四足機器人柔性部部結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析

四足機器人柔性部部結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析

0多軍事任務(wù)適應(yīng)性在復(fù)雜的斜坡上，四足步行的機器人具有良好的穩(wěn)定性、機動性、效率和地形適應(yīng)性，能夠滿足各種軍事任務(wù)，如地面作戰(zhàn)、救災(zāi)計劃、交通安全等。本文以四足機器人為對象,提出了基于仿哺乳動物結(jié)構(gòu)的平臺構(gòu)型,進行了腿部機構(gòu)的正逆運動學(xué)求解,研究兩種負載因子下的直行起步到穩(wěn)定行走步態(tài),計算穩(wěn)定裕度并進行對比研究。1大鼠肢體主動關(guān)節(jié)能力本文所研究的某型四足機器人是基于仿生學(xué)的理念進行設(shè)計,腿部結(jié)構(gòu)的設(shè)計對機器人整體靈活性和行走能力有重要影響。針對典型的犬類哺乳動物骨骼進行分析,犬類動物的腿部關(guān)節(jié)常采用對頂?shù)呐渲梅绞?如圖1(a)所示,其主動關(guān)節(jié)包括髖關(guān)節(jié)(兩個轉(zhuǎn)動自由度)、膝關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié),可確定如圖1(b)中四個關(guān)節(jié)自由度配置方案:髖關(guān)節(jié)橫擺、髖關(guān)節(jié)前擺、膝關(guān)節(jié)前擺、腕關(guān)節(jié)前擺,另外末端為彈性阻尼元件。為滿足簡化結(jié)構(gòu)、緊湊布局和承載大瞬間負荷等要求,腿部關(guān)節(jié)選擇液壓缸作為執(zhí)行單元,并在每個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)安裝有液壓缸的位移傳感器、力傳感器,閥的壓力、流量傳感器等。腿部由各液壓缸形成的多連桿機構(gòu)能實現(xiàn)抬邁腿運動。2u3000圖1、2和3.2機器人通過控制各缸的伸長來調(diào)整整個腿部及軀體的位置和姿態(tài),以實現(xiàn)運動空間內(nèi)的運動筆者通過研究采用D-H法計算正運動學(xué)解。針對腿部串聯(lián)開鏈的特點,本文采用D-H法建立腿部坐標系,如圖2所示,建立坐標系作出如下定義:坐標系,軀體腿部連接點為O點,軀體前進方向為Z軸,垂直向下為X軸,由右手法則可知指向軀體內(nèi)側(cè)為Y軸。在各桿件上建立坐標系,各坐標設(shè)定腿部各關(guān)節(jié)點為(i=0,1,2,3),利用其次變換描述其相對位置關(guān)系,并得出步行腿的D-H參數(shù)如表1所示。從機體坐標系到足底末端坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣為:下面建立正運動學(xué)方程,由表1可求解足底末端變換矩陣:由(4)式可求出足底末端在X軸、Y軸、Z軸上投影值分別為:3多連鎖的逆解一:化在研究腿部的運動軌跡時,必須求解出運動學(xué)的逆解,并將關(guān)節(jié)角度換算為為液壓缸的位移變化,其即為驅(qū)動系統(tǒng)的輸入量。對于多連桿串聯(lián)型機構(gòu)的逆解一般采用分離變量法進行求解,且通常有多個逆解,筆者采用圖解法進行求解:對于繞Z軸的側(cè)擺角度θ1有:髖部夾角θ2=c(常值),考慮軀體靈活性選擇θ2=45o。根據(jù)圖3的尺寸關(guān)系,可列出方程組(5)4機器人的行駛軌跡不同四足哺乳動物在不同的運動狀態(tài)下差異是非常大的,下文針對平地下兩種負載因子的直線行走步態(tài)進行比較。圖4、圖5分別表示由站立相到周期行走的起步調(diào)整過程。圖4、5(a)均為站立相狀態(tài),(b)、(c)、(d)均為步態(tài)調(diào)整的過程,黑色點連線區(qū)域即表示足端的地面投影區(qū)域。圖4中,腿3先向前擺動至最前端,而后腿1擺動,此時重心落于支撐區(qū)域內(nèi),(d)中表示4條腿支撐的狀態(tài),同時軀體向前移動。圖5中,腿2首先擺動一小段距離,而后腿3擺動,此時重心落于三角形支撐區(qū)域內(nèi),軀體不動,而后腿1擺動至最前點,形成4腿支撐,完成調(diào)整過程。圖6表示β=5/6時機器人按照4231時序下的行走步態(tài)。周期運動時,依次擺動4231腿,其中出現(xiàn)兩次4條腿著地的情況,這種步態(tài)的特點是始終有至少3條腿保持支撐狀態(tài),且穩(wěn)定裕度均大于零。擺動腿動作時,軀體不存在因落地腿擺動而導(dǎo)致的重心移動,其運動是非連續(xù)的,可認為是一種非連續(xù)步態(tài)。圖7所示表示β=4/5時機器人按照4231時序下的行走步態(tài)。此種步態(tài)下,機器人依次以4231順序進行一次擺動,擺動時存在至少有3腿著地支撐,其單腿擺動同時機器人重心向前移動,此時軀體運動時連續(xù),這樣可提高靜步態(tài)下的運動速度和移動效率。由圖4~圖7的步態(tài)變化,可求解Z方向落足點相對重心的位置變化,如圖9、圖10所示。利用Matlab計算重心和各點連線的最小距離如圖10所示,即穩(wěn)定裕度S隨時間t的曲線。圖10中,起步調(diào)整到穩(wěn)定行走的全過程中,兩種步態(tài)下的最大裕度均為Smax=91.6mm,最小裕度均為Smin=0mm,而平均裕度分別為S1avg=29.8mm,S2avg=45.1mm,可知運動過程中,β=5/6時的步態(tài)具有更好的穩(wěn)定性。調(diào)整過程中存在穩(wěn)定裕度為零的臨界點,考慮腿部擺動造成的重心偏移和運動的連續(xù)性,故忽略其影響,整個過程滿足穩(wěn)定裕度的要求。5兩種姿態(tài)的對比研究為路徑小組1)所設(shè)計的腿部機構(gòu)簡潔、布局緊湊,能夠?qū)崿F(xiàn)其運動空間下的運動軌跡,