六足仿生蜘蛛机器人步态轨迹规划研究

作者:张思晨;莫书维;关荣博;范博; 刊名:科技创新与应用 上传者:康胜欣

【摘要】六足放生步行机械人基于动力学原理,采用多自由度设计思想,利用多个连杆组建成智能机器人。由于机器人模型结构比较复杂,导致步态轨迹稳定性难以控制。文章采用独立操控方式设计了六足结构,通过MATLAB软件模拟仿真蜘蛛机器人步态轨迹。仿真结果表明,文章设计的机器人结构满足控制需求。

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2019 年 8 期 创新前沿 科技创新与应用 TechnologyInnovationandApplication 六足仿生蜘蛛机器人步态轨迹规划研究 张思晨,莫书维,关荣博,范 博 (合肥工业大学,安徽合肥 230009) 蜘蛛机器人反应速度较快,移动姿势较为灵活,可以代替人类完成和很多操作。为了深入探究六足蜘蛛机器人功效,可以采用虚拟样机,对机器人步行轨迹进行仿真,根据仿真结果做出适当调整,使其满足机器人操作需求[1]。本文将重点探究蜘蛛机器结构、步态原理,通过构建仿真模型,对机器人进行仿真分析。 1 六足仿生蜘蛛机器结构 1.1 机器人整体设计 为了提高机器人结构强度,本文通过查找文献资料,对机器人结构进行了研究分析,最终选取菱形作为机器人基本结构[2]。该结构不仅能够增加机器人腿部活动空间,而且还能够减少腿部之间的碰撞,避免行走过程中相互干涉。从材料消耗角度来看,菱形机器人还能够减少材料消耗量,整体重量也比较小,这也是蜘蛛机器人行走灵活主要因素之一。选取铝制材料为主要材料,利用外围设备、多种传感器、供电电池、核心控制器单片机构建机器人整体结构。 1.2 躯干设计 为了保证蜘蛛机器人正常运行,必须保证控制器安置位置在一个不容易活动的位置,避免活动幅度较大,对控制器程序命令下达造成影响。本文对机器活动关节进行研究分析,从中选取躯干部位作为控制器安装位置。这种安装方式不仅可以为机器人操控提供便利条件,而且还可以避免控制器受器件活动影响。 考虑到控制器控制操作要求较高,采用传统的开发方式无法满足机器人操控需求。因此,本文选取 Arduino 作为开发环境[3]。首先,对各个传感进行初始化处理。其次,根据操作需求,对各个传感器下达控制命令,以传感器驱动方 式控制机器人运行轨迹,通过调整算法,对数据进行处理,从而实现命令操控[4]。 1.3 头部设计 本文设计的蜘蛛机器人在运行过程中,需要根据采集到的视频信息,对运行轨迹做出调整。根据此运行操控原理,构建三维坐标系,在机器人的头部安装微型摄像头,并利用微型摄像头 360 度采集视频信息,将采集到的视频信息转换为三维坐标信息,在 x,y,z 轴上生成移动轨迹,从而获取机器人移动轨迹[5]。另外,考虑到本文设计的蜘蛛机器人还需要具备超声、测距、温度等信息采集功能,为此,本文利用相应传感器采集相应信息,同样将其安装在机器人的头部。通过红外线识别物体,经过无线传输装置传输、接收信号,通过信号分析,获取机器人行走路线障碍物信息,从而实现实时监测。 1.4 机器人的腿部设计 本文采用对称分布法设计机器人腿部分布图,机器人腿部设计综合运动灵活性和承载力两项因素,构建了机器人腿部设计方案。该设计方案选取三角形区域作为重心,可以在一定程度上提高机器人行走稳定性,在此基础上,在设计过程中在各个腿中设计了 3 个自由度,并在各个腿关节上添加了控制电机,采用独立控制方式,为膝关节、踝关节、腿关节分别编写相应控制程序,在实际操控过程当中,各个关节之间相互独立,可以实现自由行走。以往研究中,增加了腿部机构设计复杂度,虽然丰富了移动功能,但是加大了杆件运行压力,需要处理大量数据,导致机器人运行速度较慢[6]。针对此问题,本文在设计机器人腿部结构时,满足基本操作,简化了腿部机构设计复杂度,使得机器人运行更加灵活。 摘 要:六足放生步行机械人基于动力学原理,采用多自由度设计思想,利用多个连杆组建成智能机器人。由于机器人模型结构比 较复杂,导致步态轨迹稳定性难以控制。文章采用独立操控方式设计了六足结构,通过 MATLAB 软件模拟仿真

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