仿生四足機器人

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1、. 四足機器人的步態(tài)仿真研究 本文運用Pro/ENGINEER軟件與虛擬樣機軟件MSC.ADAMS相結(jié)合的方式對四足仿生步行機器人的樣機模型進(jìn)行了模擬，經(jīng)過分析驗證了所設(shè)計步態(tài)的適用性和可行性，避免了用常規(guī)方法求解四足仿生步行機器人運動學(xué)逆解的復(fù)雜運算，提高了四足仿生步行機器人的設(shè)計效率和研制水平，在機器人技術(shù)領(lǐng)域具有一定的參考價值。 　　該文通過對一種四足機器人進(jìn)行設(shè)計和步態(tài)規(guī)劃后，利用仿真技術(shù)分析它的適應(yīng)環(huán)境與承載能力。首先在四足步行機器人初始結(jié)構(gòu)參數(shù)基礎(chǔ)上，基于三維軟件Pro/ENGINEER建立機器人仿真模型，并將模型導(dǎo)入到仿真軟件中完成行走過程，以穩(wěn)定性為評價指標(biāo)對機器人

2、進(jìn)行優(yōu)化和評價;最后在路面上進(jìn)行一定量的承載和適應(yīng)環(huán)境方面的分析，為智能化機器人提供一種分析方式。 　　在自然界或人類社會中，存在人類無法到達(dá)的地方和可能危及人類生命的特殊場合，如工地、防災(zāi)救援等許多領(lǐng)域，對這些復(fù)雜環(huán)境不斷的探索和研究往往需要有機器人的介入。腿式系統(tǒng)有很大的優(yōu)越性，較好的機動性、崎嶇路面上乘坐的舒適性及對地形的適應(yīng)能力強。所以這類機器人在軍事運輸、海底探測、礦山開采、星球探測、殘疾人的輪椅、教育及娛樂等眾多行業(yè)，有非常廣闊的應(yīng)用前景，多足步行機器人技術(shù)一直是國內(nèi)外機器人領(lǐng)域的研究熱點之一。四足步行機器人是機器人的一個重要分支，由于四足機器人比兩足步行機器人承載能力強、穩(wěn)定

3、性好，同時又比六足、八足步行機器人結(jié)構(gòu)簡單，因而更加受到各國研究人員的重視。在四足機器人中，足結(jié)構(gòu)是最重要的機構(gòu)，選擇得當(dāng)可使機器人機構(gòu)簡單、設(shè)計方便，大大簡化控制方案。 　　但由于機器人數(shù)學(xué)描述的復(fù)雜性，使得在機器人運動學(xué)、動力學(xué)分析方面顯得較為困難，計算機虛擬仿真技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用為機器人的運動特性分析提供了依據(jù)。本文通過建立一種四足步行機器人模型，在規(guī)劃該機器人的直線爬行步態(tài)后，利用虛擬樣機軟件MSC.ADAMS對機器人的爬行步態(tài)進(jìn)行了動力學(xué)仿真，得到了機器人各個關(guān)節(jié)相關(guān)物理量的變化曲線。通過仿真驗證了步態(tài)規(guī)劃的合理性，同時將該模型投入到具有一定形狀的模擬路面，分析機器人的穩(wěn)定性等動

4、態(tài)特性，這為機器人分析提供一種良好的途徑。 　　一、四足機器人步態(tài)規(guī)劃 　　1.機器人結(jié)構(gòu)的建立 　　一直以來，人們對四足機器人的各種運動步態(tài)進(jìn)行了大量的研究和實踐。本文涉及的機器人由一個機身和4條腿組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。它是一個對稱的模型，機身尺寸為6780mm2，重心位置為機器人機身的中心，呈對角的腿起到支撐和邁進(jìn)的作用，這兩個作用交替出現(xiàn)，行走方向為z的正方向。 　　圖1機器人結(jié)構(gòu)示意圖 　　機器人腿部為連續(xù)轉(zhuǎn)動式腿機構(gòu)，如圖2所示。其腿部結(jié)構(gòu)尺寸為：髖關(guān)節(jié)長度l1=15mm;大腿關(guān)節(jié)長度l2=28mm;小腿關(guān)節(jié)長度l3=24mm。其中每一部分都可以一定角度轉(zhuǎn)

5、動或者擺動，髖關(guān)節(jié)沿著自身軸心轉(zhuǎn)動，大腿關(guān)節(jié)和小腿關(guān)節(jié)分別繞O1、O2轉(zhuǎn)動。初始狀態(tài)大腿關(guān)節(jié)軸心沿著x方向，小腿關(guān)節(jié)平行于y方向垂直于x方向。 3D動力網(wǎng)】本文運用Pro/ENGINEER軟件與虛擬樣機軟件MSC.ADAMS相結(jié)合的方式對四足仿生步行機器人的樣機模型進(jìn)行了模擬，經(jīng)過分析驗證了所設(shè)計步態(tài)的適用性和可行性，避免了用常規(guī)方法求解四足仿生步行機器人運動學(xué)逆解的復(fù)雜運算，提高了四足仿生步行機器人的設(shè)計效率和研制水平，在機器人技術(shù)領(lǐng)域具有一定的參考價值。 　　2.機器人步態(tài)分析 　　通過對步行機器人進(jìn)行穩(wěn)定性分析，選擇合理的擺動腿順序，可以生成各種各樣的步態(tài)。要實現(xiàn)機器人的

6、行走就要對這些關(guān)節(jié)的角度進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，機器人多軸協(xié)調(diào)控制的理論雖然比較成熟，但技術(shù)實現(xiàn)起來卻有一定的難度。目前研究步態(tài)及步態(tài)變換的工具均是基于一個跨步周期的支撐狀態(tài)步態(tài)圖。 　　四足仿生步行機器人實現(xiàn)步行的核心思想就是把機器人的四足分為兩組，兩足支撐機體并推動機器人前進(jìn)(稱為支撐相)，另兩足擺動為下一步支撐做準(zhǔn)備(稱為擺動相)，整個機器人的運動過程就是支撐相與擺動相交替、循環(huán)的過程。在機器人研究領(lǐng)域支撐相和擺動相隨時間變化的順序集合稱為步態(tài)。對勻速行走的機器人來說，其足相呈周期變化規(guī)律。由于這時步態(tài)是周期變化的，故稱為周期步態(tài)。在一個周期T內(nèi)，支撐相的時間為t，則該足的有荷因數(shù)β按β=t/

7、T計算。 　　一個步態(tài)周期中，步行機器人機體重心向前移動的距離稱為步距s，各足處于支撐相時相對于機體的移動距離稱為足的行程R，兩者的關(guān)系為R=sβ。 　　為了便于描述，本機器人采用如圖3所示的步態(tài)，即初始狀態(tài)4足處于站立狀態(tài)，如圖3(a)所示;接著后腿1和前腿2向前躍進(jìn)，這個過程中髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，大腿關(guān)節(jié)繞O1小幅度轉(zhuǎn)動，小腿關(guān)節(jié)繞O2向外轉(zhuǎn)動，其余兩腿保持站立狀態(tài);當(dāng)后腿1和前腿2躍進(jìn)站穩(wěn)后，前腿1和后腿2開始躍進(jìn)，如圖3(c)所示，如此往復(fù)向前運動。 　　圖3機器人步態(tài)分析圖 　　在對機器人進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃時，機器人足端點軌跡的選擇對機器人的運動特性有著重要影響，機器人行走過程

8、中的連貫性、穩(wěn)定性、美觀性以及所需驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的大小均受其牽制。對于四足仿生步行機器人來說，較好的足端點軌跡應(yīng)具有良好的起落特性、速度和加速度特性。人們多采用初等函數(shù)來描述機器人的末端軌跡，如一次函數(shù)、正弦函數(shù)等。 　　步態(tài)圖能夠清楚地反映每條腿在某時刻是處于支撐相還是懸空相，但是該方法沒有反映各條腿的先后運動時序，在用于步態(tài)變換以及控制腿部運動時就顯得比較復(fù)雜。而理論分析雖然在國內(nèi)取得了一定的發(fā)展，為機器人行走奠定了一定的基礎(chǔ)，但是其可操作性有待于驗證和完善。為此在認(rèn)真分析四足仿生步行機器人運動特性和仿真特點的基礎(chǔ)上，制定出該機器人的運動學(xué)仿真流程，并通過仿真技術(shù)來檢測機器人的性能。 　

9、　二、機器人的運動仿真 　　1.機器人仿真模型的建立 　　虛擬樣機軟件MSCADAMS集建模、求解和可視化技術(shù)于一體，能有效分析和比較多種參數(shù)方案。機器人的運動學(xué)、動力學(xué)比較復(fù)雜，研究和開發(fā)一種合理的四足機器人仿真模型是非常有意義的，本文接下來利用ADAMS軟件對機器人進(jìn)行虛擬仿真分析。 　　為了研究四足步行機器人對角小跑步態(tài)下如何實現(xiàn)穩(wěn)定地高速行走，首先在三維軟件Pro/ENGINEER中創(chuàng)建完成模型后，導(dǎo)入到ADAMS虛擬樣機軟件建立虛擬樣機，如圖4所示。小腿關(guān)節(jié)、大腿關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)分別由步進(jìn)電機控制。機身簡化為一個方塊，中間去除一個小方塊。 　　在仿真軟件定義好參數(shù)后，例如

10、轉(zhuǎn)動副、鉸鏈等，建立平板模擬平整底面，定義機器人的四個腳與平板接觸，設(shè)置完成摩擦、剛度系數(shù)等參數(shù)。最后設(shè)置重力參數(shù)。 　　圖4機器人虛擬樣機模型 1——小腿關(guān)節(jié)2——大腿關(guān)節(jié)3——髖關(guān)節(jié)4——機身 　　2.機器人腿的運動控制 　　四足步行機器人是一個多變量、強耦合、非線性和時變的動力學(xué)系統(tǒng)，其變姿態(tài)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性及產(chǎn)生穩(wěn)定步行所必須的動態(tài)平衡問題，對控制理論的研究及實時控制系統(tǒng)的設(shè)計都具有很大的挑性。根據(jù)四足機器人的獨立驅(qū)動參數(shù)能夠計算機體的運動位置和速度。機器人四條腿依次“抬起——擺動——放下”以構(gòu)成一個步態(tài)周期，而一個步態(tài)周期需要分成若干個階段以對應(yīng)于每條腿得“抬起——

11、擺動——放下”，這需要合理控制每條腿來保證行走的穩(wěn)定性。經(jīng)過理論分析得到如圖5所示的電機轉(zhuǎn)動曲線(其中橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為位移)，它根據(jù)理論計算結(jié)果或反求工程將理論計算得到的公式轉(zhuǎn)變?yōu)榍€，并以step函數(shù)的形式導(dǎo)入到關(guān)節(jié)的定義中。小腿關(guān)節(jié)曲線跟髖關(guān)節(jié)一致，幅值根據(jù)路面情況定義，比如路面凹凸不平，則幅值較大。 　　圖5機器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動曲線 3.機器人的仿真分析 　　分析前設(shè)置好步長，由于是動力接觸分析，需要加大步長，減少運動時間，經(jīng)過分析后得到如圖6所示的過程，其中機器人以45左右方向運動。穩(wěn)定性對機器人來說是非常重要的參數(shù)，圖7反映了機器人質(zhì)心上下波動的狀況，

12、可以控制機器人在0.6mm之間小幅振動。圖8為質(zhì)心前進(jìn)方向的位移變化，從圖8中可以看出它基本上與時間呈線性關(guān)系運動。 　　為了解到該機器人與地面的接觸力，讀取其中一個腿部的受力圖，如圖9所示，可以看出腳底跟地面產(chǎn)生的最大接觸力約為0.5N左右?？傮w來說該機器人在地面上的運動速度平穩(wěn)，穩(wěn)定性較好。 　　4.機器人性能測試 　　足式移動機器人對行走路面的要求較低，它可以跨越障礙物，走過沙地、沼澤等特殊路面，用于工程探險勘測、反恐防爆、軍事偵察等人類無法完成或危險的工作。對這些環(huán)境進(jìn)行不斷的探索和研究，尋求一條解決問題的可行途徑成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展和人類社會進(jìn)步的需要。不規(guī)則和不平坦的地形是

13、這些環(huán)境的共同特點，使得輪式機器人和履帶式機器人的應(yīng)用受到限制，而多足步行機器人能夠在復(fù)雜崎嶇的路面上穩(wěn)定行走。目前多足機器人的步行運動大多數(shù)是基于步態(tài)的幾何位置軌跡規(guī)劃、關(guān)節(jié)位置控制的規(guī)劃和控制策略。而單純幾何位置規(guī)劃與控制在機器人于復(fù)雜地形(如崎嶇不平、陡峭、堅硬光滑和松軟)等步行與作業(yè)時，則會由于慣性、腳力失衡及位置控制誤差而導(dǎo)致失穩(wěn)，這種情況也是我們關(guān)注的重點。 　　在分析中需要適應(yīng)一定的環(huán)境，以及承受一定物體(比如承載重物)的重量。為此建立了一定形狀的沙地，進(jìn)行機器人的上坡和不平整地面適應(yīng)性分析。 　　沙土地面較松軟，可視為均勻彈性體，假設(shè)沙土的地面剛度和阻尼系數(shù)與接觸面積呈

14、正比。機器人和地面將構(gòu)成一個振動系統(tǒng)，在低速振動的情況下，可以將該系統(tǒng)看成單自由度有阻尼的線性系統(tǒng)。那么通過測試該系統(tǒng)的地面剛度和阻尼，就可以換算出著陸腳著陸時的接觸剛度k和接觸阻尼系數(shù)Cmax。經(jīng)過計算得到。其中，m為機器人加上其承載物的質(zhì)量;Td為有阻尼自由振動的周期;n為衰減系數(shù)。另外，，，Ai和Ai+1分別為同方向相鄰的兩個振幅。 　　將計算得到的值代入ADAMS定義接觸框中，定義一個具有一定形狀的沙土路面，讓機器人經(jīng)歷下坡，跨越不規(guī)則路面和上坡過程。同時讓機器人承載一定重量的物體，本分析所用的承載物體長寬高分別為703045mm3，材料為鋼。分析時提高大腿關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度。 　　

15、設(shè)置計算時間和步長后得到如圖10所示的過程，在提高大腿關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度后穩(wěn)定性變差，但越過障礙能力變強，尤其在上坡過程顯得比較重要。承載物的重量對機器人運動也產(chǎn)生了一定影響，尤其體現(xiàn)在越過障礙物和凹凸路面過程中。在行走該過程時速度和穩(wěn)定性也有差別，如圖11所示。在下坡過程中該曲線較陡，說明速度較快，同時穩(wěn)定性較好;在走凹凸不平路面時，曲線斜率較小，速度變慢，同時曲線有波動，說明行走過程中機器人隨著路面變化產(chǎn)生波動;在上坡過程中，由于機器人背著重物克服阻力導(dǎo)致速度變得更加緩慢。 　　圖11機器人行走過程中位移與時間的關(guān)系 　　1——下坡過程2——走凹凸路面過程3——上坡過程 　　三、結(jié)論 　　本文運用Pro/ENGINEER軟件與虛擬樣機軟件MSC.ADAMS相結(jié)合的方式對四足仿生步行機器人的樣機模型進(jìn)行了模擬，經(jīng)過分析驗證了所設(shè)計步態(tài)的適用性和可行性，避免了用常規(guī)方法求解四足仿生步行機器人運動學(xué)逆解的復(fù)雜運算，提高了四足仿生步行機器人的設(shè)計效率和研制水平，在機器人技術(shù)領(lǐng)域具有一定的參考價值。 　　但是該模型在控制等方面還有待于完善，例如腳的靈活性還有待改進(jìn)，特別在復(fù)雜環(huán)境下讓腳與地面有更多面積的接觸，從而增加摩擦力，減少滑移。同時機器人的智能化程度也有待于提高，以便適應(yīng)更多特殊環(huán)境和場合的需要。 .