四足机器人运动仿真研究

四足机器人运动仿真研究

1机械本体结构对四足步行机器人实用化的影响四足步行机器人必须在复杂的自然环境下完成任务，不仅要在平坦的地面上快速稳定行走，而且有能力独立完成各种障碍。为此,四足步行机器人的机械本体结构直接影响着步行机器人的实用化,是影响步行机器人应用与发展的关键技术之一。基于虚拟样机技术对四足步行机器人模型进行了模拟仿真,观察机器人的仿真结果,找出设计不足,最终修改和优化了设计方案。2四足步行机器人的下肢设计2.1空间放散机构四足步行机器人机械本体的设计中腿部机构设计是关键,设计合理可以减少摩擦,提高运动速度、运行效率以及支撑能力。在腿部机构形式主要有缩放型机构、四连杆机构、并联机构、平行杆机构、多关节串联机构和摆动缩放机构。空间缩放机构,如图1所示。具有3个自由度,可用作全方位空间多足步行机器人腿机构。该机构在运动主平面内具有解耦性、易于控制、具有较高的能效性等优点,因而被广泛用作步行机器人腿机构,如图2所示。并联机构是一种并行三连杆机构,它由3个驱动器直接驱动机器人腿的3个自由度(大腿、小腿的抬放和侧向转动)。该机构可以实现全方位运动,但因为每条腿上有三个自由度,需要三个驱动器分别直接驱动,控制系统较为复杂。另外,华中科技大学设计了一种含有弹性元件的缓冲型虚拟弹簧腿,如图3所示。利用弹簧把刚性连接变为柔性连接,减缓机器人在动态行走时的冲击以及由此产生的振动,可以实现机器人行走的稳定性和高效性。2.2种单自由度多连杆机构腿机构的可控自由度越多,它的灵活性越好,但每一个可控自由度要配备一个驱动电机和一套传动机构,所以每增加一个自由度其重量相应要增加许多,控制也越麻烦。因此,步行腿机构的自由度在满足运动条件前提下,越少越好。一般情况下,对于平面机构的腿在平面内能实现变步态步行最少需要两个自由度,这时只能作不改变方向的直线运动。如腿实现固定步态步行,也可采用一个自由度。基于此,并结合上面的典型腿部机构分析,作者提出了一种基于被动式的四足步行机器人机构设计。该机器人腿部应用单自由度多连杆机构,如图4所示。每条腿用一个直流伺服电机驱动,用51系列单片机产生电机的控制信号来进行控制转速。曲柄杆AB为主动件,B、C点固定在机体上,除去主动件和机架该机构即为斯蒂芬森型六杆运动链,可进一步分为两个曲柄摇杆机构(ABCD、ABCG)和一个平行四杆机构(CEFG)。在曲柄摇杆机构ABCD、ABCG中,极位夹角为20°,所以机构存在急回运动,行程速度变化系数,即D、G点的空回行程平均速度是工作行程平均速度的1.25倍。在曲柄杆的带动下,支撑脚可实现的运动轨迹,如图5所示。ABCD为工作行程,DEFA为空回行程,该机构较好的利用了曲柄摇杆机构的急回特性,实现了支撑脚的快速平稳运动。在连杆机构中,传动角的大小及其变化情况在很大程度上影响了机构传力性能的好坏。通过分析该机构最小传动角出现的位置情况,解得最小传动角为:保障了机构的传力性能良好,进而说明了该机构的设计合理性。3四足机器人虚拟原型的构建3.1建立机器人的正常运行状态对于足式机器人来说,其稳定性主要取决于步态。四足动物存在多种步态,而目前比较常见的步态主要有爬行、对角小跑、溜蹄、跳跃、定点旋转、转向等。该机器人采用的步态规划,如图6所示。开始时机体处于站立状态,中心位于前后腿连线的交点,接着处于对角线上的前腿2和后腿4向前摆动,前腿1和后腿3起到支撑作用,机器人重心位于腿1、3连线上,摆动腿2、4向前跨步的同时腿1、3驱动相应关节,使机体向前移动,造成模型重心前倾,恰好使重心在1、3的对角线稳定区域内。在机体移动到位时,摆动腿2和4立即放下,四腿着地,保持平衡站立状态。接着,原支撑腿1、3抬起并向前跨步,腿2、4呈支撑相。支撑腿2、4驱动各关节使机体前移,并且模型重心开始前倾,恰好使重心在支撑腿2和4的对角线稳定区域内。接着2、4立即放下,四腿着地,保持平衡状态,这样完成整个步行周期动作。3.2足机器人机械结构的装配体依据设计参数,如表1所示。利用UG建立四足机器人的各个部件的实体模型,并根据系统中各个部件的相对位置关系,组装成四足机器人机械结构的装配体,如图7所示。为了提高模型在ADAMS中的仿真速度,在UG中将无相对运动的零件的三维实体模型运用布尔运算将其合并成一个实体模型。3.3加入物理参数采用Parasolid格式文件将UG中的三维实体模型导入ADAMS中。依此给各个零件加入材料密度、重心或转动惯量的物理参数。根据机器人的实际运动情况,在腿和本体、各连杆之间分别添加旋转副约束,在主动曲柄杆和机体的旋转副中添加step阶跃驱动函数,并且在各腿和地面之间利用实体和实体接触形式创建四个接触。3.4支撑脚结构修改设计多次仿真证明机器人无运动干涉,可按给定运动规律前行,机器人质心按一定的规律产生上下波动,基本趋于稳定,如图8所示。但是可以看到,机器人支撑脚在前进过程中受到了较大的冲击力,如图9所示。这对机械结构和机体上安装的仪器将带来极大的破坏,同时也增加了机体的不稳定性。因此有必要对腿部结构进行修改:首先增加踝关节,在支撑脚和小腿之间增加弹性装置;将支撑脚改成仿人足的形状,且在足底采用橡胶结构,以减少冲击力。改后结构,如图10所示。采用新机构后,腿部冲击力取得了明显的改善,如图11所示。4改进小部结构方案从节省能量的角度出发,作者设计了一种新型的基于被动式的四足步行机器人结构,采用ADAMS建立步行机器人的运动学模型,通过仿真分析需要改进结构方案,重新设计小腿部结构。改后机构