四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真研究

四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真研究

1機(jī)械本體結(jié)構(gòu)對(duì)四足步行機(jī)器人實(shí)用化的影響四足步行機(jī)器人必須在復(fù)雜的自然環(huán)境下完成任務(wù)，不僅要在平坦的地面上快速穩(wěn)定行走，而且有能力獨(dú)立完成各種障礙。為此,四足步行機(jī)器人的機(jī)械本體結(jié)構(gòu)直接影響著步行機(jī)器人的實(shí)用化,是影響步行機(jī)器人應(yīng)用與發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一?；谔摂M樣機(jī)技術(shù)對(duì)四足步行機(jī)器人模型進(jìn)行了模擬仿真,觀察機(jī)器人的仿真結(jié)果,找出設(shè)計(jì)不足,最終修改和優(yōu)化了設(shè)計(jì)方案。2四足步行機(jī)器人的下肢設(shè)計(jì)2.1空間放散機(jī)構(gòu)四足步行機(jī)器人機(jī)械本體的設(shè)計(jì)中腿部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵,設(shè)計(jì)合理可以減少摩擦,提高運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)行效率以及支撐能力。在腿部機(jī)構(gòu)形式主要有縮放型機(jī)構(gòu)、四連桿機(jī)構(gòu)、并聯(lián)機(jī)構(gòu)、平行桿機(jī)構(gòu)、多關(guān)節(jié)串聯(lián)機(jī)構(gòu)和擺動(dòng)縮放機(jī)構(gòu)。空間縮放機(jī)構(gòu),如圖1所示。具有3個(gè)自由度,可用作全方位空間多足步行機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)主平面內(nèi)具有解耦性、易于控制、具有較高的能效性等優(yōu)點(diǎn),因而被廣泛用作步行機(jī)器人腿機(jī)構(gòu),如圖2所示。并聯(lián)機(jī)構(gòu)是一種并行三連桿機(jī)構(gòu),它由3個(gè)驅(qū)動(dòng)器直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人腿的3個(gè)自由度(大腿、小腿的抬放和側(cè)向轉(zhuǎn)動(dòng))。該機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng),但因?yàn)槊織l腿上有三個(gè)自由度,需要三個(gè)驅(qū)動(dòng)器分別直接驅(qū)動(dòng),控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。另外,華中科技大學(xué)設(shè)計(jì)了一種含有彈性元件的緩沖型虛擬彈簧腿,如圖3所示。利用彈簧把剛性連接變?yōu)槿嵝赃B接,減緩機(jī)器人在動(dòng)態(tài)行走時(shí)的沖擊以及由此產(chǎn)生的振動(dòng),可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行走的穩(wěn)定性和高效性。2.2種單自由度多連桿機(jī)構(gòu)腿機(jī)構(gòu)的可控自由度越多,它的靈活性越好,但每一個(gè)可控自由度要配備一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和一套傳動(dòng)機(jī)構(gòu),所以每增加一個(gè)自由度其重量相應(yīng)要增加許多,控制也越麻煩。因此,步行腿機(jī)構(gòu)的自由度在滿足運(yùn)動(dòng)條件前提下,越少越好。一般情況下,對(duì)于平面機(jī)構(gòu)的腿在平面內(nèi)能實(shí)現(xiàn)變步態(tài)步行最少需要兩個(gè)自由度,這時(shí)只能作不改變方向的直線運(yùn)動(dòng)。如腿實(shí)現(xiàn)固定步態(tài)步行,也可采用一個(gè)自由度?；诖?并結(jié)合上面的典型腿部機(jī)構(gòu)分析,作者提出了一種基于被動(dòng)式的四足步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。該機(jī)器人腿部應(yīng)用單自由度多連桿機(jī)構(gòu),如圖4所示。每條腿用一個(gè)直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),用51系列單片機(jī)產(chǎn)生電機(jī)的控制信號(hào)來進(jìn)行控制轉(zhuǎn)速。曲柄桿AB為主動(dòng)件,B、C點(diǎn)固定在機(jī)體上,除去主動(dòng)件和機(jī)架該機(jī)構(gòu)即為斯蒂芬森型六桿運(yùn)動(dòng)鏈,可進(jìn)一步分為兩個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)(ABCD、ABCG)和一個(gè)平行四桿機(jī)構(gòu)(CEFG)。在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)ABCD、ABCG中,極位夾角為20°,所以機(jī)構(gòu)存在急回運(yùn)動(dòng),行程速度變化系數(shù),即D、G點(diǎn)的空回行程平均速度是工作行程平均速度的1.25倍。在曲柄桿的帶動(dòng)下,支撐腳可實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)軌跡,如圖5所示。ABCD為工作行程,DEFA為空回行程,該機(jī)構(gòu)較好的利用了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回特性,實(shí)現(xiàn)了支撐腳的快速平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。在連桿機(jī)構(gòu)中,傳動(dòng)角的大小及其變化情況在很大程度上影響了機(jī)構(gòu)傳力性能的好壞。通過分析該機(jī)構(gòu)最小傳動(dòng)角出現(xiàn)的位置情況,解得最小傳動(dòng)角為:保障了機(jī)構(gòu)的傳力性能良好,進(jìn)而說明了該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理性。3四足機(jī)器人虛擬原型的構(gòu)建3.1建立機(jī)器人的正常運(yùn)行狀態(tài)對(duì)于足式機(jī)器人來說,其穩(wěn)定性主要取決于步態(tài)。四足動(dòng)物存在多種步態(tài),而目前比較常見的步態(tài)主要有爬行、對(duì)角小跑、溜蹄、跳躍、定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向等。該機(jī)器人采用的步態(tài)規(guī)劃,如圖6所示。開始時(shí)機(jī)體處于站立狀態(tài),中心位于前后腿連線的交點(diǎn),接著處于對(duì)角線上的前腿2和后腿4向前擺動(dòng),前腿1和后腿3起到支撐作用,機(jī)器人重心位于腿1、3連線上,擺動(dòng)腿2、4向前跨步的同時(shí)腿1、3驅(qū)動(dòng)相應(yīng)關(guān)節(jié),使機(jī)體向前移動(dòng),造成模型重心前傾,恰好使重心在1、3的對(duì)角線穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)。在機(jī)體移動(dòng)到位時(shí),擺動(dòng)腿2和4立即放下,四腿著地,保持平衡站立狀態(tài)。接著,原支撐腿1、3抬起并向前跨步,腿2、4呈支撐相。支撐腿2、4驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)使機(jī)體前移,并且模型重心開始前傾,恰好使重心在支撐腿2和4的對(duì)角線穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)。接著2、4立即放下,四腿著地,保持平衡狀態(tài),這樣完成整個(gè)步行周期動(dòng)作。3.2足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的裝配體依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù),如表1所示。利用UG建立四足機(jī)器人的各個(gè)部件的實(shí)體模型,并根據(jù)系統(tǒng)中各個(gè)部件的相對(duì)位置關(guān)系,組裝成四足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的裝配體,如圖7所示。為了提高模型在ADAMS中的仿真速度,在UG中將無相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件的三維實(shí)體模型運(yùn)用布爾運(yùn)算將其合并成一個(gè)實(shí)體模型。3.3加入物理參數(shù)采用Parasolid格式文件將UG中的三維實(shí)體模型導(dǎo)入ADAMS中。依此給各個(gè)零件加入材料密度、重心或轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的物理參數(shù)。根據(jù)機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況,在腿和本體、各連桿之間分別添加旋轉(zhuǎn)副約束,在主動(dòng)曲柄桿和機(jī)體的旋轉(zhuǎn)副中添加step階躍驅(qū)動(dòng)函數(shù),并且在各腿和地面之間利用實(shí)體和實(shí)體接觸形式創(chuàng)建四個(gè)接觸。3.4支撐腳結(jié)構(gòu)修改設(shè)計(jì)多次仿真證明機(jī)器人無運(yùn)動(dòng)干涉,可按給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律前行,機(jī)器人質(zhì)心按一定的規(guī)律產(chǎn)生上下波動(dòng),基本趨于穩(wěn)定,如圖8所示。但是可以看到,機(jī)器人支撐腳在前進(jìn)過程中受到了較大的沖擊力,如圖9所示。這對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和機(jī)體上安裝的儀器將帶來極大的破壞,同時(shí)也增加了機(jī)體的不穩(wěn)定性。因此有必要對(duì)腿部結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改:首先增加踝關(guān)節(jié),在支撐腳和小腿之間增加彈性裝置;將支撐腳改成仿人足的形狀,且在足底采用橡膠結(jié)構(gòu),以減少?zèng)_擊力。改后結(jié)構(gòu),如圖10所示。采用新機(jī)構(gòu)后,腿部沖擊力取得了明顯的改善,如圖11所示。4改進(jìn)小部結(jié)構(gòu)方案從節(jié)省能量的角度出發(fā),作者設(shè)計(jì)了一種新型的基于被動(dòng)式的四足步行機(jī)器人結(jié)構(gòu),采用ADAMS建立步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,通過仿真分析需要改進(jìn)結(jié)構(gòu)方案,重新設(shè)計(jì)小腿部結(jié)構(gòu)。改后機(jī)構(gòu)