[基礎科學]四足機器人爬行步態(tài)研究(參考版)
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【正文】 630．[5] Lin J N．Gait Transitions of Legged Robots andNeural Networks Application[D]．Chicago：Univ．of Illinois，2001．[6] 王新杰 ,黃濤 , [ J ].計算機仿真 , 2007 (4) : 172 175 .[7] Chengju Liu,Yifei Chen,Jiaqi Zhang,Qijun Chen. CPG Driven Lootion Control ofQuadruped Robot. 2009 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics ,2009 10.[8] 黃博，王鵬飛，孫立寧．復合運動模式四足機器人機構設計及分析[J]．機械設計與研究，2006，22 (5)：49—53．。而且爬行步態(tài)速度難以提升，在以后的實驗中還需增加避震器等緩沖裝置以提高抬腿的效率，進而提高步行的時間。對機器人步態(tài)規(guī)劃尤其重要的是機器人的重量分布，通過物理樣機的不斷實驗以及對物理樣機的改進，我們發(fā)現機器人身體的質量和四肢的重量的比值越大其穩(wěn)定性越好。爬行步態(tài)是大型四足機器人的基本步態(tài)，也是最容易實現的步態(tài)，但是對于重量高達323kg的四足機器人而言要想實現爬行步態(tài)也并非易事。實現證實了基于質心的步態(tài)規(guī)劃的正確性，而且在物理樣機的實驗過程中也出現了和Adams仿真一致的問題，通過不斷地調整側傾角度和跨步大小，機器人因失穩(wěn)而傾倒的問題得到了解決。表3：機器人物理樣機實際參數表部件名稱重量(kg)長度(mm)大腿25485小腿25515身體100頭部151000尾部820總計323kg圖12：機器人物理樣機實驗驗證機器人可以實現穩(wěn)定的爬行步態(tài)，機器人能實現跨步為50mm的穩(wěn)定步行，側向傾斜角度最小可降低到7度。為了減小碰撞力的沖擊對機器人的損傷及穩(wěn)定性的影響，一般在機器人的設計中需加入緩沖裝置，以吸收碰撞力所造成的沖擊。由于仿真模型是剛體模型，腳掌及關節(jié)沒有任何緩沖裝置，根據碰撞力公式，可以發(fā)現在質量一定的條件下，碰撞速度越快，機體和地面間的碰撞力越大，所以在仿真的過程中腳掌落地時會產生很大的沖擊力，為了驗證靜穩(wěn)定步行，加入緩沖時間段是非常必要的。機器人的各部分的質量比例是影響步態(tài)參數的主要因素，本次仿真結果也證實了基于重心的步態(tài)規(guī)劃的正確性。通過側傾角度的變化，我們發(fā)現在第2個周期內身體在x、y和z方向的曲線趨向穩(wěn)定，機器人實現了靜穩(wěn)定步行。只要調整跨步的大小或側傾角度就可以使重心回到支撐三角形內。~，機器人在此時出現如圖11所示的失穩(wěn)情況。建模完成后我們按照表2的時間順序來完成步態(tài)的創(chuàng)建，在爬行步態(tài)的仿真中我們不考慮步行速度的問題，所以在設計過程中我們將動作分解進行，并且部分動作銜接的位置加入了延時等待過程，目的是盡量避免因參數設置的不適而影響步態(tài)效果，以保證機器人在穩(wěn)定后再進行下個動作。3步態(tài)仿真利用Adams6的建模功能構建如圖7所示的機器人仿真模型，機器人的每條腿由三個關節(jié)組成：髖關節(jié)、大腿關節(jié)和膝關節(jié)，仿真的過程就是分別給這三個關節(jié)賦予運動函數，然后觀察其運動效果，建模參數如表１所示。通過圖7左圖的轉換后，機器人達到左圖1號位置，此時小腿關節(jié)保持，大腿轉動γ角度，使得OA以O為圓心轉動到OB位置,且保證OB為大腿及小腿的長度之和。假設大腿長a，小腿長b，大腿的轉角為，小腿的轉角為，則只要滿足公式（5），
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