步行机器人范文（精选7篇）
步行机器人 第1篇
机器人技术近几年所取得的成就,使得机器人成为了目前科技发展最活跃的领域之一,对仿生步行机器人的研究是机器人研究领域中的一个热点。与轮式机器人、履带式机器人[2]相比,多足步行机器人可以跨越岩石等较大的障碍物,通过较松软的路面,具有极强的环境适应性和运动灵活性。但目前大多数步行机器人都处在实验室阶段,特别是其在步行的速度、稳定性及复杂地面适应力方面仍不是十分理想[1]。如何使机器人在复杂地貌上平稳地行走是机器人研究的一个重点。
对多足机器人在复杂地貌上的研究实际上是对步行机器人行走方法的研究。传统的ZMP方法是一种静态步行运动方法[4],具有许多先天不足。近年来许多学者也曾提出了一些ZMP的改进算法,在一定程度上丰富了ZMP的理论思想,但其本质上并没有改变ZMP属于静态步行运动方法这一事实[5,6]。
本文为了研究更有效适合复杂环境的多足仿生机器人的行走方法,在机器人能以较好的步行效率和速度通过一段复杂地貌的前提下,设计了结构和控制系统相对简单的四足步行机器人样机,用以验证一种期望落地点行走方法[7]。
为了验证这样一种方法,同时对机器人的单腿结构进行了运动轨迹实验,该机器人将用于DZMP方法的验证。
2 期望落地点行走方法
以目前成熟的ZMP方法为基础,引入Raibert在控制单足(或双足)弹跳机器人中采用的期望落地点概念和动力学简化计算原理[9],采用期望落地点(Desired Landing Point,DLP)行走方法[7]。
以四足仿生机器人平面步行运动为例来具体解释DLP原理,将该机器人平面化。如图1所示,假设四足仿生机器人正以速度v匀速向前运动,当足2和足4下落接触到地面,足1和足3刚刚离开地面,而在经过一个期望的时间后离地腾空的足1和足3重新落到地面那一时刻之前,系统根据前方地貌的三维信息以及由控制器发出的期望速度、加速度和期望转角,期望落地点事先已经规划好。
3 平面四足步行机器人的结构设计
3.1 平面四足步行机器人整体结构设计
平面四足步行机器人完全采用模块化结构,如图2所示,包括四条模块化移动腿、四个模块化横向驱动关节、躯体连接片等部分,每条腿都由一个模块化驱动关节和弹性步行足组成,整个机器人具有8个自由度,其驱动关节模块具有互换性。通过ADAMS运动仿真,在四足步行机器人足尖运动空间得到充分满足的情况下,对机器人的各功能模块进行了合理的布局,保证了结构的紧凑性。
该平面四足步行机器人在结构设计方案上有以下几个特色:
(1)框架式结构:该机器人采用框架式结构,最大程度减轻了机器人重量,同时具有很高的结构强度。
(2)模块化驱动关节:作为机器人的基本单元,此结构具有通用性强、易装配、易维修等特点,从图2中可以看出每一个模块化腿部驱动关节都是由一个直流伺服电机经联轴器输出扭矩,传动机构采用丝杆螺母机构。
(3)滑动丝杠自锁结构:滚珠丝杠没有自锁功能,在保证机构传动效率的前提下采用滑动丝杠实现自锁,该结构充分利用了现有机构的结构尺寸,在已有的结构上增加了两根刚度较高的光杆来达到自锁的目的。
(4)简化了控制系统,提高了机器人的稳定性:由于设计的机器人每条腿只有2个自由度,分别能够沿水平方向和竖直方向运动,且采用移动式关节和模块化结构,保证了各机构的互换性,这将有利于控制系统的设计,使得控制系统的设计也可以采用模块化的方式,简化了控制系统。
3.2 机器人的平面行走约束机构
机器人需要被约束于一个近似于平面的状态下行走,采用的约束机构简图如图3所示,约束机构具有沿着中心左右和上下摆动以及绕轴线转动3个自由度,这样就可以近似模拟平面机构的3个自由度。
3.3 模块化移动腿设计
平面四足步行机器人腿部驱动关节要求传动系统间隙小、刚度大、输出扭矩高,具有自锁性等特点。基于这些特点,本文设计了一种腿部驱动关节。如图4所示,主要由电机、上板、下板、底板、光杆、丝杆、螺母等零件构成。
3.4 模块化横向驱动关节设计
横向驱动关节的设计思想跟腿部驱动关节类似,如图5所示,主要由电机、上板、下板、光杆、丝杆、螺母等零件构成,运动方式是由丝杆的旋转运动转变为螺母的直线运动。它的主要作用是为机器人提供一个能前向运动的自由度,同时作为机器人躯体部分,起到一个支撑的作用。
4 足部运动轨迹实验
为了验证所设计腿部的运动性能,进行了相应的实验。实验利用本文所设计的结构通过dSpace系统进行控制完成。
从图6中可以看出,阶跃响应时间约为0.2s,满足运动时的相应要求。
5结论
本文设计了一种用于平面步行的四足平面机器人本体结构,并进行了相应的系统性能实验,所设计的结构满足运动系统的要求。
摘要：设计了一种平面四足步行机器人原理样机,用以验证一种用于平面复杂地貌的行走方式。该机器人由四个伸缩式步行足组成,末端带有弹性足端,可以在支撑杆的协助下沿着圆形模拟复杂地貌行走。该样机采用四个可以实现两维平面运动的步行足构成,用于验证平面步行的期望落地步行方法。利用DSPACE半平台对机器人足部运动轨迹进行实验,结果表明,该样机的设计完全合理。
关键词：四足步行机器人,运动轨迹,模块化,DSPACE
参考文献
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[3]刘静,赵晓光,谭民.腿式机器人的研究综述[J].机器人,2006,28(1):81-84.
[4]VUKOBRATOVIC M,et al.Development of active anthro-pomorphic exoskeletons[J].Medical&Biological Engineering,1974(12):66-80.
[5]VUKOBRATOVIC M,et al.How to achieve various gait patternsfromsingle nominal[J].International Journal of Advanced RoboticSystems,2004,1(2):99-108.
[6]VUKOBRATOVIC M,et al.Towards a unified under-tandingof ba-sic notions and terms in humanoid robotics[J].Robotica,2007,25(1):87-101.
[7]徐轶群,万隆君.四足步行机器人腿机构及其稳定性步态控制[J].机械科学与技术,2003,22(1):86-87,91.
[8]RAIBERT M H.Legged robots that balance cambridge,Mass.:MIT Press,1986.
步行机器人 第2篇
四足步行机器人结构设计文献综述
（）
摘要：对国内、外四足步行机器人的研究发展现状进行了综述，对四足步行机器人亟需解决的问题进行了论述，并对未来可能的研究发展方向进行了展望。关键字：四足步行机器人；研究现状；展望
1、引言
四足步行机器人是机器人家族的一个重要分支，其不仅承载能力强，而且容易适应不平的地形。它既能使用静态稳定的步态缓慢平滑地行走，又能以动态稳定的步态跑动。与轮式、履带式移动机器人相比，在崎岖不平的路面，步行机器人具有独特优越性能，在这种背景下，步行机器人的研究蓬勃发展起来。而仿生四足步行机器人的出现更加显示出步行机器人的优势：
（1）四足步行机器人的运动轨迹是一系列离散的足印，运动时只需要离散的点接触地面，对环境的破环程度也较小，可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点，对崎岖的地形的适应性强。
（2）四足步行机器人的腿部具有多个自由度，使运动的灵活性大大增强。它可以通过调节腿的长度保持身体水平，也可以通过调节腿的伸展程度调整重心位置，因此不易翻到，稳定性更高。
（3）四足步行机器人身体与地面是分离的，这种机械结构的优点在于：运动系统还具有主动隔振能力即允许机身运动轨迹和足运动轨迹解耦，机器人的身体可以平稳的运动而不必考虑地面的粗糙度和腿的放置位置。
（4）机器人在不平地面和松软路面上的运动速度较快，能耗较低。
2、国内外的发展现状
20世纪60年代，四足步行机器人的研究工作开始起步。随着计算机技术和机器人控制技术的研究和应用，到了20世纪80年代，现代四足步行机器人的研制工作进入了广泛开展的阶段。
世界上第一台真正意义的四足步行机器人是有Frank和McGhee于1977年制作的。该机器具有良好的步态运动稳定性，但缺点是，该机器人的关节是由
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逻辑电路组成的状态机控制的，因此机器人的行为受到限制，只能呈现固定运动形式。
20世纪80，90年代最具代表性的四足步行机器人是日本Shigeo Hirose实验室研制的TITAN系列。1981~1984年Hirose教授研制成功脚步装有传感和信号处理系统的TITAN-III。它的脚底步由形状记忆合金组成，可自动检测与地面接触的状态。姿态传感器和姿态控制系统根据传感信息做出的控制决策，实现在不平整地面的自适应步行。TITAN-VI机器人采用新型的直动性腿机构，避免了上楼梯过程中两腿的干涉，并采用两级变速驱动机构，对腿的支撑相和摆动相分别进行驱动。
2000-2003年，日本电气通信大学的木村浩等人研制成功了具有宠物狗外形的机器人Tekken-IV，如图1所示。它的每个关节安装了一个光电码盘，陀螺仪，倾角计和触觉传感器。系统控制是由基于CPG的控制器通过反射机制来完成的。Tekken-IV能够实线不规则地面的自适应动态步行，显示了生物激励控制对未知的不规则地面有自适应能力的优点。它的另一特点是利用了激光和CCD摄像机导航，可以辨别和避让前方存在的障碍，能够在封闭回廊中实现无碰撞快速行走。
目前最具代表性的四组步行机器人是美国Boston dynamics实验室研制的BigDog，如图2所示。它能以不同的步态在恶劣的地形上攀爬，可以负载高达52KG的重量，爬升可达35°的斜坡。其腿关节类似动物腿关节，安装有吸收震动部件和能量循环部件。同时，腿部连有很多传感器，其运动通过伺服电机控制。该机器人机动性和反应能力都很强，平衡能力极佳。但由于汽油发电机
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需携带油箱，故工作时受环境影响大，可靠性差。另外，当机器人行走时引擎会发出怪异的噪音。
国内四足机器人研制工作从20世纪80年代起步，取得一定成果的有上海交通大学、清华大学、哈尔滨工业大学等。
上海交通大学机器人研究所于1991年开展了JTUWM系列四足步行机器人的研究。1996年该研究所研制成功了JTUWM-III，如图3所示。该机器人采用开式链腿机构，每个腿有3个自由度，具有结构简单，外形轻巧，体积小，质量轻等特点。它采用力和位置混合控制，脚底装有PVDF测力传感器，利用人工神经网络和模糊算法相结合，实线了对角动态行走。但行走速度极慢，极限步速仅为1.7KM/h,另外其负重能力有限，故在实际作业时实用性较差。
清华大学所研制的一款四足步行机器人，它采用开环关节连杆机构作为步进机构，通过模拟动物的运动机理，实现比较稳定的节律运动，可以自主应付复杂的地形条件，完成上下坡行走，越障等功能。不足之处是腿运动时的协调控制比较复杂，而且承载能力较小。
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3、国内外的关键技术分析
（1）机械本体研究
四足步行机器人是机电一体化系统，涉及到机构、步态、控制等，而机械机构是整个系统的基础。在机械本体的设计中腿部机构设计是关键。目前，研制的四足步行机器人的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、多关节串联机构和缓冲型虚拟弹簧腿机构。其中，并联机构可以实现多方位运动，且负载能力强，所以具有较好的应用前景，但控制系统较为复杂。另外，含有弹性元件的缓冲型虚拟弹簧腿机构，利用弹性元件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，因此该机构应用越来越广泛。
（2）步态研究
步行机器人几种典型步态有：爬行、对角小跑、溜蹄、跳跃、定点旋转、转向等。在文献[7]中，提出了爬步态的理论，并证明了该步态具有最大的静稳定性。对角小跑步态属于动态稳定步态，能够提高运动速度。跳跃式步态较其它步态在前进的效率上具有明显的优势，但是由于受到腿机构的摆动惯性力和关节处大冲击力的影响，因此需要较大的瞬时驱动力。另外，跳跃持续的时间是短暂的，为了保证机器人实时可控，必然需要在极短的时间内采集多种信号，这对目前的驱动元件和传感器都提出了极高的要求。目前所研究的各种步态中，跳跃步态的研究是最具挑战性的难点问题。
（3）控制技术研究
复杂四足步行机器人的控制系统是非线性的多输入和多输出不稳定系统，四足步行机器人结构设计文献综述
具有时变性和间歇动态性。目前四足机器人的步行运动大多数是基于步态的几何位置轨迹规划、关节位置控制的规划和控制策略。而对机器人进行单纯的几何位置规划与控制，则会由于惯性、脚力失衡等因素而导致机器人失稳。解决这个问题的关键就是突破单一的位置规划与控制策略，实施机器人力、位置混合控制。在步态生成和控制方面，有理论突破意义的是基于生物中枢模式发生器(CPG)原理的运动控制方法。
（4）驱动能源研究
在线提供能源受到空间的限制，而蓄电池组受体积和重量的限制，因此寻求提供持续可靠的离线自带电源就成了必须。随着新型电池的研发，新型太阳能电池、燃料电池、锂电池等成为较为理想的能量供给来源。另外，通过微波对微型机器人提供能量和控制信号也是一种较为可观的方法。
4、存在的问题
从20世纪60年代至今研究者们对四足步行机器人关键技术的分析做了大量的工作，在一些基础理论问题上取得了一定的突破，使四足步行机器人的技术水平不断得到提高。但在四足步行机器人发展过程中仍有一些亟需解决的问题：
（1）步行机器人的结构仿生设计问题；（2）在不平地面移动的速度、稳定性问题；（3）四足步行机器人的步态规划问题；（4）步行机器人仿生控制方面的问题；
（5）有些步行机器人的体积和质量都很大问题；（6）多数步行机器人研究平台的承载力不强问题；
5、展望
随着对四足步行机器人的研究的日益深入和发展，四足步行机器人在速度、稳定性、机动性和对地面的适应能力等方面的性能都将不断提高，自主化和智能化也将逐步的实现，从而使其能够在更多特殊环境和场合中使用，因此具有广阔的应用前景。
纵览当前四足机器人的发展，四足步行机器人有以下几个值得关注的趋势：
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（1）实现腿机构的高能，高效性；（2）轮，足运动相结合；（3）步行机器人微型化；
（4）增强四足步行机器人的负载能力；（5）机器人仿生的进一步深化；
6、总结
尽管四足步行机器人技术有了很大的发展，足式机器人的研究平台有很多，但制约四足机器人技术进一步发展的基础理论问题并没有得到根本的解决，其中，许多样机还达不到生物简单运动的速度和稳定性。正如著名机器人学家Geles教授所言：“步行机器人的理论研究步伐要远远落后于其技术开发的步伐”。现有的四足机器人的基础技术研究尚不够成熟和完善，足式机器人的关键技术还有待于进一步大力开发。
7、参考文献
[1] McGhee.R.B.Robot locomotion[A].In R.Herman, S.Grillner,P.Stein,and
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Walking Vehicle-Its Structure and Basic Characteristics.Robotic
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双足步行机器人控制电路设计与实现 第3篇
目前越来越多的机器人出现在我们的身边。从日本本田公司的ASIMO仿人机器人。美国的火星登陆车到IRobot公司的家庭清洁机器人。Wo Wee公司的玩具机器人,机器人已经逐步进入到了我们的生活中。
同时越来越多的人,也开始对机器人技术感兴趣。设计出一种机器人的通用平台,来让人们了解和学习机器人原理和技术,变得越来越重要。
著名的双足步行机器人有日本的ASIMO仿人机器人和法国的Nao仿人机器人,但这些机器人的成本很高,作为展示和研究平台很好,但作为向大众推广的学习平台并不适合。所以设计出一款成本低廉的双足机器人学习平台很有必要。
目前国内推广教育用的机器人控制平台主要是针对机器小车的。对于教育用的双足机器人控制平台设计的并不多,并主要是针对机器人的运动控制上,在机器人的人机交互和智能控制上没有考虑。本文设计的控制平台除了可控制机器人行走、避障、测距功能外,还能通过语音控制机器人和人进行交互,并可实现无线下载功能,方便二次开发学习,具有一定的技术先进性。
1 机器人控制电路总体结构
这种双足步行机器人(见图1)通过巧妙的机械设计,只用了分布在腿部和身体部位的两个舵机,就可以巧妙地控制机器人步行。其中一个舵机控制机器人左右摇摆,另一个舵机控制机器人前后摇摆。通过控制这些摇摆动作,如先控制机器人向右摆动,此时左腿抬起;接着控制左腿向前摆动,这样机器人就向前跨了一步。通过一系列组合动作,机器人就能够走起来。
整个双足步行机器人的控制系统主要是由硬件部分和软件部分两部分组成。整体结构采用双芯片体系结构(见图2),由Atmel公司的AVR单片机ATmega128芯片[1]和凌阳公司SPCE061A芯片[2]组成。利用ATmega128丰富的外设和内部处理功能,实现虚拟机程序及机器人舵机控制程序、红外避障程序、超声波程序。利用凌阳公司SPCE061A芯片强大的语音处理功能实现录音、发音及语音识别程序。
其中, ATmega128芯片主要实现机器人行走控制、红外传感器检测、超声波检测、按钮及显示灯控制、与电脑无线通讯、与凌阳单片机进行通信的功能。
凌阳单片机SPCE061A芯片主要实现机器人的发音、语音识别、与Atmega128芯片通信的功能。
2 主要控制硬件电路设计
整个步行机器人的具体硬件电路设计如下。
2.1 行走控制电路
主要是通过控制两个舵机来实现机器人的行走。舵机是一个位置伺服系统,只需要给舵机的控制接口一定的脉冲宽度,就能使舵机转动到一定的位置。
ATmega128芯片有多个PWM模块,通过配置定时器输出PWM信号,产生舵机所需的脉冲,从而控制舵机的转动[3]。针对此步行机器人通过控制两路舵机来实现行走。
2.2 红外传感器检测电路
红外传感器主要是为了机器人避障用,主要用到LM567实现。LM567是一种音调解码器,内含锁相环,可以广泛用于BB机、频率监视器等各种电路中。
具体电路见图4。其中R6和C4的取值使LM567的中心频率为38 kHz,此频率也是红外的发射频率。C2是环路滤波电容,C3是输出滤波电容。LM741对接收到的红外信号进行放大。
红外传感器具体工作过程:LM567的中心频率为38 kHz,为红外发射管提供38 kHz的脉冲信号,使红外发射管发出38 kHz的光波;当有障碍物时红外接收管输出38 kHz频率的压值变化信号(无障碍物时输出高电平),由LM741电压放大后输入LM567,当LM567接收到38 kHz频率的数据时,输出低电平,从而判断出前方的障碍物。见图5。
2.3 超声波传感器检测电路
超声波传感器电路主要是实现测距的功能。
主要由超声波发射电路和接收电路两部分组成[4]。
超声波发射电路主要由反相器7406和超声波发射换能器T构成,单片机端口输出的40 kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极,另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极, 用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器的两端, 可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联, 用以提高驱动能力。上位电阻一方面可以提高反向器7406输出高电平的驱动能力, 另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果, 缩短其自由振荡时间。见图6。
超声波接收电路主要使用集成电路CX20106A,它是一款红外线检波接收的专用芯片,常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz较为接近, 可以利用它制作超声波接收电路(如图7)。实验证明用CX20106A接收超声波(无信号时输出高电平), 具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。具体电路见图7。CX20106A 的第5脚的电阻决定接收的中心频率,220 kΩ的电阻决定了接收的中心频率为40 kHz。当 CX20106A 接收到40 kHz的信号时,会在第7脚产生一个低电平下降脉冲,这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入。
当前方有障碍物时,返回的信号是一串脉冲,通过计脉冲的个数来得到障碍物的距离有多远。
2.4 凌阳SPCE061A语音电路[2,5]
凌阳的SPCE061A是16位单片机,具有DSP功能,有很强的信息处理能力,最高时钟可达到49 M,具备运算速度高的优势等等,这为语音的播放、录放、合成及辨识提供了条件。SPCE061A单片机集成有单通道声音A/D转换器,以及2个10位D/A转换输出通道,方便语音电路的设计。
SPCE061A声音A/D转换器的输入通道内置麦克风放大器并具有自动增益控制(AGC)功能,使采集到的语音信号维持在最佳电平,整个采集电路只需要在对应管脚上接3个电阻和电容就行了,见图8。
语音发音电路由双通道10位D/A输出接口外接功放和扬声器来实现。使用时只需要外接2个电阻、1个电容和1个三极管就行了,见图9。
2.5 其它硬件电路
电源电路,直接是通过机器人上电池来供电的,然后利用稳压芯片LM1117—3.3和LM1117—5产生3.3 V和5 V电源。
ATmega128与凌阳SPCE061A的通信是通过串口1连接来实现的。
ATmega128芯片的串口0的接收端和发送端,分别接红外遥控的接收头和发射头。直接可以和接在电脑上的红外遥控模块通信。从而实现ATmega128与电脑的无线通信。
3 总结
整个硬件系统成本低廉,由于可以无线与电脑通信,具有良好的二次开发接口。在此硬件基础上搭建的双足步行机器人,具有避障、测距、发音、语音识别、并和电脑具有无线通信的功能,具有好的展示效果和学习效果。
摘要：提出和实现了一种具有语音控制和无线下载功能的双足步行教育机器人的控制电路。系统采用双单片机处理系统,其中包括步行控制电路、红外避障电路、超声波测距电路、语音发音识别电路和电脑无线通讯电路。基于此控制电路的双足步行机器人,具有很好的学习扩展性和新颖性。
关键词：双足机器人,控制电路,单片机
参考文献
[1]胡汉才.高档AVR单片机原理及应用.北京:清华大学出版社,2007
[2]张培仁,等.十六位单片微处理器原理及应用(凌阳SPCE061A).北京:清华大学出版社,2005
[3]梁磊,王树强,许芹.多路PWM信号产生算法研究.电气电子教学学报,2008;30(4):47—49
[4]崔坤征,罗均,谢少荣,等.一种用于动态障碍物探测的超声波系统的研制.机电工程,2005;22(6):44—48
步行机器人 第4篇
目前在机器人研究领域,研究单个机器人涉及的问题很多,例如运动和动力学分析、动态避障、地图构建、自定位、路径规划、控制体系、控制方法和通信技术,这8个方向都是目前移动机器人的研究热点,每一个方向都可以展开成一个很大的研究领域。但是,研究多机器人之间的协作并不多见。本文就此问题作了一些研究工作,将蓝牙短距离通信技术应用到机器人配合工作领域。
1 蓝牙无线传输技术的特点
蓝牙技术是一种无线数据与语言通信的开放性全球规范,是一种用微波技术去取代传统网络中错综复杂的连接电缆来实现固定设备及可移动设备的互联而建立的一个特殊的短程无线通信标准,它具有许多优越的技术性能。
1.1 射频特性
蓝牙设备的工作频段选在全世界范围内都可以自由使用的2.4GHz,这样用户不必经过申请便可以在2 400MHz～2 500MHz范围内选用适当的蓝牙无线电收发器频段。频道一般采用23个或79个,频道间隔均为1MHz,采用时分双工方式。
1.2 TDMA结构
蓝牙的数据传输率为1Mb/s,采用数据包的形式按时隙传送,每时隙0.625μs 。蓝牙系统支持实时的同步定向连接和非实时的异步不定向连接。
1.3 使用跳频技术
跳频是蓝牙使用的关键技术之一,由于使用高的跳频速率,蓝牙系统具有足够高的抗干扰能力,且硬件设备简单、性能优越。
1.4 蓝牙设备的组网
蓝牙根据网络的概念提供点对点和点对多点的无线连接,在任意一个有效的通信范围内,所有的设备都是平等的,并且遵循相同的工作方式。
1.5 蓝牙系统组成
蓝牙系统由无线单元、链路控制单元、链路管理组成。
2 蓝牙与其它短距无线通信技术
除蓝牙技术之外,其它较为成功的短距无线通信技术还有红外IEEE 802.11无线局域网技术和HomeRF家用无线局域网技术。红外IEEE 802.11无线局域网技术和HomeRF家用无线局域网技术的诞生都早于蓝牙,并且经过多年的发展已经日渐成熟,各项技术指标也不断得到提升。IEEE 802.11 、HomeRF和蓝牙工作在同一频段,它们之间存在着一定的竞争和相互影响[1]。IEEE 802.11不能支持语音传输,且红外技术在体积、功耗和成本上无法与蓝牙相比,因而在对于低功耗、低成本等要求高的领域和设备上的应用还很少;HomeRF技术其成本虽然比IEEE 802.11b 相对要低,但还是无法与蓝牙相比。因此本文选用蓝牙技术应用于机器人通信领域中。
3 基于蓝牙模块的主从机器人通信技术
3.1 主从导盲式通信机器人
主从导盲式通信机器人的基本思想是:两个机器人一起漫步,其中一个装有视觉系统,而另一个没有视觉系统,装有视觉的机器人为主动机器人,没有视觉的为被动机器人。主动机器人在前面行走探测路径,而被动机器人紧随其后通过接收主动机器人发送的信息跟着主动机器人行走,主从导盲式通信机器人见图1。
主从导盲式通信算法如下:分别在两个机器人上安装了两片蓝牙通信模块,由主机器人按照地址发信号联系从机器人,行走时主机器人用自己的视觉传感器探测路径上有没有障碍物出现,如果有做出避障决策,然后发送信息给被动机器人,被动机器人模仿主动机器人做动作。它们一共能做出前进、后退、左拐、右拐4种动作,这4种动作是通过发送函数的4个分支来实现的,从动机器人在接收到信号以后,按信号调用行走方案。
主从导盲式通信算法流程图见图2。
3.2 主从探索式通信机器人
主从探索式通信机器人的基本思想是:两个机器人一起配合探测路径,其中一个装有红外线视觉系统,而另一个装有超声波视觉系统;装有红外线视觉的机器人为主动机器人,装有超声波视觉的为被动机器人。主动机器人在前面行走探测路径,而被动机器人紧随其后漫步;主动机器人在行走路径和实时避障上享有优先权,被动机器人一方面通过接收主动机器人发送的信息按指示行走,另一方面自己可以处理路径中的紧急情况,进行实时避障。
主从探索式通信机器人结构图见图3。
为了让从动机器人既能按主动机器人的指示进行探索工作,又能在行进的路程中遇到障碍物自主进行避障,就需要建立一套可行的数据结构,即算法。本论文在主从探索式通信机器人中采用四叉树数据结构,四叉树的根目录是主动机器人的发送主函数,第一层4个子目录分别为发送主函数的4个分支forward、back、turnleft、turnright;第二层为forward、back、turnleft、turnright的子目录;第三层分别为从动机器人执行工作的具体动作。
主从探索式通信机器人算法流程图见图4。
4 结论
将上述算法用PBASIC编程分别进入主从机器人,经多次实验通信效果良好。在导盲式通信机器人中,从动机器人反应比较灵敏;在主从探索式通信机器人中,从动机器人在执行工作时有一段思考的时间,主要表现为有一个小小的停顿,从动机器人在接收主动机器人发送的指令和通过自己视觉做出反应动作之间做出抉择,主动机器人权比较高,所以首先执行主动机器人发来的指令,在主动机器人无指示时,从动机器人可自由行动。
摘要：为了实现主从机器人配合探测行走,把蓝牙技术运用到机器人配合工作领域。主要讨论了利用蓝牙短距离通信实现主从机器人导盲行走、主从探测机器人避障行走,并通过PBASIC语言开发编程,在六足步行机器人上做实验,结果表明是可行的。
关键词：蓝牙通信,主从导盲式通信机器人,主从探索式通信机器人
参考文献
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步行机器人 第5篇
两足步行机器人是一个多变量、强耦合、非线性和变结构的复杂动力学系统[1],通过平面绘图不能满足对机构的设计和仿真需求[2],因此对机器人的设计提出了很高的要求。Pro/ENGINEER的参数化设计可以优化机器人的设计,并且在机器人的制造过程中提供了很好的参考。参数化设计特征就是指用参数来表示零件大小的尺寸和属性,工程技术人员可以通过修改参数的值来修改零件的大小、形状和属性[3];目前,虚拟样机技术已经是一种全新的基于产品计算机仿真模型的数字化设计方法[4],Pro/ENGINEER的参数化设计也得到广泛应用。尤其是Pro/ENGINEER所有的模块都是全相关的,即在产品开发过程中,如果对产品的某—处进行修改,该修改将会影响整个产品的设计,如更新所有的工程文档,包括零件模型、装配模型、二维图以及制造数据等[5]。正是充分利用了Pro/ENGINEER的参数化设计特征、基于特征的造型设计和全相关性等特点,在两足机器人的设计过程中,下一个零件的设计可以完全参照前一个零件的所有特征,这恰恰满足了两足机器人较高的装配精度要求,并且不必考虑机械部分的干涉性、重复性等,为进一步完善力学计算、机构仿真、优化分析奠定了基础。
2 机器人关节的模块设计
当前机器人产业既面临空前的发展机遇,又面临严峻的挑战。在世界范围内,机器人产业尚无统一的体系结构,缺乏相应的基础标准体系与接口协议规范,研发工作存在大量低水平的重复,不能实现各种功能构件的重用与互换,没有形成专业化配套与产业链分工,致使制造成本高昂,严重制约了机器人产业的形成和发展。两足机器人在设计上采用了模块化的设计的思想,主要是在两足机器人中有许多关节具有通用性,所有的运动都可以简化为两个基本模块的电机轴正交放置形成的通用模块,然后两足机器人就可以像“搭积木”一样组建而成。
要使工作具有高效率,就必须总结出流水线式的作业方式,通过大量的摸索、总结,在前期的设计过程中主要遵循了以下几个简单步骤如图1所示。
模块的设计思路如下:首先确保在模块进行设计时,避免伺服舵机的破坏性使用,并尽可能地发挥了每个零件的作用。由于舵机只有一面有轴伸出,为达到力学平衡,在对应的另一面必须设置一虚约束,要添加一个辅助的与电机轴同轴线的定位用轴孔。定位用轴孔又需要基座,需要一侧面筋板,侧面筋板同样需要两端定位,因此又设计了舵机两侧壁的辅助定位块,定位块的定位采用自攻螺丝定位在舵机两翼上。这个思路反过来就是作图过程。如图2是舵机两侧壁的辅助定位块。它既是作为定位块,也是作为连接块,也作为配重,使舵机整体形状接近一个长方体。U型槽作为侧面筋板定位用,前端两个孔是自攻螺丝定位用,上表面孔是模块之间或同其他零件相连接用。单个模块即可代替人体上只能在一个平面内运动的关节,而两个模块以正交形式连接即可代替人体上可在做空间运动的关节(两平面上运动的矢量合成)。
3 从仿生学角度设计机器人的整体结构
仿生学(bionics)这个名字最早是由美国军医斯蒂尔(J、E、Steel)首先提出来的,当时他给仿生学下的定义为:“仿生学是模仿生物系统的原理以建造技术系统,或者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学。”简而言之就是“模仿生物的科学”。大自然的各种环境造就了具有不同适应特点的生物。因此,仿生学的研究内容也是极其广泛的,无论是宏观的还是微观的、整体的还是局部的、在形态结构和生理功能等方面,只要生物系统比技术系统明显优越,就值得人们进行学习,并加以模仿。而人类两足行走更是大自然中较为特殊的一种移动形式,从仿生学的角度出发对两足机器人的结构进行思考可以很清晰地得出其结构模型,而且对于后续地改进也有重要地参考价值。是人体的骨骼结构图,根据其关节分布及支撑机构,整个人体可分为九个部分,自下而上可以运动的部位分别是:足,踝关节,膝关节,骻关节,腰,肩关节,肘关节,腕关节,颈关节。其中可以做局部空间运动的有:踝关节,骻关节,腰,肩关节,腕关节和颈关节,其余运动范围全部在单一平面内,做空间运动的关节全部采用图2两关节模块连接形式,其余用一个模块直接替代即可。
机器人的结构就可以全部采用模块表示。如果将每个电机轴垂直于正面的模块用◎表示,将每个电机轴平行与正面的模块用◇表示,则可得到如图3所示的机器人完整的仿生学结构图。
在图3中:A1至A6表示机器人的左腿,B1至B6表示机器人的右腿,C1至C5表示机器人的左臂,D1至D5表示机器人右臂,E1、E2表示机器人的腰部,F1、F2表示机器人的头部。将各部分用模块代替即是机器人的整体结构,而且与人体运动机构是完全一致的。
依据仿生学原理对机器人进行组装,最终生成的三维模型如图4所示。
随着3-D实体建模的风行,越来越多的CAD/CAM软件提供直接由3-D实体输出NC码以进行CNC加工的功能,Pro/ENGINEER中的Pro/MANUFACTURE模块即为其一。许多人以为这意味着2-D工程图将逐渐消失,不再需要了,但实际上工程图面除了包含零件的3-D图、尺寸、尺寸公差之外,也包括零件的几何公差、表面处理、材料及其他相关的信息。而对于组装件而言,工程图所标示的除了包括零件间的组装关系、组装程序之外,亦包含了零件组装时所容许的组装公差。因此2-D工程图所扮演的角色就在于传达设计者的理念,让机构工程师、生技工程师、加工厂商、品管工程师、组装技术员、客户等借此对产品或零组件进行讨论及沟通。但是Pro/ENGINEER自带的模板并不是ISO标准的,而且进行标注时也有其自身的缺陷,最为专业的还是在AUTOCAD中进行尺寸的标注,而Pro/ENGINEER也提供了与AUTOCAD的接口,生成的2-D视图可以很方便地导入到AUTOCAD中。AUTOCAD文件的扩展后缀名为.dwg,如图5所示。
4 总结
本文主要介绍了采用PRO/E设计机器人三维模型的步骤和方法。采用这种设计,不仅可以大大缩短机器人的研制时间,而且可以直观的看到机器人的设计模型和效果,非常方便利于修改机器人的设计,目前很多的机械产品的设计都采用这种方法。
参考文献
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步行机器人 第6篇
由于四足机器人在其步行过程中可实现良好的地面适应性, 非常适合用作各种复杂地面环境中的移动平台, 在野外作业、灾害救援以及车间自动搬运等领域应用前景广阔。近十多年来, 四足机器人的相关研究得到了国内外研究者的广泛关注, 是机器人领域的一大研究热点。在国外, 日本学者研制了“TITAN”系列、“铁犬”系列, 加拿大学者研制了“Scout”四足机器人[1,2,3,4,5,6];在国内, 上海交通大学和华中科技大学分别开发了不同结构的四足机器人, 在机构设计和步行控制等方面取得了显著的研究成果[7,8,9,10]。
本研究以四足马机器人为研究对象, 对其在不同地面上的适应步行进行研究。
1 结构模型和运动学反解
1.1 结构模型
四足马机器人的结构模型如图1所示。机器人腿部由3个转动关节和球形脚部构成。最上面一个纵向转动关节用于实现机器人躯干的左右调整, 其他两个横向转动关节用于保证步行动作的完成, 球形脚部用于实现腿部的任意角度着地。
1.2 给定结构模型下的运动学反解
在确定四足马机器人的结构模型后, 可进一步推导单腿的运动学反解。笔者以机器人躯干和右前腿为研究对象, 建立坐标系如图2所示。
基准坐标系ΣN以地面上的固定点N为坐标原点, XN轴和YN轴的正方向分别为机器人的前方向和左方向。刚体坐标系ΣB以机器人躯干中心点B为坐标原点, XB轴和YB轴正方向分别为躯干的前方向和左方向。点H、M和K分别为3个转动关节的中心点, 点F表示机器人脚部的中心。腿部各连接的长度分别设为l1、l2和l3, 腿部的关节角向量设为θi= (θi1, θi2, θi3) T。参照图2, 从刚体坐标系ΣB到基准坐标系ΣN的旋转矩阵NRB为:
式中 α、β和γ—躯干相对于基准坐标系ΣN的Yaw角、Pitch角和Roll;记号s和c—正弦和余弦函数。
此外, 本研究设定机器人躯干的长度和宽度分别为d和w, 基准坐标系ΣN上的躯干中心点B和脚部的位置点F用向量 (xb, yb, zb) T和 (xf, yf, zf) T表示。由图2可得如下所示的向量关系:
式中 N, B—基准坐标系ΣN和刚体坐标系ΣB上的向量。
根据所建立的坐标系, 可得到各向量的表达式并代入式 (2) , 整理后可求出机器人右前腿运动学反解:
其中,
同理, 其他3条腿的运动学反解也可求出。在四足马机器人的步行过程中, 可根据设定的脚部运动轨迹和运动学反解来求出各关节的目标角度, 进而对关节运动进行控制。
2 适应步行中的稳定性
2.1 不同地面上的稳定性分析
适应步行的地面包括斜面和轻度凹凸地面。在适应步行中初始设定如下:四足马机器人各腿按照一定顺序依次步行, 任一时刻至少有3条腿或4条腿着地。在此基础上, 本研究进一步对四足马机器人在不同地面上的稳定性进行分析。
机器人在斜面上爬坡时, 由于重心相对靠后, 机器人的躯干应该向前方调整以避免向后翻倒。机器人在凹凸地面上步行时, 各脚在着地时必须适应地面的凹凸状况, 否则容易引起机器人侧向翻倒。也就是说, 在四足马机器人适应步行中, 机器人要能根据地面情况的变化对腿部动作和躯干动作进行相应的调整。从实现四足马机器人的适应步行出发, 在四足马机器人的脚底安装压力传感器, 根据检测到的地面反力来对各脚步行状态和步行稳定性进行分析。
2.2 地面反力中心和稳定余量
在对四足马机器人脚底压力进行检测的基础上, 可通过地面反力中心对其稳定性进行评价[11]。在适应步行中, 四足马机器人有3脚着地和4脚着地两种状态, 其中3脚着地时各脚着地点和地面支持反力如图3所示。
在图3中, 地面反力中心为点C, 坐标原点O到点C和着地点Pi (i=1, 2, 3) 的向量分别用rOC和r
(e·∑Fi) rOC=∑ ( (e·Fi) ·r
式中 向量e—各脚着地点所形成的支持多边形平面的法向量。
由式 (4) 可计算地面反力中心的坐标向量rOC:
由式 (5) 可得, 在检测出各脚底压力值和各脚着地点的基础上, 可求出地面反力中心的位置。当各脚底检测出的地面反力为垂直支持多边形平面向上时, 其方向与法向量e方向相同。
在四足马机器人的适应步行中, 当地面反力中心位于地面支持多边形内时, 机器人处于稳定状态;并且地面反力中心越靠近支持多边形的中心区域, 机器人的稳定性越高。由此, 在得到地面反力中心的坐标向量后, 笔者进一步引入稳定度来定量地描述四足马机器人在适应步行中的稳定性。稳定度的计算公式为:
S=min (di) /D (6)
式中 min (di) —地面反力中心与支持边界距离的最小值;D—min (di) 可能的最大值, 用来对min (di) 归一化处理。
这样稳定度S的取值范围为[0, 1]。当稳定度S=1时, 四足马机器人处于最稳定状态;当稳定度S=0时, 四足马机器人的地面反力中心位于支持多边形的边界上, 稳定度最低。
3 适应步行的实现方法
在检测四足马机器人地面反力的基础上, 结合稳定性分析, 讨论四足马机器人适应步行的实现方法。
3.1 腿部的运动轨道
从减少步行过程中脚部着地和离地时对地面的冲击力出发, 本研究首先设定四足马机器人各腿的标准步行动作轨迹为:
式中 xh, zh—机器人在th时刻在前进方向和竖直方向上的位移量;参数s0, h0—步距和脚部离地的最大高度;Th—完成一个标准步行动作的总时间。
由式 (6) 和式 (7) 确定的腿部运动在脚部离地和着地时的速度和加速度值均为0, 可有效减少脚部对地面的冲击效应。
在适应步行中, 各腿的步行动作还需要根据着地过程中地面的凹凸情况进行调整。根据脚部地面反力的检测值, 可以对步行脚是否着地进行有效判定, 从而完成脚部的适应性着地。具体流程如图4所示。
在步行脚着地过程中, 当地面反力的检测值为0时, 此时步行脚还没有着地, 步行脚继续向下运动;当地面反力的检测值明显大于0时, 此时步行脚已着地, 可立刻终止步行脚的运动。由此, 可实现步行脚在凹凸地面的适应性着地。
3.2 躯干的运动轨道
通过对地面反力中心位置的控制可保证四足马机器人在适应步行中的稳定性, 从而实现四足马机器人在不同地面上的适应步行。
首先, 本研究设定一个稳定度S0作为目标值, 并由此确定地面反力中心的目标位置;在步行面上取四足马机器人各脚初始位置的对角线交点为坐标原点, X轴和Y轴分别为前进方向和左方向, 机器人各脚按照“右后脚-右前脚-左后脚-左前脚”的顺序依次前进;根据稳定度的定义, 可分别求出右侧两脚和左侧两脚在步行过程中地面反力中心公共区域, 如图5中的三角形ΔS1S2S3和三角形ΔS4S5S6所示。在三角形ΔS1S2S3和三角形ΔS4S5S6内选取点C1和C2作为地面反力中心目标位置。而C0和C3分别为地面反力中心的初始位置和下一步行周期的目标位置。
在设定各步行过程中地面反力中心的目标位置后, 可通过控制躯干在前后和左右方向的运动使地面反力中心到达设定的目标位置, 从而保证四足马机器人在适应步行中的稳定性。由于地面反力中心位置与机器人躯干运动之间的对应变化关系受到各腿部质量和位置的影响而呈现非线性、难以直接求解, 可通过模糊推论来近似处理。在得到地面反力中心的位置误差后, 可由模糊推论实时计算出机器人躯干中心的位移量, 进而控制机器人躯干中心按照给定位移量运动, 以调整地面反力中心位置。
分别在前进方向和左右方向设计一组模糊规则:
R
R
这里, R
在此推论过程中, 本研究采用Mamdani简略型推论法[12,13]求出躯干位移量。设定Ax和Ay为X方向和Y方向的模糊推理系统的实际输入, W
因此, 采用模糊控制器可实现地面反力中心的运动控制。当适应步行中的地面反力中心能够满足设定的最小稳定度条件时, 可在确保稳定性的基础上实现不同地面上的适应步行。
4 实验与分析
4.1 小型四足马机器人
为了验证提出的四足马机器人的适应步行法, 首先, 本研究根据其构造模型制作了一个小型四足马机器人。其主要参数如下:躯干长度和宽度分别为320 mm和200 mm, 躯干中心的高度约为360 mm, 总重量约为4.2 kg (包括电池) ;控制硬件采用SH7045型控制板和12个小型伺服电机;机器人各脚底部安装有小型压力传感器LMA-A-10 (日本共和电气公司生产) , 可检测步行中各脚处的地面反力。笔者以此自制四足马机器人为实验对象, 针对不同地面进行适应步行法的验证实验。
4.2 不同地面上的适应步行实验
在实验中, 基本步行参数设定如下:步行周期T=16 s, 步距s0=60 mm, 相邻两腿间的步行时间间隔ΔT=2 s, 适应步行中稳定度目标值设定为0.15。模糊规则中的各参数确定如下:
(x1, x2, x3) = (30, 60, 90) ; (y1, y2, y3) = (20, 40, 60) ;
(b
在此基础上, 笔者进行了不同地面上的适应步行实验。在实验中, 四足马机器人能在对地面种类未知的情况下, 自动地适应不同地面并实现稳定步行。小型四足马机器人在平地、斜面上及凸凹地面上进行适应步行时的实验场景如图7所示。3种不同地面上适应步行实验中得到的稳定度检测值如图8所示。
在图8 (a) 中, 波峰部分和波谷部分分别对应机器人4脚着地和3脚着地状态下的稳定度。由图可以看出, 四足马机器人在3脚着地状态开始时会出现稳定度大幅下降, 这主要是支持多边形由四边形变化为三角形引起的。
在图8 (b) 中, 由于四足马机器人在放到斜面上开始爬坡时受重力相对靠后的影响, 其初始稳定度较低, 在地面反力中心位置调整后其稳定度得到提高, 克服了机器人爬坡时向后翻倒的现象。在四足马机器人适应斜面自动调整后, 步行中稳定度和平地步行相差不大。
从图8 (c) 中可以看到, 四足马机器人在踏过30 mm高的木条的过程中, 在实现适应性着地的同时其稳定度的检测值仍高于设定的目标值, 从而保证了四足马机器人在凹凸地面上的稳定性。
5 结束语
本研究在对四足马机器人脚部的地面反力进行检测的基础上, 给出了四足马机器人适应步行中稳定度的计算方法, 并提出了利用模糊推论法对四足马机器人在适应步行中的地面反力中心进行控制, 从而实现稳定的适应步行的方法。通过自制小型四足马机器人的适应步行实验验证了所提出的适应步行法的有效性。
今后, 还需要对四足马机器人适应步行中的惯性力及其对步行过程的影响进行分析和研究, 并在此基础上更好地实现机器人躯干的平滑运动, 提高四足马机器人的步行稳定性和移动效率。
摘要：为适应国内外对四足马机器人进行的广泛研究, 根据四足马机器人的结构模型和步行稳定性分析, 对其适应步行法进行了研究。首先, 介绍了具有12个运动关节和球形脚部的四足马机器人结构模型, 并求出了其运动学反解;其次, 在分析步行稳定性和检测地面反力的基础上, 提出了一种四足马机器人适应步行的实现方法;最后, 通过自制的小型四足马机器人进行了适应步行实验。实验结果表明, 所提出的四足马机器人适应步行法具有可行性。
步行机器人 第7篇
四足机器人的步行运动属于在多支链并联机构和多支链串联机构间不断变化的混联机构运动,机器人与环境间因非周期离散接触而产生地面反力和滑移摩擦等非连续约束,动力学建模较为复杂。考虑非连续约束、建立变拓扑机构的时变动力学模型是开展四足机器人动态稳定步行控制研究的基础。
四足机器人动力学建模研究方面,大多采用牛顿-欧拉法或拉格朗日法,文献[1]针对四足机器人某种构型,建立了动力学模型。四足机器人足端与环境间的约束关系是影响其高速动态稳定步行的关键因素之一[2,3]。在四足机器人足端与环境间约束关系研究方面,一些研究工作基于假设条件进行了简化处理。文献[4-5]将足端与环境间的广义力由静平衡条件计算,未考虑瞬态冲击及摩擦力,未建立完备的接触及摩擦模型。文献[6]采用线性规划法分析了多足与环境接触时的足端接触力分配问题。文献[2]基于赫兹接触理论简单地将接触约束简化为定值接触力,没有考虑离散接触、非连续约束变化等特点。文献[7]通过研究四足机器人步行过程中的摩擦约束,提出了自适应滑移策略。
四足机器人动力学建模,应基于其变拓扑机构特征,并考虑动态步行中的非连续约束。本文考虑四足机器人动态步行中足端与环境间的非连续约束,将四足机器人足端所受的作用力融合于变拓扑机构中,基于质心运动定理分析腿机构处于支撑相的足端非连续约束力,建立具有变拓扑机构、非连续约束等特征的四足机器人非线性动力学模型,为提高四足机器人非结构环境的机动性和稳定性提供参考。
1运动学分析
四足机器人由机体和4条腿组成,4条腿的结构完全相同,每条腿有3个转动关节。四足机器人步行过程中具有并联机构的特征,是开链和闭链交替变换的复杂机构。当四足机器人处于对角小跑步态时,位于对角线上的两条腿处于摆动相,这两条腿与机体构成具有两开链的串联机构。当腿处于支撑相时,两条腿、机体和地面构成一个具有两封闭链的并联机构,地面作为并联机构的机架,机体作为并联机构的工作平台。机器人步行过程中,腿机构处于摆动相和支撑相交替动作状态。处于摆动相的D-H坐标系如图1所示。
在机体质心处建立机体坐标系 {c0},xc轴的正向为机体前 进方向,zc轴正向与 重力方向 相反,由右手法则确定yc轴方向。在关节1处建立两个坐标系{0}和{1},其原点在机体坐标系{c0}中的位置为(a,b,c),在关节2处建立坐标系{2},在关节3处建立坐标系{3}。θ1、θ2、θ3为关节变量,l1、l2、l3分别为侧摆腿、大腿和小腿长度。DH连杆参数如表1所示。
则足端相对于机体质心的空间位姿可由齐次变换矩阵表示为
式中,a、b、c分别为机体的长、宽、高。s23=sin(θ2+θ3),c23 = cos(θ2 +θ3),c1 = cosθ1,s1 =sinθ1,其余的依此类推。
腿机构的速度雅可比矩阵为
2 足端与环境间非连续约束
四足机器人非结构化环境中随时间变化的各种约束状态分为三种不同类型:非接触无约束状态、无滑动稳定离散接触约束状态、有滑动离散接触约束状态。机器人步行过程中,足端与环境间的约束状态是在这三种不同约束状态之间变化的。非接触无约束状态即腿机构处于摆动相,而无滑动稳定离散接触状态和有滑动离散接触约束状态与腿机构处于支撑相时的地面环境有关。
对角小跑步态,即位于对角线上的两条腿运动相位完全相同。设一个步态周期为T,若取占地系数β=0.5,则一个步态周期中支撑相和摆动相所用时间均为T/2,则完整步态周期中足端约束力可表示为
其中,Fi随地面环境不同而不同。
2.1无滑动稳定接触约束
机器人在砾石、水泥路或砂石路等硬质地表步行时,机器人足端与地面间存在非周期性的离散接触,足端与地面间因接触变形而产生接触碰撞力,并伴随能量损失。接触力由两部分组成,一部分是由于两个构件间相互切入而产生的弹性力;另一部分是由相对速度产生的阻尼力。需根据不同地表特征建立不同的接触力模型。
针对无滑动接触约束状态,图2所示为处于支撑相的足端摩擦圆锥模型,基于该模型分析非连续约束,建立非连续约束及动态稳定步行条件模型。足端与地面间相互作用的摩擦特性须满足摩擦定律,即切向力和垂直力的合力须在摩擦圆锥内,以保证支撑腿足端不产生滑移。
设足端接触约束力有三个分量,分别为两个切向分量和一个法向分量,Fi=(fx ,fy,fz)T=(Fτ1,Fτ2,Fn)T。保证接触点与地面保持接触状态,而且不产生滑移的动态稳定步行条件为
式中,μ0为静摩擦因数。
2.2有滑动接触约束
针对有滑动接触约束状态,由处于支撑相足端的摩擦圆锥模型来分析非连续约束,如图2所示的支撑相足端摩擦圆锥模型,分析非连续约束及动态稳定步行条件模型。
完整步态周期中各支撑足端作用力满足广义外力和外力矩平衡条件;处于支撑相足端力满足摩擦锥约束条件的足端反力分配模型;各关节广义驱动力与足端反力间满足动态步行动力学平衡条件的映射关系,构成四足机器人动态稳定步行的等式和不等式约束条件模型。
摆动与支撑转换阶段瞬间,机器人足落下与地面发生接触,足端与地面间因接触变形而产生接触碰撞力,并伴随能量的损失。足端与地面的接触由瞬间接触力转换成稳定接触状态。将腿机构与地面的接触简化成一个黏弹性模型,瞬间接触力由法向 黏弹性力fz和切向摩 擦力fx组成[7?8]。接触力由两部分组成,一个是由于两个构件间的相互切入而产生的弹性力,另一个是由相对速度产生的阻尼力,需建立不同地表特征的接触力模型:
式中,k为刚度系数,取决于两接触物体材料的特性和半径;δ为接触点变形深度;n为变形指数;c为滞后阻尼系数;dδ/dt为接触点的法向相对速度;μd为接触动态摩擦因数;vg为接触点相对于地面的滑移速度;vglim指极限滑移速度。
3 动力学分析
四足步行机器人是一个多自由度系统,步行过程中存在变结构的特征,四足机器人的动力学具有时变、多变量、强耦合和非线性的特征,周期步态步行时受地面反力、滑移和摩擦等约束。
四足机器人的动力学方程描述各关节驱动力矩与关节角位移、角速度和角加速度间的关系。四足机器人对角小跑时,位于对角线上的两条腿同时处于支撑相或摆动相,步行过程中每条腿处于支撑相和摆动相交替变换的状态,动态稳定步行过程中,四足机器人是变结构的,腿处于支撑相和摆动相交替变换的过程。腿处于支撑相或摆动相时,其动力学模型是不同的,应针对摆动相和支撑相,分别进行腿机构动力学分析,建立四足仿生机器人实现对角小跑步态的变结构、非线性动力学模型。
对角小跑步态周期分为摆动相和支撑相,将足端与地面间非连续接触冲击简化为黏弹性模型,分析足端法向接触碰撞力和切向摩擦力,足端与环境间保持一定的摩擦力是保证四足机器人稳定步行的必要条件。
设第1和第3条腿的关节编号为1、2、3;第2和第4条腿的关节编号为4、5、6,则四足机器人完整对角小跑步态周期动力学方程为
式中,τsw为腿机构处于摆动相的各关节驱动力矩;τsp为腿机构处于支撑相的各关节驱动力矩。
3.1摆动相
四足机器人腿机构处于摆动相时相当于3自由度的串联 构型,动力学建 模坐标系 如图3所示。各关节驱动力矩实现腿抬起、摆动及落地三个动作。由拉格朗日动力学建模方法可建立各关节驱动力矩与关节运动角位移、角速度、角加速度间的映射关系。四足机器人腿机构处于摆动相时的动力学方程为
式中,q为由关节 变量组成 的向量,q = (θ1,θ2,θ3)T;为惯性力分量;为离心力 和哥氏力 分量;G(q)为重力分量。
3.2支撑相
当四足机器人腿机构处于支撑相时,由于足端与地面间的接触摩擦约束足够大,足端不会出现滑动现象,腿机构支撑机体前进。此时,足端的地面反力映射到腿机构的各关节处,关节驱动力矩同时满足机体运动速度的需要。四足机器人腿机构处于支撑相的动力学方程由牛顿 -欧拉法推导为
四足机器人腿机构处于支撑相时,足端与地面间存在接触约束,足端地面反力F与关节驱动力矩间的映射关系为
式中,JF(q)为3×3的力雅可比矩阵。
当四足机器人处于对角小跑步态时,同时有两条腿处于支撑相,假设腿1和腿3同时处于支撑相,每条腿有j个关节。则有
接触力可根据赫兹接触模型计算[9],但接触材料的参数通常难以精确确定。本文基于腿机构运动过程中质心运动定理计算接触力,质心运动定理即质点系质量m与质心加速度vc的乘积等于作用于质点系外力Fie的矢量和[10]:
四足机器人腿机构质点系所受的全部外力为重力和足端约束力。
分别由水平方向和竖直方向动量定理可得
式中,mi为第i条腿机构的质量;vswix为摆动腿的x方向速度;vspix为支撑腿的x方向速度;mb为机体的质量;vb为机体x方向速度;vswiy为摆动腿的y方向速度;vspiy为支撑腿的y方向速度;G为机体受到的重力。
由于腿机构处于支撑相时,无侧摆运动,故fy =0。
3.3理论计算
式(1)、式(2)分别是腿机构处于摆动相和支撑相时的动力学方程,其中
式中,m1、m2、m3分别为侧摆腿、大腿和小腿质量;fx 、fy分别为足端x方向和y方向的接触力;g为重力加速度。
四足机器人完成一个对角小跑步态,腿处于摆动相的足端轨迹规划,在水平方向上为摆线函数,在竖直方向上为由抬起、摆动和落下三段组成的分段函数[11]。四足机器人结构和步态参数,如表2所示。a、b、c分别为机体的长宽高,mb为机体质量,T为运动周期,β为占地系数,s为步距,h为步高,vb为机体速度。
则四足机器人完成一个对角小跑步态周期的动力学计算结果,前半周期为摆动相,后半周期为支撑相,如图4所示。其中图4a为考虑动态步行中足端与环境间接触力的计算结果;图4b为不考虑动态步行中足端与环境间接触力影响的计算结果。
完整对角小跑周期中,0~5s腿机构处于摆动相,因足端处于自由端,故无接触反力;5~10s处于支撑相,足端与环境间有接触反力。
如果考虑该接触力对关节驱动力矩的影响,则该接触力通过雅可比矩阵映射到关节,关节驱动力矩显著增大,比较图4a和图4b中腿处于支撑相的结果,可以看出:支撑相时,因足端接触力的影响,关节2的关节驱 动力矩平 均值增大2.8N·m;关节3的关节驱 动力矩增大1.2N·m。为保证关节运动在支撑相和摆动相的能耗分配一致,可以适当提高摆动相的关节运动速度,降低支撑相的运动速度。
4仿真验证
为了验证理论分析结果,基于虚拟样机技术开展四足机器人动力学建模与仿真验证。利用虚拟样机多体动力学建模与仿真软件ADAMS创建四足机器人三维模型,根据小跑步态周期的关节运动节律,添加关节运动驱动函数、重力、足端与环境间的接触约束等,进行对角小跑动态步行过程仿真,获得完整步态周期各关节的驱动力矩,前半周期为摆动相,后半周期为支撑相,如图5所示,其中图5a为考虑动态步行中足端与环境间接触力的仿真结果;图5b为不考虑动态步行中足端与环境间接触力影响的仿真结果。
比较图4和图5可以看出:仿真结果与理论分析结果基 本一致,通过基于 虚拟样机 技术的ADAMS软件仿真,验证了理论分析的正确性。
比较图5a和图5b可以看出:仿真结果同样表明,腿机构处于支撑相时,足与环境间的接触力对关节驱动力矩有较大影响,显著增大了关节驱动力矩。
5结论
(1)四足机器人动态步行过程中足端与环境间存在非连续约束力,该约束力与其动态稳定步行有密切关系。本文将对角小跑步态周期分为摆动相和支撑相,基于质心运动定理分析了腿机构处于支撑相的足端非连续约束力;通过力雅可比矩阵建立了足端约束力与关节广义驱动力间的映射关系,将四足机器人足端与环境间的非连续约束融合于变拓扑机构,建立了具有变拓扑机构、非连续约束等特征的四足机器人非线性动力学模型,为提高四足机器人非结构环境的机动性和稳定性提供了理论基础。
(2)本文动力学分析,首先将足端运动轨迹规划为一摆线函数,腿机构在支撑相和摆动相的运动速度相同情况下,通过运动学逆解,获得各关节的运动速度和加速度,推导动力学模型,计算关节驱动力矩;并基于虚拟样机技术进行了动力学建模与仿真验证。