[基礎(chǔ)科學(xué)]四足機(jī)器人爬行步態(tài)研究-在線(xiàn)瀏覽
2024-09-27 01:09本頁(yè)面
【正文】 1步態(tài)分析爬行步態(tài)是四足動(dòng)物使用最頻繁的步態(tài)，尤其處于復(fù)雜的地形條件下，爬行步態(tài)的使用頻率更高。而且3條腿在地面上可以形成一個(gè)支撐多邊形，使機(jī)器人處于一個(gè)靜穩(wěn)定狀態(tài)，所以爬行步態(tài)就是靜步態(tài)，其時(shí)序關(guān)系如圖1所示。雖然動(dòng)物可以在任何時(shí)刻抬起任何一條腿，但是由于機(jī)器人自身自由度的限制，并不能隨意擺動(dòng)任何一條腿。我們通過(guò)觀察四足動(dòng)物行走的錄像發(fā)現(xiàn)，四足動(dòng)物如果將爬行步態(tài)作為前進(jìn)步態(tài)時(shí)，其抬腿順序一般為先后腿再前腿，完成一側(cè)再轉(zhuǎn)移到另一側(cè)的步態(tài)方式，本文的步態(tài)規(guī)劃過(guò)程也證明此種步態(tài)順序具有一定的合理性。本文主要討論圖2所示類(lèi)型機(jī)器人的爬行步態(tài)，其常用的邁腿過(guò)程如圖4所示。步態(tài)規(guī)劃的方式有多種，例如基于足底軌跡的步態(tài)規(guī)劃、基于CPG理論的步態(tài)規(guī)劃基于事件的規(guī)劃還有實(shí)時(shí)在線(xiàn)規(guī)劃等。步態(tài)規(guī)劃的過(guò)程也是機(jī)器人重心調(diào)整的過(guò)程，我們將機(jī)器人的重心調(diào)整方式分為單獨(dú)調(diào)整重心和每步調(diào)整重心方式[8]。2．2 步態(tài)規(guī)劃原理步態(tài)規(guī)劃的難點(diǎn)是靜穩(wěn)定性的實(shí)現(xiàn)，爬行步態(tài)屬于靜態(tài)步行，所以要實(shí)現(xiàn)爬行步態(tài)首先必須解決穩(wěn)定性問(wèn)題。爬行步態(tài)規(guī)劃的原理就是通過(guò)規(guī)劃關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)時(shí)序和運(yùn)動(dòng)量來(lái)不斷調(diào)整機(jī)器人的質(zhì)心，使機(jī)器人的質(zhì)心一直處于支撐足組成的支撐多邊形內(nèi)并產(chǎn)生前進(jìn)位移的過(guò)程，步態(tài)原理分析如圖5所示。同理，邁號(hào)腿時(shí)，機(jī)器人的重心轉(zhuǎn)移到III和IV組成的三角形內(nèi)；邁號(hào)腿時(shí)機(jī)器人的重心轉(zhuǎn)移到I和II組成的三角形內(nèi)；邁號(hào)腿時(shí)機(jī)器人的重心轉(zhuǎn)移到I和IV組成的區(qū)域內(nèi)。而大型四足機(jī)器人其四肢的重量往往很難忽略，甚至其重量和身體重量相當(dāng)，正因如此，所以我們?cè)诓綉B(tài)規(guī)劃的過(guò)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。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(guò)程（圖中僅分析變化規(guī)律，長(zhǎng)度并非實(shí)際值）。 單腿分析 爬行步態(tài)4條腿的邁步過(guò)程是相同的，所以只需設(shè)計(jì)出任何一條腿的邁腿過(guò)程即可。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(guò)程中身體不會(huì)產(chǎn)生前傾或后仰的沖擊。 （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(guò)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(guò)程如圖7右圖所示。所以通過(guò)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(lái)決定。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(chēng)參數(shù)說(shuō)明大腿22*6*2cm20kg小腿20*6*2cm20kg身體**150kgStiffness2855N/mmDampingNsec/mmExponentPenetration depthMmStatic friction vel.Dynamic friction vel.10Static friction coeff.Mm/secDynamic friction coeff.Mm/secCoeffi. of restitution Adams對(duì)四足機(jī)器人建模的關(guān)鍵參數(shù)是腳掌和地面的摩擦力參數(shù)的設(shè)置，設(shè)置不合理會(huì)影響仿真的效率并會(huì)出現(xiàn)機(jī)器人不合理的彈跳現(xiàn)象。表2：步態(tài)仿真過(guò)程序號(hào)時(shí)段（s）動(dòng)作結(jié)論1
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