四足机器人结构设计与动力学仿真

四足机器人结构设计与动力学仿真内容摘要：

DAMS 程序，两个 软件之间进行数据交换，如何避免出现联合仿真失败。 课题主要研究内容及任务指标 主要研究内容 在四足机器人研究中，因其结构相对复杂，为了便于研究工作的开展，本文根据四足机器人主要结构将对机器人运动性能没有影响的结构略去，简化了四足机器人虚拟样机模型。 并运用 ADAMS 与 MATLAB 联合仿真方法，对四足机器人的运动性能进行分析。 主要研究内容如下： （ 1）利用 DH 坐标系变换法，建立四足机器人各个关节坐标系，进行机器人运动学、动力学分析，得到四足机器人足端和机体坐标系之间的变换矩阵，并求解机 器人腿部速度与加速度。 （ 2）分析四足机器人运动步态及其稳定性，规划出机器人行走及转弯步态，并利用 ADAMS 仿真软件对规划的步态进行仿真，并对仿真结果进行分析。 （ 3）按照四足机器人设计几何参数，运用 PROE 软件建立三维模型，导入 ADAMS软件中进行参数设置，及添加约束与驱动，建立虚拟样机仿真模型。 西南科技大学本科生毕业论文 15 （ 4）运用 MATLAB/SIMULINK 软件进行控制系统设计，进行与 ADAMS 的联合仿真，实现四足机器人行走与转弯运动，验证四足机器人设计的合理性。 通过控制程序的调试，得出机器人最佳运动状态。 任 务指标 本文设计的四足机器人能够实现在一定负重条件下，平衡行走、转向，满足平路及走道行走要求。 主要技术指标如下： 机器人尺寸不超过 500mm500mm300mm； 机器人负重能力 ； 行走速度不低于 ； 爬行坡度 10。 西南科技大学本科生毕业论文 16 第二章 四足机器人步态研究及稳定性分析 引言 步态是指步行体在运动过程中各腿有规律的动作，是步行体各个关节运动的协调方式。 四足机器人的运动通 过相关关节的配合而实现，故关节之间的协调是四足机器人运动的关键。 本章通过对四足机器人步态分析，分析各条腿的摆动规律，得出四足机器人稳定运动的步态。 步态分析 步态的基本概念 步态是指步行体（人、动物或机器人）在运动过程中，按照一定的时间和空间顺序有规律地摆动各腿，从而实现运动的方式。 正常的步行必须完成支撑体重与摆动腿迈步这两个过程。 研究步态的本质就是研究步行体摆动腿迈步的规律。 不同的摆动腿规律形成了不同的运动方式，因而，步态研究是机器狗运动研究的重要部分。 在四足步行机器人研究中，将 四足步行机器人步态分为静态步态和动态步态。 静态步态是指机器人在步行过程中始终满足静力学条件，即机器人重心始终落在支撑地面的几条腿所围成的多边形内；动态步态是机器人在行走过程中，重心有时会落在支持地面几条腿所围成的多边形外的运动步态 [1]。 参照四足动物的运动步态，可以将步态分为爬行步态（ crawl）、对角小跑步态（ troting）、溜蹄步态（ pace）、跑跳步态（ bound）、飞驰步态（ gallop）等等 [2]。 步态分析中常用步态描述的基本参数包括摆动相、支撑相、步长、步幅、步频、步速、步行周期、步行时相， 其中摆动相与支撑相、步态周期和占地系数是步态分析中最常用的三大要素。 步态分析基本参数的基本定义如下： 摆动相和支撑相 腿部抬离地面而处于半空中的状态称这为摆动相；腿部处于着地状态称之为支撑相。 步态周期（ T） 西南科技大学本科生毕业论文 17 在行走时，一条腿从着地到该条腿再次着地的过程被称为一个步行周期，通常用时间秒（ s）表示。 占地系数 ( ) 在一个步态周期内，单腿在地面支撑的时间（支撑相的时间）与步态周期的比值称为占地系数，其取值范围在 0 至 1 之间。 步长（  ） 行走时，在一个步态周期内机器人移动的距离称为步长。 步幅 (d) 行走时，由一腿着地到该腿再次着地时该腿所移动的距离称为步幅。 腿部的运动范围 指腿端部在受到其他部分约束下所到运动的范围。 腿相位（  ） 行走时，某条腿从开始摆动的时刻在一个周期内运动的相对位置，称为这条腿的相位。 根据占地系数  的大小可以将机器人步态分为静步行和动步行 [3]。 即，当0  时，四足机器人只有一条或两条腿处于支撑状态，为动步行；当 时，四足机器人有两条或三条腿处于支撑状态，为准动步行；当 1时，四足机器人有三条或四条腿处于支撑状态，为静步行，静步行的流程图如下图 所示。 西南科技大学本科生毕业论文 18 图 静步行流程图 行走步态分析 在四足机器人研究中，比较常见的步态有如下几种： 爬行步 态：四足机器人在移动过程中，始终有三条腿处于支撑状态，其余一条腿处于摆动迈步状态，并且每条腿按照先后顺序依次进行摆动迈步，在一步态周期内每条腿摆动一次。 在自然界中，许多小型四足动物如壁虎、乌龟等都运用爬行步态进行行走。 爬行步态中三腿支撑，增加了运动的稳定性，所以在四足机器人研究中常常采用该步态实现机器人的运动。 为了清晰描述四足机器人爬行步态，作四足机器人简图如下图 所示。 后左前左身体调整后右前右三足着地四足着地身体调整循环西南科技大学本科生毕业论文 19 图 四足机器人简图及各腿编号 各腿的编号如上图所示，其中腿 LF 表示左侧前腿，腿 LH 表示左侧后腿，腿 RF表示右侧前腿，腿 RH 表示右侧后腿。 在爬行步态下，每条腿在一个运动周期内运动的时间都相等，为四分之一个周期。 爬行步态下的时序图如下图 所示。 图中， 1 表示腿处于摆动腾空状态， 0 表示腿着地状态。 图 爬行步态时序图 对角小跑步态：四足机器人处于某一斜对角线上的两条腿依次摆动，接着另一斜对角线上的两条腿摆动，如此循环运动。 对角小跑步态，运动速度比爬行步态的速度快。 自然界中，如狗、猫等中型哺乳动物，慢跑时常采用对角小跑步态。 对角小跑状态下，至少有斜对角两条腿处于支撑状态，而支撑线正好处于身体下方，因而该步态运动稳定。 对角小跑步态的时序图如下图 所示。 其中腿 LF 与腿 RH 处于对角线上，腿RF 与腿 LH 处于另一对角线上。 西南科技大学本科生毕业论文 20 图 对角小跑步态时序图 溜蹄步态：处于同侧的两腿处于相同的状态，即同侧腿都处于着地或腾空状态，依靠一侧的两条腿来支撑体重。 由于一侧腿支撑体重易出现翻倒现象，影响到运动的稳定性，故在四足机器人研究中，溜蹄步态使用较少。 在自然界中，溜蹄步态日常可见于马的慢走过程中，马在溜蹄步态下，同侧腿同时摆动，其运动过程如下图 所示 [4]。 图 马的溜蹄步态 在溜蹄步态下，由于同侧的腿处于相同的 运动状态（腾空或着地），故为两拍步态，其时序图如下图 所示。 西南科技大学本科生毕业论文 21 图 溜蹄步态时序图 疾驰步态：处于肢体前侧的两腿（或后侧两腿）同时运动，通常是两条腿抬起，另两条腿着地，前后腿交替进行快速运动。 对于大型哺乳动物，如猎豹、老虎等运动，在高速运动状态下常常使用疾驰步态。 由于疾驰步态下最多有两条腿处于支撑状态，且两条腿同为前腿或后腿。 对于动物来说可以自行调整身体平衡，而对于现在的科学技术要实现机器人的自平衡较难。 故在机器人研究中现阶段还主要运用速度较低的爬行步态与对角小跑步态。 在疾驰步态下，肢体前 侧腿或后侧腿同时运动，着地或腾空，故为两拍步态。 疾驰步态的运动时序图如下图 所示。 图 疾驰步态时序图 西南科技大学本科生毕业论文 22 转弯步态分析 哺乳动物与人在转弯时，常常通过髋关节带动腿部横向运动，通过横向前后腿的反向运动实现转弯。 根据哺乳动物在转弯时各腿之间的运动规律，规划机器狗的转弯步态。 在转弯时，机器 人 的左侧前腿 LF 先向左侧迈出一步，接着左侧后腿向右迈一步使身体向左侧倾斜，然后右侧右腿向右迈一步右侧前腿向左迈一步，完成一定角度的左转，如此循环，即可完成设定的转弯过程。 机器 人 转弯时的摆腿流程如下图 所示。 图 四足机器人 转弯摆腿流程图 在 四足机器人 转弯摆腿流程图中（图 ），各腿的指向表示各腿的移动方向。 图a 为机器 人 转弯前各腿的初始状态，图 b 中左侧前腿 LF 向左移动一步，图 c 中左侧后腿 LH 向右移动一步，图 d 中右侧后腿 RH 向右移动一步，图 e 中右侧前腿 RF 向左移动一步，至此一个转弯周期完成，机器 人 向左转动一定的角度，机 器人 各腿回到初始状态如图 f。 各腿按此步态循环运动即可实现转弯运动。 步态规划 行走步态规划 综合上节常见的步态分析，充分考虑运动的稳定性，本文四足 机器人采用静步行，在运动过程中始终有三条腿处于支撑相，并采用爬行步态作为行走方式。 西南科技大学本科生毕业论文 23 在行走过程中，为了达到四足机器人稳定行走，机器人需要不断调节身体重心使重心始终处于支撑三角形内，重心运动轨迹为 S。 依次摆动左前腿 LF、右后腿 RH、右前腿 RF、左后腿 LH，完成一个运动周期。 其运动过程中摆腿流程图如下图 所示。 图 四足机器人 摆腿流程图 在图 中， (a)图为机器 人 站立初始状态，（ b）图为移动左侧前腿状态，（ c）图为移动右侧后腿状态，左－右对角迈步完成，接着（ d）图中右侧前腿向移动，（ e）图中左侧后腿向前移动，完成右－左对角迈步，从而一个运动周期完成，机器人回到初始站立状态图（ f）。 转弯步态规划 四足机器人转弯时，先抬右后腿 西南科技大学本科生毕业论文 24 步态稳定性分析 四足机器人在行走步态及转弯步态下都至少有三条腿着地，如前文所述，当身体重心在支撑三条腿组成的三角形内时满足静力学条件，为静步态。 四足机器人运动过程中，处于静步态则运动绝对稳定。 在机器人稳定性分析中，为了简化模型常常假设机器人的重心位于身体的几何重心处，在运动过程机器人通过不断调节身体的姿态，使重心始终处于支撑三角形。 静步态重心位 置图如下图 所示。 图 静步态重心图 图 中，腿 LF 处空心圆圈表示腿 LF 抬起处于腾空状态，此时另外三条腿处于支撑状态，身体重心如图中黑点所示，重心处于三条支撑腿所围成的三角形内，机器人处于平衡状态。 当腿 LF 着地，另一条腿抬起，可能会出现重心超出处于支撑状态三条腿围成的三角形，此时，通过腿部运动可以调节身体重心回到支撑腿围成的三角形内。 由于三条腿支撑下，机体调整容易，故三腿支撑下的步态常常稳定性高。 本章小结 本章 介绍了步态的基本概念， 分析了四足机器人的常用步态，并 根据本文要 求规划了本课题四足机器人行走、转弯步态。 最后对 步态的稳定性进行了理论分析 ，验证了步态规划的可行性。 西南科技大学本科生毕业论文 25 第三章 四足机器人结构设计与运动学分析 引言 四足机器人本体结构对运动性能有较大影响。 本章 根据 四足机器人 运动要求对其 结构进行设计 ，并进行运动学分析 ，分析腿部在三维空间中的运动位置及姿态。 最后根据设计结果选择零件材料、驱动电机 ，并对特殊零件进行强度校核。 结构设计 自由度分析 行走体腿部运动主要包括抬腿与迈步。 自然界中四足类哺乳动物每条腿有 5个关节，每个关节有 1 至 3 个自由度 ，冗余的自由度使其运动灵活、敏捷 [27]。 但从控制角度考虑，过多的自由度 运动控制 复杂。 理论 分析可知 ， 腿部运动 抬腿与迈步各 需要至少 一个运动 关节。 为了减小控制复杂程度，腿部采用两个关节，分别用于抬腿与迈步。 由式 3 1，可计算得单腿运动自由度 2，式中： f 为自由度， n 为构件数， 1p 、 2p 、3p 、 4p 、 5p 分别为一到五级副构件个数，单腿两个关节故 n 为 2， 每个关节一个转动副即五级副。 1 2 3 4 56 ( 2 3 4 5 )f n p p p p p      3 1 图 3. 1 单腿机构简图 处于 摆动相 的步行腿 相当于连杆串联的空间开链式结构，步行腿的自由度数等于关节数；处于支撑相时，机体为并联机构中央构件，地面可看作机架 [27]。 对于 多分支空间并联机构其自由度数可由下式计算： 416 ( 1) iiF m g f     3 2 西南科技大学本科生毕业论文 26 式中： F 表示机器人总的自由度数； 32ma， m 为总构件数， a 为支撑相的腿数 ；4ga ， g 为运动副数； 41 ii f为每条腿具有的自由度之和。 代值计算可得自由度为 6，故机器人运动可达到任意位置，故每条腿两个关节可达到设 计要求。 机械本体总体方案设计 由自由度分析得出，四足机器人单腿由两个关节构成，每一个关节由一个转动副驱动，由此可得出两种机构 简化 模型方案，如下 图 3. 2 关节单铰链模型 与 图 3. 3 复合铰链结构模型 所示 ： 图 3. 2 关节单铰链模型 图 3. 3 复合铰链结构模型 关节单铰链模型结构简单，每个关节 一个驱动；复合。