仿生四足機(jī)器人

.四足機(jī)器人的步態(tài)仿真研究本文運(yùn)用Pro/ENGINEER軟件與虛擬樣機(jī)軟件MSC.ADAMS相結(jié)合的方式對(duì)四足仿生步行機(jī)器人的樣機(jī)模型進(jìn)行了模擬，經(jīng)過分析驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)步態(tài)的適用性和可行性，避免了用常規(guī)方法求解四足仿生步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的復(fù)雜運(yùn)算，提高了四足仿生步行機(jī)器人的設(shè)計(jì)效率和研制水平，在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域具有一定的參考價(jià)值。 該文通過對(duì)一種四足機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)和步態(tài)規(guī)劃后，利用仿真技術(shù)分析它的適應(yīng)環(huán)境與承載能力。首先在四足步行機(jī)器人初始結(jié)構(gòu)參數(shù)基礎(chǔ)上，基于三維軟件Pro/ENGINEER建立機(jī)器人仿真模型，并將模型導(dǎo)入到仿真軟件中完成行走過程，以穩(wěn)定性為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行優(yōu)化和評(píng)價(jià);最后在路面上進(jìn)行一定量的承載和適應(yīng)環(huán)境方面的分析，為智能化機(jī)器人提供一種分析方式。 在自然界或人類社會(huì)中，存在人類無法到達(dá)的地方和可能危及人類生命的特殊場合，如工地、防災(zāi)救援等許多領(lǐng)域，對(duì)這些復(fù)雜環(huán)境不斷的探索和研究往往需要有機(jī)器人的介入。腿式系統(tǒng)有很大的優(yōu)越性，較好的機(jī)動(dòng)性、崎嶇路面上乘坐的舒適性及對(duì)地形的適應(yīng)能力強(qiáng)。所以這類機(jī)器人在軍事運(yùn)輸、海底探測、礦山開采、星球探測、殘疾人的輪椅、教育及娛樂等眾多行業(yè)，有非常廣闊的應(yīng)用前景，多足步行機(jī)器人技術(shù)一直是國內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。四足步行機(jī)器人是機(jī)器人的一個(gè)重要分支，由于四足機(jī)器人比兩足步行機(jī)器人承載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好，同時(shí)又比六足、八足步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，因而更加受到各國研究人員的重視。在四足機(jī)器人中，足結(jié)構(gòu)是最重要的機(jī)構(gòu)，選擇得當(dāng)可使機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)方便，大大簡化控制方案。 但由于機(jī)器人數(shù)學(xué)描述的復(fù)雜性，使得在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析方面顯得較為困難，計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性分析提供了依據(jù)。本文通過建立一種四足步行機(jī)器人模型，在規(guī)劃該機(jī)器人的直線爬行步態(tài)后，利用虛擬樣機(jī)軟件MSC.ADAMS對(duì)機(jī)器人的爬行步態(tài)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，得到了機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)相關(guān)物理量的變化曲線。通過仿真驗(yàn)證了步態(tài)規(guī)劃的合理性，同時(shí)將該模型投入到具有一定形狀的模擬路面，分析機(jī)器人的穩(wěn)定性等動(dòng)態(tài)特性，這為機(jī)器人分析提供一種良好的途徑。 一、四足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃 1.機(jī)器人結(jié)構(gòu)的建立 一直以來，人們對(duì)四足機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)步態(tài)進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐。本文涉及的機(jī)器人由一個(gè)機(jī)身和4條腿組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。它是一個(gè)對(duì)稱的模型，機(jī)身尺寸為6780mm2，重心位置為機(jī)器人機(jī)身的中心，呈對(duì)角的腿起到支撐和邁進(jìn)的作用，這兩個(gè)作用交替出現(xiàn)，行走方向?yàn)閦的正方向。 圖1機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖 機(jī)器人腿部為連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)式腿機(jī)構(gòu)，如圖2所示。其腿部結(jié)構(gòu)尺寸為：髖關(guān)節(jié)長度l1=15mm;大腿關(guān)節(jié)長度l2=28mm;小腿關(guān)節(jié)長度l3=24mm。其中每一部分都可以一定角度轉(zhuǎn)動(dòng)或者擺動(dòng)，髖關(guān)節(jié)沿著自身軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，大腿關(guān)節(jié)和小腿關(guān)節(jié)分別繞O1、O2轉(zhuǎn)動(dòng)。初始狀態(tài)大腿關(guān)節(jié)軸心沿著x方向，小腿關(guān)節(jié)平行于y方向垂直于x方向。 3D動(dòng)力網(wǎng)】本文運(yùn)用Pro/ENGINEER軟件與虛擬樣機(jī)軟件MSC.ADAMS相結(jié)合的方式對(duì)四足仿生步行機(jī)器人的樣機(jī)模型進(jìn)行了模擬，經(jīng)過分析驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)步態(tài)的適用性和可行性，避免了用常規(guī)方法求解四足仿生步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的復(fù)雜運(yùn)算，提高了四足仿生步行機(jī)器人的設(shè)計(jì)效率和研制水平，在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域具有一定的參考價(jià)值。 2.機(jī)器人步態(tài)分析 通過對(duì)步行機(jī)器人進(jìn)行穩(wěn)定性分析，選擇合理的擺動(dòng)腿順序，可以生成各種各樣的步態(tài)。要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走就要對(duì)這些關(guān)節(jié)的角度進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，機(jī)器人多軸協(xié)調(diào)控制的理論雖然比較成熟，但技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來卻有一定的難度。目前研究步態(tài)及步態(tài)變換的工具均是基于一個(gè)跨步周期的支撐狀態(tài)步態(tài)圖。 四足仿生步行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)步行的核心思想就是把機(jī)器人的四足分為兩組，兩足支撐機(jī)體并推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)(稱為支撐相)，另兩足擺動(dòng)為下一步支撐做準(zhǔn)備(稱為擺動(dòng)相)，整個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程就是支撐相與擺動(dòng)相交替、循環(huán)的過程。在機(jī)器人研究領(lǐng)域支撐相和擺動(dòng)相隨時(shí)間變化的順序集合稱為步態(tài)。對(duì)勻速行走的機(jī)器人來說，其足相呈周期變化規(guī)律。由于這時(shí)步態(tài)是周期變化的，故稱為周期步態(tài)。在一個(gè)周期T內(nèi)，支撐相的時(shí)間為t，則該足的有荷因數(shù)按=t/T計(jì)算。 一個(gè)步態(tài)周期中，步行機(jī)器人機(jī)體重心向前移動(dòng)的距離稱為步距s，各足處于支撐相時(shí)相對(duì)于機(jī)體的移動(dòng)距離稱為足的行程R，兩者的關(guān)系為R=s。 為了便于描述，本機(jī)器人采用如圖3所示的步態(tài)，即初始狀態(tài)4足處于站立狀態(tài)，如圖3(a)所示;接著后腿1和前腿2向前躍進(jìn)，這個(gè)過程中髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，大腿關(guān)節(jié)繞O1小幅度轉(zhuǎn)動(dòng)，小腿關(guān)節(jié)繞O2向外轉(zhuǎn)動(dòng)，其余兩腿保持站立狀態(tài);當(dāng)后腿1和前腿2躍進(jìn)站穩(wěn)后，前腿1和后腿2開始躍進(jìn)，如圖3(c)所示，如此往復(fù)向前運(yùn)動(dòng)。 圖3機(jī)器人步態(tài)分析圖 在對(duì)機(jī)器人進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃時(shí)，機(jī)器人足端點(diǎn)軌跡的選擇對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性有著重要影響，機(jī)器人行走過程中的連貫性、穩(wěn)定性、美觀性以及所需驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小均受其牽制。對(duì)于四足仿生步行機(jī)器人來說，較好的足端點(diǎn)軌跡應(yīng)具有良好的起落特性、速度和加速度特性。人們多采用初等函數(shù)來描述機(jī)器人的末端軌跡，如一次函數(shù)、正弦函數(shù)等。 步態(tài)圖能夠清楚地反映每條腿在某時(shí)刻是處于支撐相還是懸空相，但是該方法沒有反映各條腿的先后運(yùn)動(dòng)時(shí)序，在用于步態(tài)變換以及控制腿部運(yùn)動(dòng)時(shí)就顯得比較復(fù)雜。而理論分析雖然在國內(nèi)取得了一定的發(fā)展，為機(jī)器人行走奠定了一定的基礎(chǔ)，但是其可操作性有待于驗(yàn)證和完善。為此在認(rèn)真分析四足仿生步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性和仿真特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，制定出該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真流程，并通過仿真技術(shù)來檢測機(jī)器人的性能。 二、機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真 1.機(jī)器人仿真模型的建立 虛擬樣機(jī)軟件MSCADAMS集建模、求解和可視化技術(shù)于一體，能有效分析和比較多種參數(shù)方案。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)比較復(fù)雜，研究和開發(fā)一種合理的四足機(jī)器人仿真模型是非常有意義的，本文接下來利用ADAMS軟件對(duì)機(jī)器人進(jìn)行虛擬仿真分析。 為了研究四足步行機(jī)器人對(duì)角小跑步態(tài)下如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定地高速行走，首先在三維軟件Pro/ENGINEER中創(chuàng)建完成模型后，導(dǎo)入到ADAMS虛擬樣機(jī)軟件建立虛擬樣機(jī)，如圖4所示。小腿關(guān)節(jié)、大腿關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)分別由步進(jìn)電機(jī)控制。機(jī)身簡化為一個(gè)方塊，中間去除一個(gè)小方塊。 在仿真軟件定義好參數(shù)后，例如轉(zhuǎn)動(dòng)副、鉸鏈等，建立平板模擬平整底面，定義機(jī)器人的四個(gè)腳與平板接觸，設(shè)置完成摩擦、剛度系數(shù)等參數(shù)。最后設(shè)置重力參數(shù)。 圖4機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型 1小腿關(guān)節(jié)2大腿關(guān)節(jié)3髖關(guān)節(jié)4機(jī)身 2.機(jī)器人腿的運(yùn)動(dòng)控制 四足步行機(jī)器人是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性和時(shí)變的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，其變姿態(tài)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性及產(chǎn)生穩(wěn)定步行所必須的動(dòng)態(tài)平衡問題，對(duì)控制理論的研究及實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都具有很大的挑性。根據(jù)四足機(jī)器人的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)參數(shù)能夠計(jì)算機(jī)體的運(yùn)動(dòng)位置和速度。機(jī)器人四條腿依次“抬起擺動(dòng)放下”以構(gòu)成一個(gè)步態(tài)周期，而一個(gè)步態(tài)周期需要分成若干個(gè)階段以對(duì)應(yīng)于每條腿得“抬起擺動(dòng)放下”，這需要合理控制每條腿來保證行走的穩(wěn)定性。經(jīng)過理論分析得到如圖5所示的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)曲線(其中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為位移)，它根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果或反求工程將理論計(jì)算得到的公式轉(zhuǎn)變?yōu)榍€，并以step函數(shù)的形式導(dǎo)入到關(guān)節(jié)的定義中。小腿關(guān)節(jié)曲線跟髖關(guān)節(jié)一致，幅值根據(jù)路面情況定義，比如路面凹凸不平，則幅值較大。 圖5機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)曲線 3.機(jī)器人的仿真分析 分析前設(shè)置好步長，由于是動(dòng)力接觸分析，需要加大步長，減少運(yùn)動(dòng)時(shí)間，經(jīng)過分析后得到如圖6所示的過程，其中機(jī)器人以45左右方向運(yùn)動(dòng)。穩(wěn)定性對(duì)機(jī)器人來說是非常重要的參數(shù)，圖7反映了機(jī)器人質(zhì)心上下波動(dòng)的狀況，可以控制機(jī)器人在0.6mm之間小幅振動(dòng)。圖8為質(zhì)心前進(jìn)方向的位移變化，從圖8中可以看出它基本上與時(shí)間呈線性關(guān)系運(yùn)動(dòng)。 為了解到該機(jī)器人與地面的接觸力，讀取其中一個(gè)腿部的受力圖，如圖9所示，可以看出腳底跟地面產(chǎn)生的最大接觸力約為0.5N左右。總體來說該機(jī)器人在地面上的運(yùn)動(dòng)速度平穩(wěn)，穩(wěn)定性較好。 4.機(jī)器人性能測試 足式移動(dòng)機(jī)器人對(duì)行走路面的要求較低，它可以跨越障礙物，走過沙地、沼澤等特殊路面，用于工程探險(xiǎn)勘測、反恐防爆、軍事偵察等人類無法完成或危險(xiǎn)的工作。對(duì)這些環(huán)境進(jìn)行不斷的探索和研究，尋求一條解決問題的可行途徑成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展和人類社會(huì)進(jìn)步的需要。不規(guī)則和不平坦的地形是這些環(huán)境的共同特點(diǎn)，使得輪式機(jī)器人和履帶式機(jī)器人的應(yīng)用受到限制，而多足步行機(jī)器人能夠在復(fù)雜崎嶇的路面上穩(wěn)定行走。目前多足機(jī)器人的步行運(yùn)動(dòng)大多數(shù)是基于步態(tài)的幾何位置軌跡規(guī)劃、關(guān)節(jié)位置控制的規(guī)劃和控制策略。而單純幾何位置規(guī)劃與控制在機(jī)器人于復(fù)雜地形(如崎嶇不平、陡峭、堅(jiān)硬光滑和松軟)等步行與作業(yè)時(shí)，則會(huì)由于慣性、腳力失衡及位置控制誤差而導(dǎo)致失穩(wěn)，這種情況也是我們關(guān)注的重點(diǎn)。 在分析中需要適應(yīng)一定的環(huán)境，以及承受一定物體(比如承載重物)的重量。為此建立了一定形狀的沙地，進(jìn)行機(jī)器人的上坡和不平整地面適應(yīng)性分析。 沙土地面較松軟，可視為均勻彈性體，假設(shè)沙土的地面剛度和阻尼系數(shù)與接觸面積呈正比。機(jī)器人和地面將構(gòu)成一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)，在低速振動(dòng)的情況下，可以將該系統(tǒng)看成單自由度有阻尼的線性系統(tǒng)。那么通過測試該系統(tǒng)的地面剛度和阻尼，就可以換算出著陸腳著陸時(shí)的接觸剛度k和接觸阻尼系數(shù)Cmax。經(jīng)過計(jì)算得到。其中，m為機(jī)器人加上其承載物的質(zhì)量;Td為有阻尼自由振動(dòng)的周期;n為衰減系數(shù)。另外，Ai和Ai+1分別為同方向相鄰的兩個(gè)振幅。 將計(jì)算得到的值代入ADAMS定義接觸框中，定義一個(gè)具有一定形狀的沙土路面，讓機(jī)器人經(jīng)歷下坡，跨越不規(guī)則路面和上坡過程。同時(shí)讓機(jī)器人承載一定重量的物體，本分析所用的承載物體長寬高分別為703045mm3，材料為鋼。分析時(shí)提高大腿關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。 設(shè)置計(jì)算時(shí)間和步長后得到如圖10所示的過程，在提高大腿關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度后穩(wěn)定性變差，但越過障礙能力變強(qiáng)，尤其在上坡過程顯得比較重要。承載物的重量對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)也產(chǎn)生了一定影響，尤其體現(xiàn)在越過障礙物和凹凸路面過程中。在行走該過程時(shí)速度和穩(wěn)定性也有差別，如圖11所示。在下坡過程中該曲線較陡，說明速度較快，同時(shí)穩(wěn)定性較好;在走凹凸不平路面時(shí)，曲線斜率較小，速度變慢，同時(shí)曲線有波動(dòng)，說明行走過程中機(jī)器人隨著路面變化產(chǎn)生波動(dòng);在上坡過程中，由于機(jī)器人背著重物克服阻力導(dǎo)致速度變得更加緩慢。 圖11機(jī)器人行走過程中位移與時(shí)間的關(guān)系 1下坡過程2走凹凸路面過程3上坡過程 三、結(jié)論 本文運(yùn)用Pro/ENGINEER軟件與虛擬樣機(jī)軟件MSC.ADAMS相結(jié)合的方式對(duì)四足仿生步行機(jī)器人的樣機(jī)模型進(jìn)行了模擬，經(jīng)過分析驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)步態(tài)的適用性和可行性，避免了用常規(guī)方法求解四足仿生步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的復(fù)雜運(yùn)算，提高了四足仿生步行機(jī)器人的設(shè)計(jì)效率和研制水平，在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域具有一定的參考價(jià)值。 但是該模型在控制等方面還有待于完善，例如腳的靈活性還有待改進(jìn)，特別在復(fù)雜環(huán)境下讓腳與地面有更多面積的接觸，從而增加摩擦力，減少滑移。同時(shí)機(jī)器人的智能化程度也有待于提高，以便適應(yīng)更多特殊環(huán)境和場合的需要。 .