【四足机器人步态分析及规划分析案例5300字】

四足机器人步态分析及规划分析案例四足机器人步态分析及规划分析案例 1 1 1 1 21.2.3动平衡步态分析 31.3步态规划 6 61.3.2静平衡步态规划 71.3.3动平衡步态规划 9在四足动物的运动步态分析中，进而确定在四足机器人中，机器人的移动是给每一条机械腿设置一定运动规律，并且将每一条机械腿的运动规律需与其他三条机械腿协同配合运动，进而满足行走运动需求。由于在该设计要求中，应用场景不但有平坦路面，要需要满足崎岖不平等恶劣环境下四足机器人的正常运动需求。因此，针对不同的工作环境，需要采用不同的步态进行运动。首先要进行步态分析，根据环境研究出其运动约束条件，步态的选择以及运动整体稳定性分析。在步态分析的基础上，再进行步态规划，包括调整运动速度、步距大小、运动周期设定以及步态规律的调整。稳定性分析中，首先要分析静止站立时的稳定性，在此基础上再进行步态过程中的稳定性。根据在行走过程中四足机器人与地面接触的足端数，分为静稳定1.2步态分析1.2.1稳定性分析为了能让机器人保持稳定，需要满足以下条件：1.保证COG点或者ZMP点在支撑面；其中，将机器人在行走过程中地面对足端的力分解至沿X,Y,Z方向，定必须形成一个封闭图形，即至少有三个足端时刻与地面保持接触关系。COG点运动，其余三条腿足端保持与地面接触。如图4-1所示，将四足机器人四条腿分别编号为1、2、3、4,点接触是四足与地面的接触类型，将其设为P₁、P₂、P₃、P4。如图4-1所示。机器人首先摆动腿2,其他三条腿支撑时，由图4-1可以看稳定裕度S定义为：将四足机器人运动过程中，分别计算COG点到由足端与地面接触点所组成的三角形的距离，取其中最短距离为为稳定裕度S。若四足机器人沿着直线运动时，也可将COG点与支撑边界的距离投影至运动方即COG点在支撑面内S为正，反之为负。以COG点为原点，机器人前进为X轴方向，构建O-XY直角坐标系，如图则可以求出C点到直线P₁P₃,P₃P₄的距离：综合式4-3,可以求出机构的稳定裕度S,在静态稳定行走步态下，四足机器人平衡的必要条件是保持S为正数，且S越大，机器人稳定性越好。图4-1静平衡步态示意图式，因此每时每刻只有两个足端接触地面，无法形成封闭图形，所以上述利用COG点进行稳定性分析的方法无法适用。因此采用零力矩点点(zero-momentpoint)来衡量稳定性。由于该步态通常运动速度较快，所以重力但是对于复杂环境稳定性调整能力差，存在失稳倾倒的可能性。如图4-2所示。如图4-3所示，建立直角坐标系O-XYZ,设定平面O-XY为地面，同时设定Z量为m,惯性张量Jj,。设定四足机器人质心相对于坐标系0—XYZ原点位置为P;=(x;,yj,Zj)。将四足机器人某一部件j所受的力作定义为F;=(Fxj,Fyj,Fz)T,并将该力相对于X轴YX图4-2图4-3根据式4-11、4-12可解的ZMP点的坐标根据图4-3,通过对四足机器人受力分析，建立起刚体绕定轴转动的微分方图4-3中的x是以时间为自变量的函数，在机器人完成一次对角足端交替，同时根据图4-3的几何关系可得：综合式4-15,4-16,4-17可积分得到翻转角速度和翻转角度表达式：根据式4-18可以求解出机器人在运动过程中实时的整体翻转角速度，式从式4-20可以看出，翻转角度取决于k、T、β和λ等参数的设定，出于对单腿步距A:一条腿在迈腿时间内，即从离开地面到接触地单腿绝对跨距L:一条腿在迈腿时间内，即无接触在空中向前运动，足端相对地面产生的绝对位移。在步距λ,单腿步距A,单腿相对跨距E、单腿绝对跨距L四者之间的运算关系为：L=A+E=λ(如图4-4所示);占空比β:定义为单腿支撑时间与步态周期T的比值。通常情况下机器人运动速度取决于β值的确定。对于四足机器人，当β<0.5时，对应的机器人运动情况是单腿接触，甚至发生腾空奔跑情况，这种步态称为疾跑步态；当0.5<β<0.75时称为对角步态，机器人不少于两条腿与地面接触支撑，对于四足机器人而言，通常采用同一时刻对角接触地面的行走方式；当β>0.75时，机器人同一时刻有至少三条腿接触支撑地面，又将该步态称为爬行步态，这种步态下机器人整体稳定调节能力强，且具有较强的越障能力和运动抗干扰能力。图4-4运动步距示意图1.3.2静平衡步态规划静平衡步态是指机器人至少三条腿接触地面，即只有当一条腿落地之后，另一条腿才能抬起，通过计算，在一个运动周期内，会产生4×6=24种运动方式。在进行静平衡步态规划之前，我们需要对机器人进行一定假设和规定：1.机器人前进过程重心只沿前后方向移动，不会有侧向偏移；2.一条腿落下后，另一条腿马上抬起，中间时间间隔忽略；3.四条腿绝对跨距力相等且恒定不变；4.起步之前机器人四足的着地点构成平行四边形，此时同侧腿的间距相等。5.对各腿进行编号，分别将右前腿，左前腿3、4号腿。表4-1爬行步态参数表T机架AASAA腿10000E腿20E000腿3E0000000E0三个因素，分别对24种步态进行分析，通过以上三种因素的考量，选出最优步态有1-2-3-4,4-3-2-1,3-4-2-1,3-2-4-1四种迈腿顺序。本设计研究选取其中3-2-4-1步态作为静稳定步态进行举例研究，具体迈腿顺序为右后腿、右前腿、左后腿、左前腿、右后腿。图4-5所示。机器人采取该步态运动时，整这样每一个子周期内只执行一条运动指令。步态参数如表4-1所示，通过表4-1侧两条机械腿迈步指令。可以得到以下有关步距、跨图4-5静平衡步态示意图由前文分析可知，对角步态占空比范围为：0.5<β<0.75,本章确定占空比为β=0.5,即当对角摆动腿接触地面的同时，另一组支撑腿立即离开地面，执行中，没有四足支撑时间。其步态参数如表4-2所示。表4-2对角步态参数表T机架AA腿1E0腿20E腿3E00E在此处，设定四条机械腿在迈步时单腿相对步距根据式4-24可知，当取k=1/6时，根据计算机器人在半个周期中总翻转角度的误差，理论上可