝关节和腕关节,可确定如图1(b)中四个关节自由度配置方案:髋关节横摆、髋关节前摆、膝关节前摆、腕关节前摆,另外末端为弹性阻尼元件。为满足简化结构、紧凑布局和承载大瞬间负荷等要求,腿部关节选择液压缸作为执行单元,并在每个旋转关节安装有液压缸的位移传感器、力传感器,阀的压力、流量传感器等。腿部由各液压缸形成的多连杆机构能实现抬迈腿运动。2u3000图1、2和3.2机器人通过控制各缸的伸长来调整整个腿部及躯体的位置和姿态,以实现运动空间内的运动笔者通过研究采用D-H法计算正运动学解。针对腿部串联开链的特点,本文采用D-H法建立腿部坐标系,如图2所示,建立坐标系作出如下定义:坐标系,躯体腿部连接点为O点,躯体前进方向为Z轴,垂直向下为X轴,由右手法则可知指向躯体内侧为Y轴。在各杆件上建立坐标系,各坐标设定腿部各关节点为(i=0,1,2,3),利用其次变换描述其相对位置关系,并得出步行腿的D-H参数如表1所示。从机体坐标系到足底末端坐标系的转换矩阵为:下面建立正运动学方程,由表1可求解足底末端变换矩阵:由(4)式可求出足底末端在X轴、Y轴、Z轴上投影值分别为:3多连锁的逆解一:化在研究腿部的运动轨迹时,必须求解出运动学的逆解,并将关节角度换算为为液压缸的位移变化,其即为驱动系统的输入量。对于多连杆串联型机构的逆解一般采用分离变量法进行求解,且通常有多个逆解,笔者采用图解法进行求解:对于绕Z轴的侧摆角度θ1有:髋部夹角θ2=c(常值),考虑躯体灵活性选择θ2=45o。根据图3的尺寸关系,可列出方程组(5)4机器人的行驶轨迹不同四足哺乳动物在不同的运动状态下差异是非常大的,下文针对平地下两种负载因子的直线行走步态进行比较。图4、图5分别表示由站立相到周期行走的起步调整过程。图4、5(a)均为站立相状态,(b)、(c)、(d)均为步态调整的过程,黑色点连线区域即表示足端的地面投影区域。图4中,腿3先向前摆动至最前端,而后腿1摆动,此时重心落于支撑区域内,(d)中表示4条腿支撑的状态,同时躯体向前移动。图5中,腿2首先摆动一小段距离,而后腿3摆动,此时重心落于三角形支撑区域内,躯体不动,而后腿1摆动至最前点,形成4腿支撑,完成调整过程。图6表示β=5/6时机器人按照4231时序下的行走步态。周期运动时,依次摆动4231腿,其中出现两次4条腿着地的情况,这种步态的特点是始终有至少3条腿保持支撑状态,且稳定裕度均大于零。摆动腿动作时,躯体不存在因落地腿摆动而导致的重心移动,其运动是非连续的,可认为是一种非连续步态。图7所示表示β=4/5时机器人按照4231时序下的行走步态。此种步态下,机器人依次以4231顺序进行一次摆动,摆动时存在至少有3腿着地支撑,其单腿摆动同时机器人重心向前移动,此时躯体运动时连续,这样可提高静步态下的运动速度和移动效率。由图4~图7的步态变化,可求解Z方向落足点相对重心的位置变化,如图9、图10所示。利用Matlab计算重心和各点连线的最小距离如图10所示,即稳定裕度S随时间t的曲线。图10中,起步调整到稳定行走的全过程中,两种步态下的最大裕度均为Smax=91.6mm,最小裕度均为Smin=0mm,而平均裕度分别为S1avg=29.8mm,S2avg=45.1mm,可知运动过程中,β=5/6时的步态具有更好的稳定性。调整过程中存在稳定裕度为零的临界点,考虑腿部摆动造成的重心偏移和运动的连续性,故忽略其影响,整个过程满足稳定裕度的要求。5两种姿态的对比研究为路径小组1)所设计的腿部机构简洁、布局紧凑,能够实现其运动空间下的运动轨迹,