基于MATLAB搜救机器人的腿部模型建立与仿真

基于MATLAB搜救机器人的腿部模型建立与仿真摘要：一直以来轮式和履式的搜救机器人得到了很多的应用，但它们都不能适应复杂崎岖的路面，而足式机器人可以适应各种复杂的地面情况，在地震救灾的过程当中可以很好完成任务，本文借鉴了哺乳动物的四肢结构并且将其简化，对设计好的机构进行正运动学和逆运动学的分析，最后通过Simulink对机器人步态进行仿真，本文的主要内容有：1.分别介绍了国内外搜救机器人的发展状况和趋势，根据哺乳动物狗的腿部结构设计出一种仿生的四足机器人，然后运用D-H法对狗的四足机构建立了坐标系并且进行了正逆运动学的分析。2.运用Simulink建立四足机器人的单腿模型，设定有关的腿部长度和关节参数，规划机器人的对角步态和三角步态，运用Simulink进行步态仿真。关键词：搜救机器人，运动学分析，步态仿真ISearchandrescuerobotlegmodelandsimulationbasedonMATLABAbstract:Thewheeleandcrawlerrobotforsearchingandrescueinghasbeenapplicatedforsomeyears,buttheyallcannotbeadapttothecomplexruggedroad.Unfortunately,thecrawlerrobotcannotbeadapttoallkindsofcomplicatedsituationontheground,butthefoottypeofrobotcanbeverygoodtocompletetasksintheprocessofearthquakerelief.Thispaperdrawsonmammalianlimbsstructuresandsimplifingthestructures.Doingforwardkinematicsandinversekinematicsanalysis.FinallycarringoutontherobotgaitthroughtheSimulinksimulation,themaincontentofthisarticle:1.Introducingthedevelopmentstatusandtrendofsearchandrescuerobotathomeandabroadrespectively,accordingtothedogslegstructureabionicquadrupedrobotdesigned,thenestablishingthedogcoordinatesofthefourinstitutionsanddoingtheinversekinematicsanalysis.2.UsingMATLAB/Simulinktoestablishthegaitofaquadrupedrobotprogrammingmodel.Setingthegaitparametersandplanningdiagonalgaitandtrianglegait.Keywords:Searchandrescuerobot,kinematicsanalysis,thesimulationofgaitII目录1绪论.11.1课题背景及研究意义.11.2国内外搜救机器人研究现状.11.2.1国外搜救机器人研究状况.11.2.2国内搜救机器人研究概况.31.3论文的主要工作.32搜救机器人机构设计及运动学分析.52.1搜救机器人机构设计.52.2运动学理论基础.52.2.1刚体位姿描述与坐标变换.62.2.2运动学分析基本内容.72.3搜救机器人运动学分析.72.3.1搜救机器人正运动学分析.72.3.2搜救机器人逆运动学分析.142.4本章小结.163搜救机器人步态规划及仿真分析.173.1步态概述.173.2SimMechanics简介.173.3机器人步态规划.203.3.1机器人单腿模型的建立.203.3.2对角步态规划.243.3.3三角步态规划.24III3.4机器人步态运动仿真.273.4.1机器人运动模型的建立.273.4.2对角步态仿真.293.4.3三角步态仿真.303.5本章总结.314总结.324.1本文主要内容.324.2工作展望.32参考文献.33致谢.35在校期间的研究成果.3501绪论1.1课题背景及研究意义由于地震灾难现场情况复杂,废墟现场地形崎岖复杂，如果救援人员在不知道现场的具体情况而直接进入，很容易出现意外。搜救机器人可以很好地解决这个问题，机器人可以在灾难发生后第一时间进入灾难现场寻找幸存者,搜集有关现场环境信息以便搜救工作及时地完成。但是，灾难现场的复杂情况给机器人的活动带来了极大地挑战，现在虽然已有许多类型的机器人投入使用，但由于各种原因，仍难以满足灾难现场对机器人活动的“苛刻”要求。所以要设计一种能够适应多种地形、高效率的地面搜救机器人。目前抢先救援机器人结构主要存在三种：轮式、履带式及腿式。三种结构各有优缺点，各自适用于不同的领域。轮式结构机动灵活性能最好，功耗也小，但是对路面的要求最高致使适用范围受限。履式结构大大改善了轮式结构路面要求高的缺点，能够适应复杂地形的需要，但是机动性能大大降低，且功耗比较高。腿式结构灵活性好，适应能力、功耗等均较能满足要求，腿式机器人可以任意选择着地点，在任何可变环境中的都可以移动，所以是研究最多的一类运动仿生机器人。目前研制的腿式机器人主要代表有双足、四足和六足机器人这三种，四足机器人在承载能力和稳定性方面优于双足机器人，在结构方面超越了六足、八足机器人，它具有实现静态步行的最少腿数，也适合动态步行。1.2国内外四足机器人研究现状1.2.1国外搜救机器人发展趋势日本是一个地震多发的国家，人民和财产因此受到极大的威胁，所以在搜救机器人的研制方面十分重视，其机器人的科技含量一直处于世界领先地位。日本的Hirose教授首先提出蛇形机器人运动系统，而且在1972年设计制作了第一个仿蛇机器人，他还提出了用“蛇形的曲线”来描述蛇的蜿蜒的运行方式，后研制了“ACM”1等系列机器人。非常典型例子的还有日本科学家SatoshiTadokoro发明的Snakebot。该机器人主要用于搜救工作，它的机身长约8m，依靠备有有动力装置的尼龙绳索进行驱动，可以深入灾区废墟的各个狭小角落。其利用摄像机模拟成仿生的“眼睛”传回的影像可以使救援人员了解并控制受灾区域的内部情况。该蛇形机器人经受了可控和现实灾难的双重检验，在加入到日本地震救援之前，它曾在美国佛罗里达的一次停车场坍塌事故中帮助救援队实施营救。菊池制作所针对日本东京消防厅开发的救援机器人RoboCue能进入救援队员不能进入的地方，比如火势凶猛的房屋、爆炸或弥散毒气的现场来寻找受害人。它配备有超声波传感器、红外照相机，还在身上带着一个氧气瓶，它的2个机械臂不但可以识别受伤的人员，还可以把受伤的人抬上一张像雪橇一样的床上，带回到安全的地带。日本横滨的警察署设计开发的“爬行者”可以承载的最大重量为250lb（1lb=0.4536kg），“爬行者”机器人的特色功能是利用“舱体”将被困的人员安全运出危险的区域。以上介绍的这四款款机器人均应用在2011年的日本大地震救援中，并起到了一定的救援作用。美国在911事件后，对机器人的研究变得更加重视。其中，特别有代表意义的是由Irobot公司研制的小型可携带式机器人Packbot系列和“Warrior”等机器人都得到了很好的应用。“Warrior”可以在很远的距离实现遥控动作，前后长为90cm，两边宽为80cm，上下高为53cm，质量为250kg，机械手臂的前段安装了刷子。在日本福岛的第一核电站中，其中3号机组建筑物1层的放射线总量最高时达620mSv/h，所以操作人员是不可能进入的，而“Warrior”机器人可以将爆炸后落下的小石子和沙土清理干净，并且可以搬走断掉的架子。加州大学伯克利分校有一名教授研制的Dash机器人，即“不死的小强”机器人，是通过硬纸板与电子器件的废弃部分所组成的，因为它的体积很小，所以Dash的优点在于行动敏捷，而且它的机身用纸板做成，这样做的好处是对于躯干的损伤基本免疫，每只机器人的造价还不高于1美元。这样从节能环保的角度来看，Dash机器人的设计是有十分重要的意义。目前，世界各个国家已经设计出了各种仿生的机器人，比如仿壁虎机器人、仿蜘蛛机器人等。美国Vecna公司的Bear仿人型机器人是一种用于战场的救援机器人。其他国家也很重视救援机器人的研究。如加拿大Inuktun公司研制的MicroVGTV及Sherbrook大学研制的AZIMUT机器人，其主要特点是根据环境与任务2的不同随机改变自身形态。还有西班牙的ALACRANE、瑞士的Shrimp、英国的“手推车”（Weelbarrow）Mk7型排爆机器人、德国TEODORG公司的MV4机器人、法国的MK4D智能排爆机器人等。1.2.2国内研究现状在国内，对搜救机器人的研究起步较晚，但受到的重视程度却很高。比如国家“863”计划所支持开展研发的地震搜救机器人等一系列的科研措施；近年来国内各大高校、研究机构和许多企业等都积极地进行了许多的研究，并且获得了很大进展。接下来我要介绍几种在2013年的芦山大地震中做出突出作用的机器人。国家“十二五”科技支撑计划的重点项目“龙虾”搜救机器人是目前世界上体型最大的抢险搜救机器人。它的每条胳膊都有7个自由度，可以在操作人员的控制下自由地升降，而且可以模仿人的两只手进行任何角度没有死角的协调配合工作，还可以切换轮、履两用的运动形式。还有油和电两种不同的驱动动力源，可以两只机械手共同工作，轮式和履式的不同工作方式切换着行进，它的两条手臂末端的机械手可根据在场的作业或救援现场的需要快速地变换成不同作业功能的液压工具，这样就可以实现快速装载、拆除、搜救抢险的工作。中科院的沈阳自动化研究所研制出了生命探测仪、表面搜救机器人和旋翼飞行机器人。废墟搜救机器人最大的优势是可以改变自己的结构进入到危险的地方或救援人员不可以进入的危险环境当中，利用机器人随身携带的红外摄像仪器、声音传感器把废墟内部的图像、语音等信息快速的传回到后方的控制中心。废墟搜索机器人的作用体现在以下2个方面：（1）快速搜索幸存者，并提供信息给救援人员，方便施救；（2）随时监视废墟的变化，防止发生倒塌危及救援人员。旋翼飞行机器人的主要功能是提供灾害现场的精确位置及救援人员现场作业等实时信息，并协助救援队进行排查工作，最大任务载荷为40千克，最大巡航时间为1.5小时。1.3论文的主要工作本文主要研究四足搜救机器人，在狗的骨骼结构的启发下设计了四足仿生机器人，对该机器人的结构和运动学问题进行了详细的分析；在Matlab/SimMechanics3下建立了机器人单腿步态规划模型，通过设定不同的步态参数规划了对角步态和三角步态。第一章绪论。介绍了课题背景、研究意义以及国内外搜救机器人的研究现状，提出了本文要开展的主要工作。第二章通过对狗的骨骼机构分析设计了四足搜救仿生机器人，建立了单腿运动学模型并进行了正/逆运动学分析。第三章在SimMechanics中建立机器人单腿步态规划模型，设定步态参数并确定足端运动轨迹，规划了一组对角步态和三角步态，然后建立机器人运动学模型验证步态的可行性。第四章总结与展望。42搜救机器人机构设计及运动学分析2.1搜救机器人机构设计本文仿照自然界中哺乳动物狗的结构，简化的四足机器人模型结构如图所示，四足机器人整体结构由躯体、左前腿、右前腿、左后腿、右后腿五部分组成，机器人前后腿呈对称分布，每条腿都有3个关节，整体共有12个关节，每条腿都有3个自由度，大腿与机身连接处有两个关节，分别为髋关节和抬腿关节，大腿和小腿之间为膝关节，髋关节可以使机器人完成外摆动作，抬腿关节和膝关节组成一个二连杆机构来驱动前进。图2.1四足机器人结构模型图2.2运动学理论基础5运动学一般是研究点和刚体的运动规律。点是指一种没有大小、质量、在空间内存在一定位置的几何点。刚体是无质量、不可以改变形状、但有一定的形状、存在于空间一定位置的形体。运动学包括点的运动学和刚体的运动学两个不同的部分。掌握了所说的这两类运动，才可能进一步研究变形体的运动。2.2.1刚体位姿描述与坐标变换在所研究的机器人坐标系中，当坐标系运动时相对于连杆不动的坐标系定义为静坐标系，简称为静系；跟随着连杆运动而运动的坐标系定义为动坐标系，简称动系。动系的位置和姿态的描述定义为动系的位姿。刚体的位姿描述：（1）位置描述在选定的直角坐标系A中，空间任意一点P的位置可以用3x1位置矢量AP,其左上标表示选定的坐标系A，此时AP=pxpypz,px,py,pz表示x,y,z三个方向的分量。(2)方位描述想要描述一个刚体在空间各个方向的位置，就要首先设定一个坐标系B与刚体连接，三个方向的单位矢量在坐标系B中用xB,yB,zB表示，设坐标系A为参考系,那么矢量,xB,yB,zB相对于A的方向余弦可以组成一个三行三列的矩阵，矩阵表示如下：，可见矩阵描述了B相对于A的方位。假如三个量绕x轴，y轴，轴旋转角，得到旋转变换齐次矩阵：6Rot（x,）=cossin0i01Rot（y,）=cos0sin1iRot（z,）=10cssii2.2.2运动学分析基本内容搜救机器人运动学的分析包括正运动学分析和逆运动学分析两方面的内容:(1)正运动学分析是指对于一个给定的机器人，在四条腿连杆的几何参数和关节旋转角度已知的前提条件下，用杆件正运动学计算杆件的位置和姿态等参数。(2)逆运动学分析是指在各个连杆几何参数已知的前提下，根基坐标系或者机身坐标系下足端的位置和姿态，计算完成各个关节旋转角度。2.3四足机器人运动学分析2.3.1四足机器人正运动学分析在建立坐标变换方程时，把一系列的坐标系建立在连接连杆的关节上，用齐次坐标变换来描述这些坐标之间的相对位置和方向，就可以建立起机器人的运动学方程。现在的问题是如何在每个关节上确定坐标系的方向，以及如何确定相邻两个坐标系之间的相对平移量和旋转量，即需要采用一种合适的方法来描述相邻连杆之间的坐标方向和参数。常用的是D-H参数法。Denavit和Hartenberg两人在1995年时提出了一种方法可以通过给关节链中的每7一杆件建立坐标系，并且用矩阵的方法表示，即所谓的D-H参数法。1.连杆坐标系的建立关于建立连杆坐标系的规定如下：（1）zi坐标轴沿i+1关节的轴线方向；（2）xi坐标轴沿zi和zi-1轴的公垂线，且指向背离zi-1轴的方向；（3）yi坐标轴的方向须满足xi轴、zi轴构成xiyizi右手直角坐标系的条件。再此以右前腿为例建立坐标系，定义坐标系X轴竖直向下，Y轴沿机身垂直方向，Z轴沿机器人前进方向，如图：图2.2机器人右前腿坐标系根据以上坐标系，分别为髋关节，抬腿关节和膝关节转动的角度，在单腿坐标.系中，从坐标系1到坐标系2，坐标系2到坐标系3，坐标系3到坐标系4的齐次变换矩阵如下：表2.1机器人右前腿各杆件参数ad1000209003L1004L20008A1=100cossiniA2=100cossiniA3=100csiiLA4=102L可以计算得足端坐标系4相对于基座标0的齐次矩阵为：T4=A1A2A3A4=0pzaonzyyxx1010cossini=100csiiL10L000sin1)sin(2)cos()sin(cocoincoLL根据据以上得到位置与姿态矩阵：9R=0)cos()sin(10incoP=sin1)sin(20cLL其中R为足端姿态矩阵，P表示足端相对于基坐标系的位置。设关节角度，10，L1=50mm,L2=67mm,则可以计算得P=T。253507设机器人机身绝对坐标系为e，机身参考坐标系为b，坐标系原点位于机身中心，OLF代表左前腿基座坐标，OLH代表左后腿基座坐标，ORH代表右后腿基座坐标，ORF代表右前腿基座坐标。坐标系如图所示，图中a为机身长度的一半，b为机身宽度的一半。10图2.3基坐标系与绝对坐标系关系图由上图可以求出四肢基座对机身的齐次矩阵，TLFB=10baTRFB=10ba11TLHB=101baTEHB=101ba由上述矩阵可以得到四足到机身中心坐标的变换矩阵，最后可以得到四足足端到机身中心的变换矩阵为：TLF=TLFBT4=100cos)cos(2)sin()cos(1inincoinLLbaTRF=TRFBT4=100cos)cos(2)sin()cos(1inincoinLLbaTLH=TLHBT4=100cos)cos(2)sin()cos(1inincinLLba12TRH=TRHBT4=100cos)cos(2)sin()cos(1inincinLLba假设机身坐标b相对于绝对坐标系e的位置为（X0，Y0，Z0）,再使用表示分别,绕X,Y,Z的旋转角度，得到机身中心相对于绝对坐标的齐次变换矩阵：Tbe=R(z,)R(y,)R(x,)Trans(x0,y0,z0)=10000cossincosininsiniscoiizyx得到以上矩阵后可以求得四肢相,对于机身的坐标变化，就是说可以求出四肢的足端对于绝对坐标系的矩阵，如左前足：TLF4e=TbeTLF13求出右前腿对中心坐标系的向量表示为：2.3.2搜救机器人逆运动学分析由前面的正运动学算的的结果所知，机器人的位置和姿态由大腿长度L1，小腿长度L2，抬腿角度，和膝关节,其中L1和L2已知，但抬腿角度和膝关节未知，14这就需要逆运动学知识求解相关加角度，在这里以右前腿为例求抬腿角度和膝关节，先求：因为TRF=10pzaonzyyxx=100cos)cos(2)sin()cos(1ininciLLba根据以上矩阵对应得到px=-L2sin()-L1sin+apz=-L2cos()-L1cos两式分别平方并相加得(Px-a)2+Pz2=(L2sin()+L1sin)2+(L2cos()+L1cos)2=L12+L22+L1L2cos得：cos=21)(LPzax令t=cos=2)(可以得到膝关节角度：=Atan2（-）t,12再求：在方程TRF=ARFbA1A2A3A4，两边左乘上T3b-1，求得：A3-1TR=A4由方程的两边对应得：15=1001)cos(sin)sin()cos(icoinbaL10pzaonzyyxx102L将上式的各个元素对应可得：-Pxsin()-Pzcos()-L1cos+asin()=L2Pzsin()-Pxcos()-L1sin+acos()=0求得:sin（）=2)(sin1cos12(PzaxzLLcos()=2)()coin另X=sin(),Y=cos(),得=Atan2(X,Y).所以.),(2tanYXA2.4本章小结本章借鉴了哺乳动物狗的腿部结构建立了搜救机器人的腿部结构，然后运用D-H法建立了机器人的前腿模型，对右前腿设定了独立的单腿坐标系，并且进行了正运动学的分析，通过已知关节的角度得到位置和姿态矩阵，最后做了逆运动学的分析，通过已知位置反求关节的角度，从而运用了所学知识解决了现实问题。163搜救机器人步态规划及仿真分析3.1步态概述步态是步行机器人的一种迈步的方式，是步行机器人各腿之间运动的规律，即各条腿的抬腿和放腿的顺序，是研究步行机构的一个重要的参数，是确保步行机构稳定运行的重要因素。本章重点研究机器人的步行方式，机器人在步行运动时能稳定运动必须要有一个协调的步态，所以决定采用SimMechanics模块来建立机器人腿部模型，第一求出足端的工作空间，然后构建单腿模型，再确定各条腿的运动轨迹，由足端轨迹的仿真得到关节的角度，以实现机器人运动的控制。一般步态是说行走过程中肢体表现出来的一种协调关系，就是抬腿，放腿的先后顺序，可以分为规则和非规则步态，规则步态是机器人的腿部根据给定的运动轨迹和和规定的各退的先后顺序而运动，不适合不规则的路面，而非规则的步态是指腿部的轨迹和放腿的先后次序是可以改变的，所以适合不同的路面情况。3.2SimMechanics简介17SimMechanics仿真模块是simulink工具箱中simscape库中的一个仿真模块，SimMechanics可以仿真三维系统的平移和转动运动，提供了一系列工具求解带有静力学约束，坐标系变换等在内的机构运动问题，并现实利用虚拟现实工具提供的功能显示机构系统运动的动画示意图。1.SimMechanics基本模块介绍SimMechanics基本模块主，要包括刚体模块组，约束与驱动模块组，力单元模块组，接口单元模块组，运动副模块组，传感器与执行器模块组和机械仿真模块组。2.各基本模块组的具体模块介绍1）刚体模块组该模块组主要包括4个模块组，即刚体模块，机架模块，机械环境模块和共享机械环境模块。刚体有两个连接端，其中一个为主动端，另一端为从动端。使用刚体时可以定义质量，惯性矩，坐标原点，刚体的初始位置和角度。机架只有一个连接端，另外一个固定。机械环境是为仿真定义环境变量的，包含有重力，维数，分析模式，约束求解器，误差线性化和可视化。共享环境连接两个刚体模块使他们享有相同的机械环境。图3.1刚体子模块组2）约束与驱动模块组该模块组主要包括7个模块，即角度驱动模块，距离约束模块，齿轮约束模块，线性驱动模块，平行约束模块，点线约束模块和速度驱动模块。18图3.2约束与驱动模块组3）运动副模块组该模块组主要包括两个部分即非配合部分和无质量连接部分，每个部分的具体模块如图3.3所示。图3.3运动副模块组4）传感器与执行器模块组刚体驱动执行器主要通过力或力矩驱动刚体。刚体传感器主要检测刚体参数模块。刚体约束与驱动力传感器主要用来检测一对受约束刚体间的力或力矩。驱动执行器主要用来对一对相互约束刚体施加相对运动。节点执行器主要对节点施加力或力矩。节点粘附执行器主要对节点施加粘附力。可变质量与惯性执行器主要使刚体质量能随时间变化。5)力单元组模块该模块组主要包含两个模块，即刚体弹簧振动与阻尼模块、运动副弹性振动与阻尼模块。刚体弹簧振动与阻尼模块主要是在两个刚体之间添加振动与阻尼，运动副弹性振动与阻尼模块主要是在两运动副之间添加振动与阻尼。6）接口单元模块组该模块组主要包含两个模块，即移动副接口和转动副接口。7)机械仿真公用模块组该模块组包含三个模块，连续角度模块主要是将传感器输出的非连续、有界角度转换成无界连续角输出。将转换矩阵转换成虚拟现实的转换模块，主要是将旋转矩阵转换成等价的VRML的旋转轴和角的形式。机械分支端口将一个sensor/actuator端口转换成多个sensor/actuator映射为铰链、约束、驱动器或刚体坐标系统。3.SimMechanics机械建模的基本步奏SimMechanics机械建模的基本步奏是利用Simulink工具箱下SimScape仿真库19中的SimMechanics仿真模块及Simulink公共模块进行机械建模，具体步奏为：第一步，分析连杆机构建模对象，明确SimMechanics建模所需要的功能模块，即确定实现既定机械系统仿真模型的思路与方法。第二步，建立一个新的Simulink仿真窗口，选择机械仿真模块，然后根据既定的机械系统的数学描述选择相关的机械模块，将其添加到模型窗口中。第三步，搭建仿真模块，形成机械系统仿真模型。按照信号从左至右从上到下流向原则将模块放置到合适位置，将模块从输入端至输出端用信号线相连接，搭建完成机械仿真模型框图。第四步，设置机械机构各功能模块参数。根据机械机构模型数学描述、目标函数及约束条件，设置模块参数，使各模块的参数与模型的数学描述一致。第五步，设置求解器仿真参数，利用模块对话框菜单Simulations中的Configurationparameters命令，打开相关对话框进行设置。第六步，微调相关参数，运行机械机构仿真模型，得到仿真结果。第七步，双击仿真信号显示模块，设置显示窗口输出参数，得到仿真曲线。3.3机器人步态规划3.3.1机器人单腿模型建立为了实现机器人的运动仿真，必须先对机器人进行步态规划，但为了避免机器人四条腿运动时出现过驱动现象，所以采用四条腿分别单独的规划方法，单腿分为抬腿和平移两个过程。最后分别设定每条腿的运动轨迹就可以确定整个机器人的运动轨迹，在Simulink中搭建右前腿的模型。如图3.4.20图3.4右前腿模型图如上图前腿的模型所示，从最左边的ground为机身，以确定前腿的位置，R1_gan1为机器人大腿，ground与R1_gan1之间用一个有两个自由度的铰链连接，因为它必须包含髋关节和抬腿关节，R1_gan2为小腿，大腿与小腿之间用一个自由度的铰链连接，G3的足端与小腿用铰链连接，In-model为足端的运动轨迹，OUT-angel为关节角度。在设定右腿单腿模型的参数时必须要考虑机器人的四条腿是协调运动的，所以四条腿必须互相对称，使得初始值也是相互对称的，因为右边大腿的左侧是连接两个自由度的铰链的，所以大腿的右侧相对于根部的位置为，小腿其062.4857.中一端与大腿的末端连接，而小腿的另一端相对于大腿末端的距离为，所以设置的参数如图所示：042.69.721大腿参数设置小腿参数设置22足端参数设置图3.5右前腿参数的设置3.3.2对角步态规划对角步态是指在对角线位置的两条腿同时处于抬起或处于支撑的状态，当其中两条腿处于抬起的状态的瞬间，另外两条腿处于支撑状态，所以占空系数为0.5。步态规划要设置步态的周期，抬腿的高度和步距的长度，并且为了机器人在行走的过程中避免地面障碍对摆动腿的阻碍，所以机器人的足端计划采用椭圆和直线相结合的方式作为足端的运动轨迹，表达式为：上式中h为抬腿的高度h=10mm，s为步距s=25mm，步态周期T=1,所以每条腿的抬腿和支撑时间都为周期的一半，前半个周期右前和左后处于摆动状态，左前和右后为支撑状态，后半个周期左前和右后卫摆动状态，右前和左后为支撑状态，最后得到抬腿关节和膝关节角度如图3.6所示。23图3.6抬腿关节角度24图3.6膝关节角度3.3.3三角步态规划机器人的腿部一般是处于支撑和摆动两种状态中的一种，根据本人所查资料若把每一条腿分为支撑腿和摆动腿时分别作为两个独立的事件，设有N条腿，可以得到步态的种类有（2n-1）！种，但是只有六种步态可以使三条腿处于支撑状态，在这六种步态下稳定裕量最大的是选择左前-右后-右前-左后的顺序。与上面的对角步态一样要设定步态周期T=1.8秒，步距S=25mm，抬腿高度为H=12mm。并且为了提高稳定性，避免崎岖的路面对腿部造成的冲击，所以采用直线和半椭圆的轨迹。三角步态的两个过程为抬腿状态和支撑状态，其特点为其中的任意时刻都只有一条腿处于摆动状态，另三条腿处于支撑状态，所以得到的占空系数为0.75，其中为了方便把支撑过程分三段，抬腿过程分一段，支撑是抬腿的三倍，可以做出运动的时序图：25图3.7三角步态运动时序上面已经设置步态周期T=1.7秒，第一个0.45秒左前（LF）处于摆动状态，其他三条腿处于支撑状态；第二个0.425秒右后（RH）处于摆动状态，其他三条腿处于支撑状态；第三个0.425秒右前（RF）处于摆动状态，其他三条腿处于支撑状态；最后0.425秒左后（LH）处于摆动状态，其他三条腿处于支撑状态。得到抬腿关节和膝关节角度如图3.8：2627图3.8抬腿关节和膝关节角度图3.4机器人步态仿真3.4.1机器人运动模型的建立本文将搜救机器人设计为四足机器人，并且为了使建模具有直观的特点，所以选择使用SimMechanics对机器人进行建模，根据机器人的腿部机构在simulink中搭建模型如图3.1所示：图3.1机器人系统图机器人的模型包括四个子系统：运动轨迹模块，运动状态控制模块，四条腿模型及它的机身模型，模型及四条腿模型。运动轨迹函数确定了四条腿和机身的运动轨迹；运动状态控制模块作用是控制机器人的运动与停止，并且可以设置步态周期；机身模型通过三自由度的运动副和机架连接；四条腿（LF、RF、LH、RH）结构类似，28都是用两个自由度的运动副和机身连接，分别封装在四个子系统中。右前腿的内部结构如图3.2所示。图3.2右前腿内部结构3.4.2对角步态仿真将上一节规划好的对角步态输入控制模块，设置步态周期为1秒，得到对角步态一个周期下机器人的运动过程如图3.3，29图3.3对角步态一周期运动图像从图中所见，t=0.0s时机器四条腿都处于支撑状态；t=0.25s时右前（RF）和左后（LH）处于摆动状态，左前（LF）和右后（RH）处于支撑状态；t=0.75s时左前（LF）和右后（RH）处于摆动状态，右前（RF）和左后（LH）处于支撑状态；t=1.0s时机器人完成一个周期的运动，四条腿都处于支撑状态。运动仿真沿x轴负方向运动，单腿每个周期前进25mm，y方向为机器人抬腿方向，每个周期内抬高12mm。x、y方向运动轨迹如图3.4所示。图3.4对角步态右前腿运动轨迹曲线303.4.3三角步态仿真如对角步态一样把设计好的三角步态输入控制模块，设置步态的周期为1.7秒，得到三角步态一周期内的机器人运动过程，如图3.5：图3.5三角步态一周期的运动图31当t=0.0s时机器人四条腿都处于支撑状态；t=0.27s时左前（LF）处于摆动状态，其他三条腿处于支撑状态；t=0.66s时右后（RH）处于摆动状态，其他三条腿处于支撑状态；t=1.06s右前（RF）处于摆动状态，其他三条腿处于支撑状态；t=1.54s左后（LH）处于摆动状态，其他三条腿处于支撑状态；t=1.8s时机器人完成一个周期的运动过程，四条腿都处于支撑状态。设定运动仿真沿x轴负方向前进，单腿每个周期前进25mm，y方向是机器人的抬腿方向，每周期抬高12mm，得到X，Y方向上的运动轨迹曲线为：图3.6三角步态下右前腿的运动轨迹曲线3.5本章小结本章通过根据搜救机器人的腿部结构在在MATLAB下使用了其中的机械模块SimMechanics搭建机器人的步态模型，先设定好足端的运动轨迹，运动周期和抬腿高度，然后根据三角步态和对角步态的时序图建立机器人系统的整体模型，再将规32划好的三角步态和对角步态输入到控制模块，就可以得到机器人在不同步态下的运动图像。334全文总结4.1本文的主要内容本文通过借鉴四足哺乳动物狗的四肢结构将搜救机器人设计成为仿生的四足机器人，后运用D-H法建立了合理的坐标系，并进行了正向运动学分析和逆向运动学分析。再根据机器人的腿部结构运用Simulink下的SimMechanics工具箱对机器人的步态规划建立起模型，然后通过对三角步态和对角步态运动时序图的分析，仿真得到三角步态和对角步态，再将规划好的三角步态和对角步态输入到关节控制单元，最后得到了机器人在两种不同步态下的运动图像。4.2总结及工作展望现代社会搜救机器人是必不可少的，因为人类本身的搜救能力越来越显得不足，人类在智慧上超出动物很多，但在特定环境的适应上就要比动物差很多。虽然说人类已经发明了很多的新的科技弥补了这一不足，但还是能明显发现，船体的灵活性不如鱼类的灵活，飞机的灵活性比不上鸟类和昆虫，车辆对地形适应能力比不上长有四条腿的哺乳动物。搜救机器人的研究可以解决和克服我们这方面的不足，从而对社会产生大的经济效益。本文运用simulink对搜救机器人进行了步态的仿真，但仿真出来的步态只是简单的前进和后退步态，所以需要通过加入不同的步态来使行走更加多样化和增强稳定性，如规划转弯绕行步态，跳跃步态或爬行步态等不同的步态。34参考文献1周远清，张自兴,许万雍,贾培发等.智能机器人系统M.北京：清华大学出版社，1988.2张晋西，郭学琴SolidWorks及COSMOSMotion机械仿真设计M.北京：清华大学出版社，20073胡汉才.单片机原理与系统设计M.北京：清华大学出版社，2002.4郑超,赵言正,付庄.一种小型履带机器人结构设计与实现D.上海:上海交通大学机器人研究所,20025梅红,王勇.轮式移动机器人的动力学建模及跟踪控制J.机床与液压,2009,37(9):127-