新型仿生六足机器人自由步态中足端轨迹规划

作者:李满宏;张建华;张明路 刊名:中国机械工程 上传者:李扬

【摘要】设计了一种具有变形关节和轮式足端的新型仿生六足机器人,该机器人具备轮式、爬行、步行等运动模式,有较好的灵活性及环境适应能力。运用矢量法构建了机器人运动学模型,并利用几何关系对模型进行求解。对机器人沿给定的路径执行自由步态时机器人所允许的最大步幅进行了分析。基于不同的地形条件,规划了抛物线和直线-抛物线两种足端轨迹。仿真结果表明,机器人在沿给定的路径执行自由步态时,抛物线和直线-抛物线两种足端轨迹规划方法合理、可行。

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中国机械工程第 25卷第 6期 2014年 3月下半月 灵活性 ,降低能耗 ]。然而,机器人通常工作在非 结构化环境中,平坦 的地形相对有限L9],为更好地 适应未知环境 ,通过合理配置各关节的转角参数 , 机器人能以类似于蚂蚁、螃蟹等爬行动物 的爬行 模式运动,也能实现类似于哺乳动物 的步行模式 运动 ,如 图 1所示 。 六足机器人的六足具有相似结构 ,为便 于分 析非轮式模式下的运动 ,固化变形关节转角参数 后 ,建立 图 2所 示 的 运 动 学 坐 标 系 ,其 中 C为 躯 干 质心 ,A 为 第 i条 腿 的 末 端 ,B 为 第 i条 腿 与 躯干的连接点。各坐标系坐标轴满足右手螺旋法 则 ,∑c为固定在机体质心上的机体坐标 系, 坐 标轴垂直于机体平面背离重力方 向,Y坐标轴沿 着躯干轴线指 向前进方 向, A 为第 i条腿 的足 端坐标系 ,∑B 为 以 B 关 节轴线为 z轴 的关 节 坐标系,∑O为 固定在地面上的参考坐标系,L 、 L。分别为股节和胫节的长度 , 、 、 分别为相 应关节 的旋转角度(虚线处为零位置 ,L。=0)。 图 2 新 型 六足 机 器 人 的 运 动 学 坐 标 系 定义。P 、。P。分别为 A 、B 在 ∑0 中的位 置矢量 , zP 为 A 在 ∑B 中 的位 置矢 量 , 为 ∑B 相对于 ∑0的旋转矩阵,oR 为∑C相 对于 ∑0 的旋 转矩 阵 。 根据矢量在坐标系间的变换关系 ,可得 。PA , 一 。PB + B · (1) 由于DR 为正交矩阵 ,且存在oR 一。R。,于 是有 一 一 (2) 由式(1)、式(2),容易求得 A 在∑B中的坐标 : EBiXA tYA ZA ] 一 iFA 一。R (。 一。PB ) (3) 机器人腿部由基节、股节、胫节构成的连杆平面 与坐标系∑B 中 z 平 面垂直。左侧腿部机构在 ∑B中的投影关系如图 3所示,其中 L 、 分别为 第 i条腿在∑B 中 z 平面和 z轴上的投影长度。 根据几何关系,可得 · 822 · (B A , , 。 f ) 一 B。 X 1 k \ \ \、/ ≠ A。I B。 .r H . 图 3 机 器 人左 侧 腿 部在 基节 坐标 系 中 的 投 影 L~cos +L2 cos( +^ )一~/。t + t l L1 sin +L2 sin(~ +A )一 一。 A . } (4) tan~p = tYA/ zA J 由于躯 干一基节 、基 节一股 节 、股 节 一胫 节 三 个 摆动关节的转角范围为 180。,考虑机器人机械结 构 的 限制 ,由式 (4)解 得 的运动 学逆解 在 实际 中并 非完全可达 ,排除奇异解后 ,运动学逆解为 一 2× 2L + 4L}(H +L )+(L;一L}一H 一L ) 2L t A+ 4L}(H +L )+(L;一L}~H 一L ) Zarcta“ — — — — — 一 yA rc协 “ H + L 一 。 zA2 + 。z + 。z A2 (5) 至此 ,建 立 了新 型 仿 生 六 足机 器 人 运 动 学 模 型并对运动学逆解进行求解 。当已知。P . 、 。Pe . 、 或BiP 时 ,即可求解出第 i条腿各关节 的对 应角度 、 、 。相对于传统 的 D—H法 ,本文采 用的矢量法更适合六足机器人的运动学分析 ,其 原因是矢量与刚体在不同坐标系间的运动具有相 对性 ,故可利用简单几何关系对模型进行求解。 2 最大 步幅 步幅 S是 指机器人在一个 步态周期

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