[基礎(chǔ)科學(xué)]四足機(jī)器人爬行步態(tài)研究(編輯修改稿)
2024-09-13 01:09 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 正因如此，所以我們?cè)诓綉B(tài)規(guī)劃的過程中需借助于質(zhì)心公式（1），分析機(jī)器人的質(zhì)心的動(dòng)態(tài)變化對(duì)穩(wěn)定性的影響。對(duì)圖5所的模型，我們建立以身體質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)的隨動(dòng)坐標(biāo)系，因此可以得到機(jī)器人的質(zhì)心在任何時(shí)刻相對(duì)于身體質(zhì)心的位置情況（質(zhì)心表示為）。根據(jù)機(jī)器人質(zhì)心的變化規(guī)律，分析出了如圖6所示的步態(tài)規(guī)劃過程（圖中僅分析變化規(guī)律，長(zhǎng)度并非實(shí)際值）。 (1) (2) (3) (4)（M機(jī)器人總質(zhì)量、大腿質(zhì)量、小腿質(zhì)量、頭部質(zhì)量、尾部質(zhì)量） 圖61 圖62 圖63 圖64 圖65 圖6：步態(tài)規(guī)劃過程 由于機(jī)器人的結(jié)構(gòu)對(duì)稱，所以在初始狀態(tài)時(shí)我們假定機(jī)器人的重心正好位于支撐長(zhǎng)方形的對(duì)角線的交點(diǎn)上（圖61）；按照?qǐng)D4所示的流程圖，首先應(yīng)該邁左后腿，為了滿足靜穩(wěn)定性要求，機(jī)器人的重心應(yīng)該經(jīng)過一個(gè)1的轉(zhuǎn)化過程（機(jī)器人右傾），使機(jī)器人的重心位于支撐三角形內(nèi)，然后經(jīng)過2的邁腿過程，機(jī)器人邁出第一條腿，抬腿還將對(duì)機(jī)器人重心產(chǎn)生一個(gè)較小的前移3（圖62所示）；邁左前腿時(shí)，機(jī)器人的重心已經(jīng)位于支撐三角形內(nèi)，機(jī)器人經(jīng)過邁腿1和2的重心前移完成左前腿的邁步動(dòng)作（圖63所示）；在邁右側(cè)腿前機(jī)器人需要一個(gè)1的重心側(cè)移（機(jī)器人左傾）過程，然后按照同樣的方式分別邁出右后腿和右前腿，分別如圖64和65所示。 單腿分析 爬行步態(tài)4條腿的邁步過程是相同的，所以只需設(shè)計(jì)出任何一條腿的邁腿過程即可。機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)前都有個(gè)初始站位狀態(tài)，而初始站位往往和步態(tài)規(guī)劃的初始位置不相同。圖7左圖所示，其中圖中1號(hào)位置為初始站位，腿部呈直立狀態(tài)，我們將2或3號(hào)位置設(shè)計(jì)為步態(tài)起始位置，使用這種轉(zhuǎn)換可以使身體僅在垂直方向變化，在轉(zhuǎn)換過程中身體不會(huì)產(chǎn)生前傾或后仰的沖擊。假設(shè)大腿長(zhǎng)a，小腿長(zhǎng)b，大腿的轉(zhuǎn)角為，小腿的轉(zhuǎn)角為，則只要滿足公式（5），機(jī)器人就可以實(shí)現(xiàn)要求達(dá)到步態(tài)規(guī)劃初始位置。 （5） 圖7：初始位姿及邁步分析機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)前進(jìn)的關(guān)鍵是能夠邁步，所以邁步過程的設(shè)計(jì)是步態(tài)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分之一，邁步的過程如圖7右圖所示。通過圖7左圖的轉(zhuǎn)換后，機(jī)器人達(dá)到左圖1號(hào)位置，此時(shí)小腿關(guān)節(jié)保持，大腿轉(zhuǎn)動(dòng)γ角度，使得OA以O(shè)為圓心轉(zhuǎn)動(dòng)到OB位置,且保證OB為大腿及小腿的長(zhǎng)度之和。所以通過幾何關(guān)系很容易得到:γ=arcos(h/(a+b)) (h=OA) （6）轉(zhuǎn)動(dòng)到要求的位置后，大腿和小腿按照公式（5）的比例關(guān)系回轉(zhuǎn)，那么腳掌將延OB運(yùn)動(dòng)直到與地面接觸（及與B重合），而AB的長(zhǎng)度也正好是一個(gè)跨步的距離，所以跨步的大小由大腿的初始位姿的轉(zhuǎn)角大小來決定。3步態(tài)仿真利用Adams6的建模功能構(gòu)建如圖7所示的機(jī)器人仿真模型，機(jī)器人的每條腿由三個(gè)關(guān)節(jié)組成：髖關(guān)節(jié)、大腿關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，仿真的過程就是分別給這三個(gè)關(guān)節(jié)賦予運(yùn)動(dòng)函數(shù)，然后觀察其運(yùn)動(dòng)效果，建模參數(shù)如表１所示。圖7：四足機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型表1： Adams建模參數(shù)表名稱參數(shù)說明大腿22*6*2cm20kg小腿20*6*2cm20kg身體**150kgStiffness2855N/mmDampingNsec/mmExponentPenetration depthMmStatic friction vel.Dyn
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