（机械电子工程专业论文）六足机器人横向行走步态规划及稳定性研究.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 六足机器人技术作为机器人领域研究的热点，一直以来都受到众多科研人员的关注。 其优越的运动性能和良好的地形适应能力，以及优良的稳定性是其它步行机器人所无法比 拟的。本论文从六足机器人的机构设计入手，在理论分析的基础上，为所设计的六足机器 人规射了一种横向行走步态，并对其稳定性进行了分析。又借助相关软件对所规划步态进 行了仿真验证，研究了相关运动参数对其运动性能的影响。同时还搭建了六足机器人实物 样机实验平台，并进行了调试。 首先，本论文是在本校机电工程研究所前期研究的基础上，对原有的六足机器人机构 进行了适当的改进和优化设计，在保留原有虚拟样机单腿六自由度优点的同时，使其易于 实现实物样机的搭建。在机构设计的同时，为各驱动关节选择了合适的驱动器，完成相关 零件的加工之后，搭建了实物样机实验平台。在机构设计的过程中，对其腿部机构的工作 空间进行求解，以确定腿部机构的可达范隔，同时也验证了机构设计的合理性。还建立了 腿部机构的数学模型，对处于站立相和摆动相状态的腿部机构进行运动学求解，为下一步 的研究打下基础。 其次，以所设计的六足机器人机构为研究对象，为其规始了一种横向行走三角步态， 并对该步态下行走的稳定性进行了分析。针对目前六足机器人领域横向行走步态方面理论 研究较少的现状，在深入研究自然界中六足生物行走方式和六足机器人运动机理的基础 上，从步态总体规划、步态分析、最大步幅计算以及足端运动轨迹规划等方面入手，为其 规划了一种横向行走三角步态。完成步态规划之后，又采用不同的稳定性判别方法，对水 平地面上行走和坡面上行走两种情况下的行走稳定性进行了计算分析。 最后，采用虚拟样机技术对所规划的横向行走步态进行仿真，验证了该步态的行走能 力以及该步态行走的稳定性和连续性，并得出了该步态行走时机器人腿部各关节的转角曲 线，为实物样机实验提供了依据。同时，又运用仿真的方法研究了各运动参数对六足机器 人运动性能的影响，得到了各关节转角速度随步高和步长等运动参数的变化规律，为步态 优化和机器人控制提供参考。并对所搭建的六足机器人实物样机实验平台进行了调试，验 证了所设计六足机器人机构的运动能力和驱动元件的可行性。 关键词：六足机器人；横向行走；步态规划：虚拟样机技术；实物样机 浙江理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nl a t e r a n y w a i k i n gg a i ta n ds t a b i l i t yo f h e x a p o dr o b o t a b s t r a c t a sar e s e a r c hh o t s p o to fr o b o t i c s h e x a p o 小r o b o tt e c l l o l o g yi sa h v a y sc o n c e m e db y 觚l n y r e s e a r c h e mc o m p a r i n gw i t h0 t h e rw a l k i n gr o b o t s ，h e x a p o dm b o th a s 鲫p e r i o ri i 剐e m e l l t p e r f o m a n c e ，b e t t e rt e m i na d a p t a b i l i 哆锄de x c e l l e n ts t a b i l i t y a c c o r d i n gt ot l l e d e s i g i l m e c l l a n i s mo fh e x a p o dr o 鼬，ak i n do fl 武e 蹦l y - w a l k i n gg a i ti sp k m n e db a s e do nt l l et h e o r e t i c a i a n a l y s i s 锄di t ss t a b i l 时a n a 哑i si sa l s 0d o n ei n t h i sp a p e r t h er e l a t i o i lb e 附e e nm o t i o n p a r a n l e t e r s 锄dm o v e i n e n tp e r f 鲫n a l l c ei ss t u d i e db yl ( i i l e m a t i c ss i m u l a t i o no f t h eg a i tp l a n n e d a p h y s i c a ip r o t o t y l ) ee x p e r i r m n t a lp l a t f 0 n l lo fl l e x a p o dr d b o ti sb l l i h 锄dd e b u g g e da tt h e 涮：i l e t i m e f i f s t l y ， i no r d e rt ob u i l dt h ep h y s i c a lp r o t o 呻e ，t i l e o n g i n a lv i 咖a lh e x a p o dr o b o t p r o t o t y p i n gi so p t i m i z e d ，s o m ea p p r o p d a t ei m p r o v e m e n t sa r ed o n e ，a n dt h em e r i to fs i x d o fa t e a c hl e gi sr e t a i n e d t h e ns o m ea p p r o p r i a t ed r i v ed e v i c e sa r ea l s os e l e c t e df o re a c hj o i n t a r e r a c c o m p l i s h i n gt l l em a c h i l l i n go fm e c h a n i c a lp a r t s ，ap h y s i c a lp r o t o t y p ee x p e r i m e n t a lp l a t f 0 衄i s b u i l t t h e 、o r k s p a c eo fl e gi ss o l v e d ，a n dt h i sp r o v e st h a tt h em e c h a n i c a ld e s i g l li sr e a s o n a b l e t h ek i n e m a t i c s e q u a t i o no fh e x a p o dr o b o ti se s t a b l i s h e d ，a n dt i l ei n v e r s e 锄df o n a r d s k i n e m a t i c so fs w i n gl e g 柚ds u p p o r t i n gl e ga r ea l s os o l v e df 折f h r t h e rr e s e a r c h s e c o i l d l y ，ak i n do fl a t e r a l l y w a l k i n gt r i p o dg a i tf o rt h eh e x a p o dr o b o ti sp i a 蛐e d ，锄di t s s t a b i l i t ) fi sa n a i y z e da tt h e 翰m et i m e a tp r e s e n t ，r e s e a r c ha b o u tl a t e r a n y - w a l b n gg a i to f h e x a p o dr o b o ti sl i m i t e d i nt h i sp a p e r ，o nt h eb a s eo fd e 叩r e s e a r c ho fh e x a p o d sw a l k i n gm o d e a n dt h em o t i o nm e c h a n i s mo fh e x a p o dr o b o t ，ak i i l do fl a t e r a l l y - w a l k i n gg a i ti sp l a 姗e db a s e do n o v e r a p l a n n i n g ，g a i ta n a l y s i s ，t h em a x i m u ms t r i d cl e n 舀hc a l c u l a t i o na n df o o tt 啊e c t o 巧 p l a n n i n ge t c a r e rc o m p l e t i o no fg a i tp l a n n i n g ，t h ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i so fw a l k i n gs t a b i l i t y 0 nl e v e la n ds l o p eg r o u n da r er e s p e c t i v e l yd o n eb yu s i n gd i f f e r e n tm e t h o d s f i n a l l y ，t h ew a l k i n gc a p a b i l i t ) r ，s t a b i l i t ) ，a n dc o n t i n u i t ya r ev a l i d a t e db yl a t e r a l l y - w a l k i n g g a i ts i m u l a t i o nb a s e d0 nv i n u a lp m t o t ) ，p i n gt e c h n o l o g y t l l ea n g l ec u n ，eo f e a c hk i n e t i cj o i n ti s d r a 、n ，w h i c hc o u l dp r o v i d ef o u n d a t i o nf o rp h y s i c a lp r o t o 聊p ee x p e r i m e n t s a tt h e 鼢m et i m e ， t h ei n f l u e n c eo fm o t i o np a r a m e t e r so nm o v e m e n tp e 响咖a n c ei sa l s os t l l d i e d b ys i m u l a t i o n i i 浙江理工大学硕士学位论文 m e t h o d ，锄ds o m ec h a n g i n gl a w so f 锄g u l a rv e l o c 毋w i n ls t r i d e 锄dh e i 曲to fs t 叩a r eo b t a i n e d p h y s i c a lp r o t o t y p eo fh e x a p o dr d b o ti ss u c c e s s 如n yd e b u g g e d ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em o t i o n c a p a c i t y 锄dt h e 诧嬲i b i l i t yo f 嘶v ed e v i c e sa r e 鸠挥e a b l e k e y w o r d s ：h e x a p o dr o b o t ；l a t e r a l l y w a l k i n g ；g a i tp l a n n i n 氍v i n u a lp r o t o t y 撕n gt e c h 舯b g y ； p h y s i c a lp r o t o t y p e u l 浙汀理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究目的及意义 随着机器人技术的不断发展，对机器人行走方式的研究也日趋成熟。在比较常见的轮 式、履带式和足式机器人的相互比较中不难发现，六足机器人具有很好的地形适应能力， 对行走路面的要求较低，能够适应各类崎岖地形，闪而六足机器人的研究在军事应用、矿 物开采和外星球探测等领域都具有十分重要的意义【1 1 ，国内外在这方面的研究也取得了长 足的发展。同时六足机器人在步行稳定性和步行效率上都有其它类型足式机器人无法比拟 的优势1 2 1 ，并且在控制系统方面，六足机器人的控制结构也相对简单。另外六足机器人行 走平稳和肢体冗余的特点，也使其更能胜任野外复杂地形下的侦查、水下搜寻以及外太空 一 探测等相对需要较高独立性和可靠性的工作【3 1 。 而在对六足步行机器人进行研究的过程中，步态是一个很重要的参数。步态是步行机 器人行走的迈步方式，是步行机器人各腿协调运动的规律，步态规戈| j 的好坏直接影响到机 器人行走过程中的平稳性、关节所需驱动转矩的大小等因素1 4 】。同时，机器人控制方而各 种算法的实现最终也要落实至吐对于机器人步态的控制上。因此很有必要对六足机器人的行 走步态进行合理的规划，研究其对机器人稳定性的影响，从而为提高机器人的运动能力， 优化控制方案打下基础。 六足机器人的行走步态有很多种类，从行走的方向性来分可以大体分为纵向行走步态 和横向行走步态。在目前的研究中，纵向行走步态作为比较常见的一种步态，一直受到大 家关注，而横向行走步态方面的研究则相对缺乏。因此，本论文立足于前人研究的基础， 以自己研制的新型多自由度六足机器人平台为研究对象，进一步研究六足步行机器人的行 走步态，为所设计的六足机器人规划了一种横向行走步态，并对该横向行走步态及其稳定 性进行了系统的研究，以期进一步丰富人足机器人领域的研究内容。 1 2 六足步行机器人研究现状 1 2 1 国内外具有代表性的六足步行机器人 多足机器人的研究是一个系统工程，其涉及到机械、电子、计算机、自动控制、数学 模型等多方而的知识。国内的步行机器人研究虽然起步较晚，但在众多学者的努力下，依 然取得了较大的发展。 例如清华大学和北京理工大学分别开发出了d t w m 框架式双三足移动机器人【”】和利 用气动人工肌肉作为驱动元件的六足机器人；上海交通大学的马培荪等人通过改进第一代 l 浙江理工大学硕士学位论文 形状记忆合金s m a 驱动微型六足机器人【s j ，开发出了具有全方位运动能力的微型双三足步 行机器人m d t r ；宋一然等人利用6 套并联平面四杆机构、微型直流电动机和相应的减 速增扭机构，在仿生学原理的基础上，开发出了体积微小、具有良好机动性、灵活性的微 型六足仿生机器人，该微型六足机器人对环境也有很强的适应能力。该六足机器人的长、 宽、高分别只有3 0 h u n 、4 0 i i l m 和2 0 m m ，重约6 3 克，不但体积很小，重量很轻，并且也 有很好的机动性能，在其机体上装上相应的传感器之后就能很广泛地应用于管道裂缝检测 等很多的工业领域1 9 。1 0 1 。除了上述机器人之外，中科院沈阳自动化研究所也成功研制出了 水下六足步行机器人【l ，该六足机器人具有很大盼应用前景，可以到达人类难以到达盼水 域，在水下完成一些复杂任务。目前，北京航空航天大学和匕京理工大学对六足机器人方 面的研究也有很大进展，北京航空航天大学开发了一种九自由度的六足全方位步行月球探 澳4 机器人，该探测机器人可以在脚与地面无相对滑动的情况下实现任意角度的连续转向， 有较强的越障、爬坡能力和一定的运载能力【1 2 l ；而北京理工大学的的科研人员赵小川等通 过m o b o t s i m 仿真软件设计制造出了一种新型的六足仿生机器人【”l ，并提出了一种基于多 超声波和红外线传感器的复合探测装置设计方案，该探测方案是针对六足步行机的作业任 务和工作环境对探测系统的要求提出的，可以有效地扩大机器人的探测范围；同时赵小川 等人还指出了传统避障控制策略中环境模型难以建立的缺点，并提出了一种新的采用模糊 控制理论的避障策略，该避障策略可以大大提高六足机器人的避障能力，最后他们还通过 m o b o t s i m 仿真软件对所设计的机器人和相关技术进行了验证。在以上六足机器人中，单腿 自由度多为三个。 与国内相比，国外在多足步行机器人方面的研究起步比较早，也相应地取得了长足的 发展。 由于美国宇航总署对外_ 人空探测计划的不断深入，早在卜世纪八十年代就已经将六足 机器人项目列入资助研究计划，并且取得了丰硕的成果。如八十年代末诞生的g e n 曲i s 与 九十年代初的a 钍i l a 和h a 衄i b a l 等，都是属于该计划内的成果，分别如图1 1 和1 2 所示。 g e n 曲i s 每条腿装有两个电机，每条腿都仅有两个自由度，行动有些笨拙【1 4 】。而a t t i l a 和 h a 姗i b a l 则是由麻省理工学院于九十年代初期研制成功的，在设计上，这两个机器人的头 部、腿部和身体被当作独立的模块来处理，强调模块化子系统结构；并且其结构卜采用冗 余设计，六条腿行走时，即使有某条腿失效，余下的腿仍可继续行走【1 5 1 ，这两个机器人是 该实验室最早用于自主行星探测的机器人。 2 浙江理工大学硕士学位论文 臣1 1 机器人g e n 窘h i 墨 爵1 2 机嚣人a t t i h 1 9 9 5 年，慕尼黑大学也开发出了一种比较高级的六足仿生机器人t u mh e x a p o d ，它 的足采用神经网络控制，遇到障碍时，具有条件反射的功能；当遇到障碍时，腿先收拢， 然后再抬高一些并f 缸前迈出前行，这种可以感知障碍的六足仿生机器人代表了当时的先进 水平。同期，美国的f d e k o m y n 等人根据灵巧昆虫蟑螂的身体结构以及其运动特性研制 成功了六足仿生机器人“p e r i p l 锄e t aa m 硎c a n a ”【1 6 】，如图1 3 所示。他们选择蟑螂作为实 验的仿生对象是因为看中了蟑螂的爬行速度快，以及蟑螂在爬行过程中所表现山的敏捷 性，该仿生机器入的尺寸是蟑螂的1 2 倍到1 7 倍之问。相对于仿生机器人的尺寸来说，要 想达到蟑螂那种轻巧的程度研究人员还需要在重量上做一些完善工作。 图1 3 机器人p e r i p i a n “aa m e r i c a n a 随着研究的深入，近年来国外又设计出了几种更加典型的六足机器人。美同波士顿东 北火学海洋科学中心自主水下机器人研究小组和德国f 翰u 1 1 l l o f e r 自主智能系统研究所( a l s ) 于2 0 0 1 年共同完成了一种新型的六足机器人s c o r p i 蚰【1 7 。硌1 ，如图1 4 所示。该机器人的行 走控制系统是基于两个仿生控制元，分别是中央模式生成元和基本运动的高级行为元。德 国杜伊斯堡大学机械工程部也在前一代六足机器人t u m 的基础上研制出了新型六足机器 人t a n v ，如图1 5 所示。该机器人采用h o l kc n l s e 教授的w a l k n e t 控制结构，但加入了腿 部反射，行动更加灵活，具有更加完善的智能控制策略【l 9 1 。 3 浙江理工大学硕士学位论文 图1 4 帆器人s c o r p 玉啪匿1 s 机器人t 对r y 1 2 2 六足步行机器人步态及稳定性研究现状 多年来，尽管国内外多足步行机器人的研究都有了很大的发展，而且国内外都开发出 ： 了许多这类机器人的实验模型或原理样机，但步行机器人的基础理论研究步伐远滞后于其 技术开发步伐的现状仍没有得蓟根本解决【2 0 1 。因而多足步行机器人的运动规划和控制方面 的问题一直为广大研究人员所关注。近年来，在研究人员的不懈努力下，在多足步行机器 人的运动规划、步态生成、步态控制以及脚力分配等基础理论方面的研究也已经取得了一 定的进展。 多足动物行走时具有爬行、小跑和奔跑等不同步态，但现有的机器人原理样机都缺少 足够的柔性机构来减少机器人行走过程中的撞击，因而现阶段后两种步态还很难实现。 1 9 6 8 年，m c g h e e 和f r a l l k 提出了四足机器人沿直线爬行的波动步态；1 9 8 7 年，s o n g 和 w a l d n 提出了一种多足步行机器人步态生成及其应用的分析方法：1 9 8 9 年和1 9 9 0 年， z h a l l g 和s o n g 分尉提出了多足步行机器人的波形螃蟹步态算法，等等。最近，为了增强步 行机器人的地形适应能力，一些科研人员也展开了对自由步态的研究，如：i n a g a l ( i 和 k o b a v a s l l i 在对四足步行机器人步态研究的基础上实现了一种多种步态转换方法；b a i 、 l o w 、s e e t 和z i e l i n s k a 针对四足步行机器人提出了一种基于主从步态的新的自由步态生成 方法等。此外，一些研究人员也研究了一些特殊的步态，比如爬坡步态、跨越障碍、跨越 沟渠、最佳转向步态以及爬楼梯步态等【2 0 j 。 同时，在多足步行机器人的稳定性方面，国内外的研究也越来越多，并取得了一定的 成就。 哈尔滨工业大学的王鹏飞和黄博等人在研究四足仿生机器人的行走稳定性及抗干扰 性时，提出了最小稳定距离的概念和相应的稳定裕度评定方法，该评定方法既考虑了外界 干扰项和机器人重心高度对其稳定性的影响，也对机器人支撑面姿态和机器人质量等变量 与稳定裕量的关系进行了讨论，并给出了实际的应用实例【2 1 1 。 4 浙江理工大学硕士学位论文 在类人型机器人研究方面，国内上海交通大学的包志军【2 2 】等人认为z m p 描述的只是 机器人稳定行走的必要条件，而不是充要条件，他们针对z m p 描述拟人梳器人行走稳定 性的不完善性，提出了稳定运动需要满足的补充条件。哈尔滨工程大学的沈继红f 2 3 等人也 在z m p 法的基础上从地面反力和能量的角度在理论上讨论了类人型机器人脚跟岛度对其 行走稳定性的影响，证明了适当的增加仿人机器人的脚跟高度可以增强其步行稳定性。 在国外，关于步行机器人行走稳定性方面，m c g l l e e 和f r a l l l ( 最早提出采用步行机器 人的重心在各支撑腿构成的支撑平面上的垂直投影点到支撑多边形各边距离的最小值作 为稳定裕量的衡量准则f 2 4 1 ，这种判别方法可以对水- 平面上运动的机器人稳定性进行评估， 且这种评估方法很直观简便，但是当机器人在复杂地面上行走时，这种刿掰方法就显得不 那么准确了。为了解决复杂地形下行走的机器人稳定性评估问题_ m e s s 嘶和k l e i n 提出了 一个新的概念能量稳定裕量( e s m ) ，这种新的概念改变了原有的习惯，采用机器人倾 覆过程中的势能变化量来评估机器人的稳定性，可以很好的对不平坦地而上机器人的稳定 性进行判断。然而，e s m 函数中虽然考虑了机器人倾覆过程中势能的变化，却仍然没有考 虑外界干扰项1 2 5 l 。p a p a d o p o u l o s 和r e y 又提出了，种力角稳定裕量的概念，这种方法是把 作用于质心的合力作用线与质心到机器人支撑多边形边界垂线的夹角作为衡量机器人稳 定与否的标准【2 矾，这种方法也没有考虑外界干扰因素和机器人质心高度对机器人稳定裕量 的影响。在自由步态的稳定性判别方面，h i r o s e 等曾提出了连接两对角支撑足的对角线法 则f 研，p a c k 等后来又将其进一步定义为s a l ( s t a b i l i 锣a d m i t t i n gl i n e ) f 2 8 1 ，陈学东等也提出了 s s a ( s t a t i c a l l ys t a b l ea r e a ) 的概念【2 9 1 ，几种稳定性评价方法均存在着- 一定的局限性，不具有 普遍性。 1 2 3 当前六足步行机器人研究发展趋势 。 机器人的研究一直以来都是一个非常活跃的研究领域，相关的新技术和新理论源源不 断地被引入到机器人的研究中来。在2 l 世纪，伴随着电子技术和基础理论研究的飞速发 展，机器人技术将不断地得到完善和发展。综合当前的研究现状，归纳机器人的研究趋势 如下： ( 1 ) 仿牛学和能源方面的研究。在各种类型的机器人当中，结构设计是机器人设计的 基础，而仿生学在机构设计中占有不可替代的位置。不管是类人机器人还是多足机器人， 要想达到人类和自然界中其他动物的行走速度乃至奔跑速度，都需要研制体积更小、重量 轻而驱动力大的驱动系统和完善行走机构来近似自然界巾生物的肌肉和骨骼。同时也要有 体积小、重量轻、容量大的蓄电池来为机器人提供能量。 5 浙江理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 新理论和新方法在机器人步态规划和控制上的运用。不管是六足机器人还是四足、 八足步行机器入，步态的控制都是首要解决的问题，六足机器人在地上形成的轨迹是一种 离散变量，基于模糊逻辑控制的遗传运算法则能很好地解决组合路线问题并能有效的产生 六足机器人行走所需的步态，并且遗传算法也能很好的解决离散变量问题。 ( 3 ) 运动轨迹的生成方法研究。目前，机器人的研究已经不满足于仅依靠预先设定好 的程序来运动，实现机器人的自动识别和自动规划功能也是一个很好的发展方向。 ) 运动稳定性方面的研究。随着机器入技术的发展和应用范围的扩大，实际应用中 对机器人运动稳定性的要求越来越高，因而机器人运动稳定性方面的研究也必将因其巨大 的理论和实际意义而越来越受到人们的重视。 ( 5 ) 多传感器信息的集成融合。传感器就是机器人的眼睛、鼻子和耳朵，随着机器人 集成传感器的增多，信息融合的算法就不能仅停留在基于线性正态分布的平稳随机过程前 提之下，菲线性和非平稳正态分布的现实信息融合算法仍需进一步研究。 ( 6 ) 多机器人系统的研究。多机器人系统是指若干个机器人通过合作与协调来完成某 一任务的系统。而合作与协调即是多机器人系统亟待解决的问题，对于信息交互和冲突消 除等方面的研究则是多机器人系统进一步研究的方向。 综上所述，机器人的发展虽取得了很多成就，但远远未达到实用要求，仍有很多问题 需要研究，在机构设计和步态生成以及运动稳定性等方而仍需开拓创新，以适应机器人不 断发展的要求。 1 3 本论文的主要研究工作 本论文是在机电工程研究所前期研究的基础 ：，结合当前的实际情况，进一步对六足 机器人的机构设计、行走步态以及行走稳定性等方面展开研究。研究的主要内容有： ( 1 ) 设汁一个新型的多自由度六足步行机器人机构，使其具有零件易于加工、易于装 配的特点，同时搭建六足机器人实物样机实验甲台。以所设计的六足机器人机构为研究对 象，计算机器人腿部机构工作空问。建立六足机器人运动学数学模型，采用统一参考坐标 系的方法，进行腿部机构支撑相和摆动相腿的运动学分析计算。 ( 2 ) 完成六足机器人横向行走步态规划和行走稳定性的分析。充分研究六足昆虫“三 角步态”的运动机理和规律，并以其为基础为所设计的六足机器人规划一种横向行走的三 角步态，采用数学建模的方法给出不同姿态下机器人足端点的位置坐标。同时对六足机器 人横向行走的最大步幅进行计算，采用三次样条插值的方法对行走过程巾的足端运行轨迹 6 浙江理j = 人学硕士学位论文 进行规划。在进行步态规划的同时，采用不同的稳定性判别方法对所规划的横向行走步态 进行稳定性计算分析。 ( 3 ) 采用虚拟样机技术对所规划的横向行走步态的行走能力和稳定性进行仿真分析， 并对实物样机实验平台进行调试。将六足机器人三维模型导入仿真软件中，为其添加各 类约束，构建仿真环境。按照前面规划的足端运行轨迹为六足机器人每条腿的足端添加驱 动，求得横向行走步态下机器入各关节转角曲线，最后完全模拟现实环境运行六足机器人 横向行走的仿真，分析行走过程中机器人机体行走的连续性、稳定性，同时运崩仿真的方 法研究各运动参数对六足机器人运动性能的影唿。最后对实物样机实验平台进行调试，检 验机构设计的合理性以及驱动机构运行的平稳性。 1 4 本文结构 _ 本论文的主要研究思路和结构如图1 6 所示。 图1 6 本论文研究思路和组织结构 本论文后续章节的主要内容如下： 第二章：研究六足昆虫的腿部机构模型，进行六足机器人的机构建模和机械结构三维 模型的优化设计，同时求解六足机器人腿部机构工作空间。 7 浙江理工大学硕士学位论文 第三章：六足机器人数学模型建立和运动学分析，在统一坐标系下分别对六足机器人 处于支撑相和摆动相的腿部姿态进行运动学求解。 第四章：深入研究自然界中六足昆虫的行走方式，以“三角步态”为基础为本论文所 设计的六足机器人规趔一组横向行走步态，建立数学模型，给出不同姿态下各足端点的位 置坐标，求出横向行走过程中的最大步幅范围，并对足端点的运行轨迹进行研究分析和规 划。同时，采用不同的稳定性判另l j 方法对所规划步态行走的稳定性进行研究分析。 第五章：在前丽章节理论分析的基础上，采用虚拟样机技术对六足机器人横向行走步 态进行仿真，求出该步态- 卜各关节的转角盥线，同时对机器人行走过程中的运动性能和稳 定情况进行分析，并对所建立的六足机器人实物样机实验平台进行调试。 第六章：归纳总结本论文的主要研究工作，对后续研究进行展望。： g 浙江理工大学硕士学位论文 第二章六足机器人实验平台机构设计 六足机器人是机器入行业内的研究热点，其原型是大家所普遍熟悉的节肢动物。从仿 生学角度来讲，六足机器人是一种非常理想的行走机构，六足结构具有很强的稳定性，其 行走方式可适应地球上各种各样的复杂地形。机梅设计是六足机器人系统设计的基础，整 机机械机构、驱动方式、传动机构以及自由度数等都会直接影响机器人的运动和动力性能 1 3 田o 2 1 六足机器人机构建模 本论文所设计的六足机器人是在本校机电工程研究所前期研究的基础上进行改进而 来的。前期机电研究所建立的六足机器人模型如图2 1 所示。该机器人每条腿均具有六个 自由度，结构简单，能适应在各种复杂地形上稳定行走和越障，但体型较庞大，其结构不 易于实现驱动机构的安装和实物样机的搭建。 图2 1 曾期所建立的模型 为了达到建立实物样机的目标，本论文对该六足机器人进行了改进，参照仿生学原理 的同时，主要从易于实现各关节处驱动器的安装出发，保留了原有的每条腿均具有六个自 由度的特性。在满足预期技术指标的同时，选用铝合金作为材料，以达到制造安装便捷、 可靠性高和质量轻的目的。改进后的六足机器人机构建模如图2 2 所示，腿的配置仍采用 正向对称分布。每条腿仍具有六个自南度，腿部机构具体模型如图2 3 所示。 图2 2 六足机器人机构建模图2 3 六足机器人腿部机构模型 9 浙江理工大学硕士学位论文 2 2 六足机器人结构设计 六足机器人的机械结构设计主要从功能的实现，易于错造加工，高可靠性和易于实现 驱动器的安装等几个方面考虑。机器人机械零件尺寸的设计同时要考虑机器人本身的尺寸 和驱动部件的尺寸。 2 2 1 驱动部件的选择 本论文中所设计的六足机器人采用舵机作为各驱动关节的动力提供者。舵机因最早使 用于船船上控锘口航向而得名，主要是由外壳、电路板、直流电枧、减速齿轮组和位置检溅 器所构成。其工作原理是由控制器发出讯号给舵机，经由电路板上的i c 判断转动方向和 角度，再驱动直流电机开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回 讯号，判断是否已经至哒定位。因其具有反应灵敏、精度高、扭矩大、耗电量低、质量轻 等优点，现广泛应用于机器人领域。 舵机的选型主要从规格尺寸、扭矩、精度、供电电压以及电流等方面来考虑，这里选 取扭矩为2 l k g c m ，电压为7 4 v 的舵机，满负载时最大电流1 a ，方便埘7 4 v 的锂电池提供 电源。舵机实物如图2 4 所示。 图2 4 舵机实物圈 2 2 2 机械结构设计 六足机器人的腿部机构是基于自然界中六足生物的腿部结构来设计的，六足昆虫有三 对胸足，分别为长在前胸的前足、长在中胸的中足和长在后胸下边的后足。每条足均主要 由5 节组成，由能活动的关节和发达的肌肉相互连接，基本结构如图2 。5 所示。靠近胸部小 窝的一节叫做基节，比较粗壮短小，起到支撑着整个足活动的作用。与基节相连的第二节 叫做转节，转节最为短小，起到一个转轴的作用，可以协调足的转动方向。第三节长而粗 壮，并且附着有发达肌肉的这一节叫做股节，主要用来承受足的重量。第四节和第五节分 别叫做胫节和跗节，跗节是胫节的延伸。胫节长而细，并且一般在下部长有刺，伸缩自如， 1 0 浙江理工大学硕士学位论文 主要用来支配足的活动。跗节由胫节控制，通常有二到五个亚节，前端一般有两爪，其上 分布着带感觉器官的弹性跗垫。 图2 s 六足昆虫麓部示意爵 ：j 这里在进行六足机器人腿部机构设计时，一方面参考了六足昆虫的腿部结构，另外也 考虑了机械零件加工的难易程度和装配的方便性。在实际的设计中将基节和转节合二为 一，采用钣金设计舵机的支架，具体结构如图2 6 ( c ) 所示。每条腿的足端安装有微动开关， 可以感知足端是否接触地而，接触地面后则各舵机停j ：转动。同时，足端机构采用螺纹配 合，方便拆卸更换。完成后的机器人腿部三维模型如图2 6 所示。该腿部机构不仅可以用来 实现机器人的行走，而且还能实现，个机械臂的功能，在足端装上相应的工具就可以完成 一定的任务。 一两妒 ( a ) 主视图嘞侧视图( c ) 基节结构图 图2 6 腿部结构图 用p r 0 e 建立的六足机器人完整三维模型如图2 7 所示，零件加工完成后搭建的实物模 型如图2 8 所示。 鬻 浙江理工大学硕士学位论文 臣2 7 六足机器人三维模型图2 8 六足机器人实物蛩 2 3 六足机器人腿部工作空厨计算 由以上六足机器人机械结梅设计部分可以看出，六足机器人的每条抬起腿都相当于一 个串联式的机械手臂。因而在进行六足步行机器人的结构参数分析和优化设计时，可以把 机器人各抬起腿的足端可达区域范围等效为串联手臂的工作空间。机器人腿部机构t 作空 间的大小代表了机器人的活动范围，可以作为衡量机器人工作能力的一个重要运动学指标 【3 。同时，六足机器人的腿部机构4 i 仅可以用来完成机器人机构的行走，而且在特定场合 也可以起到机械臂的作用，因而也有必要对机器人腿部机构的工作空间进行求解，以考察 其工作能力。 当前求解机器人工作空问的方法主要有解析法、图解法和数值法【3 2 】。这三种方法都各 有各的特点，解析法是通过多次包络来确定工作空间边界，它的优点是可以把工作空间的 边界用方程的形式表示出来，但这种方法也有直观性不强和过于繁琐的缺点。图解法可以 用来求解机器人的工作空间边界，优点是直观性很强，缺点是这种方法会受到自由度数的 限制，关节数较多时就必须进行分组处理。数值法是在极值理论和优化方法的基础上，计 算机器人工作空问边界曲面上的特征点，用这些点构成的线表示机器入的边界曲线，用这 些边界曲线构成的面表示机器人的边界曲面。 随着计算机的广泛应用，大家都越来越倾向于用数值法来分析机器人的工作空间。而 在计算机上实现数值法，实质上就是随机地选取尽可能多的独立的不同各关节变量组合， 再利用机器人的正向运动学方程计算出机器人末端杆件端点的坐标值，这些坐标值就形成 了机器人的工作空间。坐标值的数目越多，就越能反映机器人的实际工作空间，这种方法 速度快、精度高、应用简便、且适用于任意形式的机器人结构，因而得到人们的广泛应用 【3 3 3 甜。 1 2 浙江理工人学硕士学位论文 在计算机上实现数值法的关键在于如何随机地选取尽可能多的不同各关节变量组合， 其具体实现步骤如下【3 6 】： ( 1 ) 求解运动学正解，并根据运动学正解确定机器人腿部足端点在参考坐标系中的坐 标方程； ( 2 ) 在机器人腿部各关节的变化范目内，使各关节依次按一定的步距角步长转动，并 让后面的关节具有高于前面关节的转动优先权，从而得到多组关节变量的组合； ( 3 ) 将前而得到的关节变量组合代入机器人腿部机构运动学方程，求出机器人足端相 应位置的向量值； ( 4 ) 将所得位置向量的值按一定比例显示出来，即可得到机器人足端工作空问点集的 “云图”。 按照上述步骤，这里对六足机器人足端_ t 作空间进行计算。机器人腿部的各个关节都 是通过转动尉连接的，这里在不影响机器人腿部运动学分析正确性的基础上忽略了基节的 转动，只对二维平面内的机器人足端工作空间进行计算。这里在六足机器人腿部的基节起 点处建立基础坐标系，如图2 9 所示。推导出足端参考点在基础坐标系巾的坐标方程为： m 川= 瞄篆2 兰荽箸孟篇篇篇以 2 羽， 其中，一衫2 只 衫2 ，一( 万2 一q ) 岛 ( 衫2 + q ) t 一( 刀2 一q + 晓) 岛 ( 衫2 + b 一幺) ， = 5 s m m 、，2 = ll o m m 、，3 = 1 3 3 m m 、厶= 9 9 m m 分别为六足机器人腿部各关节的长度。 表示机器人腿 的编号。 六足机器人腿部机构各连杆、机器人机体和地面之间存在着复杂的几何关系，一般采 用数学建模的方式对其进行描述。在解决数学模型中各坐标系之间关系的过程e 齐次变 换就显得尤为重要p 1 1 。如图3 2 所示，艺为参考坐标系乞中固连在刚体上的坐标系，假 如以。匕和善足代表坐标系邑的原点位置和坐标系旋转矩阵，即： 。匕2 x q o y q 口z q 3 ( 1 ) lc o s ( ，) c o s ( 瓦，蜘) c o s ( 矗，z g ) l g 足= f 。k ，。，。毛】= lc o s ( 只，吻) c o s ( 只，) c o s ( 儿，) f 3 - ( 2 ) lc o s ( z 。，) c o s ( z 。，) c o s ( z 口，) l 图3 2 齐次交换矩阵和坐标系的描述 其巾。、。和。勺代表乞的原点在巾的三维坐标，而。、。匕和。乞分别代 表乞中工、y 和z 轴相对于的方向矢量。每个方向矢量均由其相对于乞中x 、l ，和z 1 6 浙江理工大学硕士学位论文 轴的方向余弦构成。于是，齐次变换矩阵可以表示为；r = 警。? 。其实，齐次变 警。? = 勺3 。? 警墨 3 郫， 其中，厶。，是3 3 阶单位矩阵。在这里平动变换和旋转变换分别用昀n s ( 。忍) 和 r o t ( 量，研来表示，印： t 畔驴 台。纠 3 羽， r o t c 詹，毋= 足台口： 3 一c 5 ， 欠c x ，口，= 当：三墨2 ：量焉) 3 c 6 ， i c o s ( p ) o s i n ( 口) l r ( y ，秒) = f o lo i 3 一( 7 ) l _ s i n ( p ) oc o s ( p ) l 肫= 警：剐 3 邶， 那么对于图3 1 所示的站立腿姿态，这里假定初始状态下坐标系乞与重合，然后 从4 到e 进行相应的平移和旋转变换，通过下面的齐次变换可以得到己最后的姿态为： 毛2 仃a n s ( 。，9 y 4 ，。z 4 ) r o t 0 ，氏) 仃a l l s ( o ，o ，5 ) r o t 以谚5 ) t r a n s ( o ，o ，4 ) r o t ( z ，谚4 ) t r 锄s ( o ，o ，厶) r o t ，谚3 ) 昀n s ( o ，o ，2 ) r o t 以只：) 臼硼s ( o ，o ，i ) r o t ( y ，一号) 似( z ，晶) 3 一( 功 1 7 浙江理工人学硕士学位论文 其中： 毛= 台。小 巧 ，f，ir f口1 ， 2 l2 2。2 3，最 吐吃砖 。气 oo0l 3 一( 1 0 ) ，i i l = ( ( ( c o s e 6 c o s 魄c o s 鼋4 - s i n 魄s i n 鼋4 ) c o s 魄- c o s 吼s i n 纯s i n 免) s i n e 2 + ( ( c o s q 6 c o s 晚c o s 纯_ s i n 纯 s i n 巳) s i n 鼋3 + c o s 鼋6 s i n 铭c o s q 3 ) c o s 晚) c o 鹕l h - c o s 钝c o s 钝s i l l 鼋4 s i n 气c o s 吼) s i n 鼋i 呓气- ( ( c o s 鼠c o s e 5 c o s 氏一s i n e 6 s i n 纯) c o s 鼋3 - c o s 鼋6 s i n 鼋5 s i l l 铭) s i l l 鼋2 - ( ( c o s e 6 c o s e 5 c o s 铭一s i n 吃 s i n e 4 ) s i n e 3 + c o s e 6 s i n e 5 c o s e 3 ) c o s 鼋2 ) s i n e l + ( - c o s 醒6 c o s 魄s i n 吼s i n 鼠6 c o s 鼋4 ) c o s q l 呓= ( ( c q s 醒6 c o s 8 5 c 0 s & 一s i n 纯s i n 钆) c o s 铭+ c o s 靠s i n e 5 s i n e 3 ) c o s 岛2 + ( ( c o s 铱c o s 层5 c o s 氏- s i n 魄 s i n 良) s i n + c o s q 6 s i n e 5 c o s e 3 ) s i n e 2 。h = ( ( ( c o s e 6 c o s e 5 c o s 吼- s i n 氏s i n e 4 ) c o s 鼠3 - c o s 鼋6 s i n q 5 s i n 铭) s i n e 2 + ( ( c o s 醒6 c o s 2 5 c o s 瓦一s i n 靠 s i n 已) s i n 铭+ c o s 晚s i n 2 5 c o s 谚3 ) c o s 鼠2 m + ( ( c o s 氏c o s 鼠5 c o s e 4 - s i n 谚6 s i n 纯) s i n & + c o