【正文】 步行，同時它利用了激光和 CCD 攝像機進行導航，能夠有效的躲避前方的障礙物，實現(xiàn)無碰撞的行走。其腿關節(jié)類似動物腿 關節(jié)，安裝有吸收 震動部件和能量 循環(huán)部件。該機器人機動性和反應能力都很強，平衡能力極佳。另外，當機器人行走時引擎會發(fā)出怪異的噪音。 該機器人為足式機器人的經(jīng)典結(jié)構，但速度 緩慢，步行速度 千米 /時。它采用了開環(huán)關節(jié)連桿機構作為步行機構，通過對動物運動機制的模擬，從而達到相對而言比較穩(wěn)定的有節(jié)奏的運動，可以獨立處理比較復雜的地形條件，能夠輕松完成上下坡行走、越障等功能。 (a) (b) 圖 14 清華大學的二種四足步行機器人 從上面的例子可以看出美國和日本的研究最具有代表性，他們的技術已經(jīng)達到先進水平，實用化程度也在逐漸提高之中。 5 存在的問題 在處理多自由度的步行機器人運動控制中，的確很難將這些方法應用與機器人的運動控制中。 由于多關節(jié)步行 機器人的運動學分析比輪式移動機器人要復雜得多，實現(xiàn)多關節(jié)步行機器人的傳感空間到關節(jié)運動空間的映射是非常困難的一件事情。 主要原因是想要研制像現(xiàn)實世界中的動物那樣運動的機器人，就一定要集多學科研究成果之大成，它的模型建立和計算必然非常復雜。 6 2 四足機器人腿的研究 腿的對比分析 四足行走機構的機械部分是機器人所有控制及運動的載體，其中腿部結(jié)構形式 是行走機構中重要組成部分，也是機械設計的關鍵之一。 一般而言，不要設計比較復雜的四足行走機構，如果桿件太多的步行機構會直接導致結(jié)構和傳動的實現(xiàn)更加困難，因此對于腿部機構所具備的基本要求是：輸出一定的軌跡，實現(xiàn)給定的運動要求； 具有一定的承載能力；方便控制的要求。 開環(huán) 關節(jié)連桿機構 在以前的步行機器人的研究中，一般是仿照動物的腿部結(jié)構來對步行機構進行設計。 它的優(yōu)點是具有緊湊的結(jié)構，步行機構能夠?qū)崿F(xiàn)較大的運動空間，并且運動非常靈活，因為關節(jié)式的步行機構鏈接的部分是關節(jié)，所以在行走的過程中不穩(wěn)定的狀態(tài)能夠快速的恢復平衡。 如圖 21 所示為常見的開環(huán)關節(jié)連桿步行機構的三維模型圖形。平面運動機構的主要組成部件是大、小腿，而空間運動則是由 髖關節(jié)驅(qū)動該平面機構從而實現(xiàn)。同時設逆時針方向為正向角。但是采用這種機構作為步行機構，在機器人的行走過程中，機器人足端的運動范圍不能夠?qū)崿F(xiàn)整個可達運動空間的覆蓋，大腿桿在轉(zhuǎn)動時也不能到達所有的區(qū)域。如圖 23 所示，設小腿能夠轉(zhuǎn)動最大的角度 為 max? 和小腿的最大內(nèi)向（順時針）驅(qū)動角度為 nmax? ，這時小腿擺動的角度范圍能夠表示為： maxmax ??? ??n 。 9 圖 23 小腿的擺動約束 圖 24 足端運動空間 閉環(huán)平面四桿機構 閉環(huán)平面四桿機構并沒有開鏈式結(jié)構承載能力低的缺點，它擁有比較好的剛性和較小的功耗，因此具有較廣泛的應用。縮放式腿部的結(jié)構擁有比例特性，可以按比例放大驅(qū)動器的推動距離從而得到足端的運動距離，它的不足之處是：不論是圓柱坐標還是直角坐標的縮放機構，都需要二個以上的線性驅(qū)動關節(jié)，這就導致了機械結(jié)構較大，質(zhì)量較重，而且驅(qū)動距離限制了機器人足端的運動范圍，很難得到比較大的運動空間 。 B 點髖關節(jié)，繞 Z 軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)角為α，懸長為 1L ； 2O 點為大腿桿 2AO 的旋轉(zhuǎn)點，桿長為 3L ，其與 1BO 的延長線的夾角為β； 1O 點為大腿桿 21OO 的旋轉(zhuǎn)點，桿長為 2L ，其與 1BO 的延長線的夾角為φ；由此可推出 A 點的運動軌跡方程為： ????????vzuyuxAAA??sincos 其中： ?? c o sc o s 321 LLLu ??? 11 ?? s ins in 32 LLv ?? ??? ?? 從所周知，在四桿機構中二根桿重合的時候，機構將會出現(xiàn)死點，為了防止四桿機構死點的產(chǎn)生問題，比較實用的做法是規(guī)定一個小腿桿與大腿桿的最小夾角 min? 和最大夾角 max? ，即在大小腿桿之間的夾角無論在任何情況下都必須要在最小夾角和最大夾角之間： m axm in ??? ?? 。 另一方面，平面四桿機構具有較多的演化方式，比較典型的有：埃萬斯四連桿機構，如圖 27 所示為該機構的簡化形式，用連桿曲線的軌跡作為足端軌跡。 但是由于四桿機構比較容易產(chǎn)生死鎖現(xiàn)象，腿部機構的工作空間受到了較大限制 ，同時也增加了控制的難度。從整體的行走性能 來看 ， 12 一方面要求機體能 夠 走出直線 的 運動軌跡或平面 的 曲線軌跡（在崎嶇不平 的地面 行走的軌跡 ），另一方面要 能夠?qū)崿F(xiàn) 轉(zhuǎn)向。 圖 28 足端軌跡圖 實際的足端 運動 軌跡圖如圖（ b）所示，在支撐相描述出比較緩慢的直線段，而在擺動相描繪出快速的凸起曲線段。 其中圖形的上半部分對應的是腳掌離開地面的足端運動軌跡，下半部分對應的就是足支撐機體的運動軌跡 ，支撐相 和 懸空相的相位角 都 為 π/2。 行走機構的腿機構分為開鏈機構和閉鏈機構兩大類。 不過 閉鏈機構 的 工作空間 很 有局限性，分析比較 之后 ，本文選擇閉鏈腿機構 來 進行研究較好 。 腿機構的性能要求有： （ 1）推進運動、抬腿運動最好是獨立的； （ 2）機構的輸入和輸出運動關系應盡可能簡單； （ 3）平面連桿機 構不能與其他關節(jié)發(fā)生干涉； （ 4）實現(xiàn)直線運動的近似程度，不能因直線位置的改變而發(fā)生較大的變化。 四桿機構只 擁 有一個閉環(huán)， 它的 運動鏈基本形式只有一種。 八桿 機構 具有三個閉環(huán)，其運動鏈基本形式有十六種。兩個自由度的行走機構可以實現(xiàn)前進和抬腿兩個方向上的獨立運動，但兩個自由度的機構輸入和 輸出運動關系比較復雜 ，因此不予考慮 。 腿機構以二桿組 組成 ，如圖 26 所示， A 為跨關節(jié)， B 為膝關節(jié)， C 作為足端。 圖 29 腿機構示意圖 步行機構的運動軌跡 應該 選為近似矩形的形狀，因為此時能夠保證有效的跨過障礙物，以防止 還沒有 跨過障礙物，其足端就落下，從而失去平衡。 這樣取得的足端軌跡上的 24 個點的坐標值如表 21，這里選定步行機構的步距為 S=14cm，抬足高度 h=。 圖 210 圖譜 D 點軌跡由一個四桿機構實現(xiàn)，為了驅(qū)動方便，取四桿機構為曲柄搖桿機構。 17 圖 2－ 11 四桿機構圖 其連桿點 D? 與 D 點軌跡具有相似的形狀，該四桿機構的相對尺寸為： ?1 2 2, ?????? ?edcba 將相對尺寸轉(zhuǎn)換成絕對尺寸為： 87654 ????? lllll 根據(jù) D1 與 D 點軌跡相等的原則，進行裝配，其裝配尺寸為： ? ??? ?ff yx 其裝配后的圖形為圖 212 所示： 18 圖 212裝配圖 支撐與擺動組合協(xié)調(diào)控制器 (1)問題的提出 由于設計上的限制，四足步行機器人在關節(jié)層面上設置驅(qū)動器，關節(jié)層面的驅(qū)動空間是非直覺的。例如，怎樣確定躁關節(jié)、膝關節(jié)和艘關節(jié)的轉(zhuǎn)矩才能取得四足機器人的協(xié)調(diào)平滑運動呢 ?用逆運動學方法，以足底軌跡求得關節(jié)轉(zhuǎn)角，進而驅(qū)動關節(jié)實現(xiàn)機器人運動，雖可實現(xiàn)四足機器人的動態(tài)步行，但運動的平滑性較差。在四足機器人動態(tài)步行時，擺動腿的非直接力矩控制，對運動的平滑性影響并不明顯，擺動腿的擺動效果也不錯。此控制方法不適合支撐腿的驅(qū)動控制。美國麻省理工學院的 Prat 提出了虛擬模型控制的概念步行機器人虛擬模型控制 的要素是虛擬構件和虛擬模型。虛擬構件的選擇取決于末端的期望運動。 虛擬模型將廣義虛擬力映射為相關的實際關節(jié)轉(zhuǎn)矩。 圖 213應擬模型拉制 器的構成圖 由末端的期望位置到實際關節(jié)轉(zhuǎn)矩的映射示意如圖 213 所示 。步行運動變化為虛擬構件的參數(shù)調(diào)整。機器人本體的維持高度可以通過改變彈黃系數(shù)來調(diào)節(jié)。虛擬力通過虛擬模型映射成關節(jié)轉(zhuǎn)矩。 本文將 Pra“的虛擬模型控制概念，推廣并應用到 JTUWMII 的對角小跑動態(tài)步行。對角支撐交互，完成步行運動。 虛擬模型控制的一個重要步驟是確定物理本體和末端，設計期望的運動變量。一旦確定了本體和末端，下一個關鍵步驟是設計一個有效的虛擬構件。直覺分別控制足和機體的運動。 21 圖 214四足機器人對角小跑支撐與擺動組合協(xié)調(diào)控制器框圖 (4)支撐腿控制器 圖 215四足機器人對角支撐腿桂制器框圈 機體的期望位置由虛擬構件轉(zhuǎn)化為廣義虛擬力，并通過力分布函數(shù)，分解為作用于前后腿的廣義虛擬力，并由虛擬模型轉(zhuǎn)化為實際的關節(jié)轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動機體至期望的位置 。 單條腿尺寸優(yōu)化 數(shù)學建模 據(jù)幾何圖形 HGEFH， HGEDBAFH 的封閉型條件，得到兩個方程： 0)c o ss i ns i n()s i nc o sc o s( 26282517282517 ??????? lllllll ?????? (28) 22 0)c o ss i n)s i n (s i ns i n()s i nc o s)c o s (c o sc o s(2128332425172833242517???????????????lxlllllylllllff???????????? (29) 式 (28) ， (29)中分別用 1? 表示了 2? 和 3? ，既： 0s inc o s 12121 ??? wvu ?? (210) 0s inc o s 23232 ??? wvu ?? (211) 引入符號： ?? s inco s 8171 llu ?? (212) ?? co ss in 8171 llv ?? (213) 5187262527281 2 )s in(2l llllllw ?