仿生四足机器人

四足机器人的步态仿真研究本文运用Pro/ENGINEER软件与虚拟样机软件MSC.ADAMS相结合的方式对四足仿生步行机器人的样机模型进行了模拟，经过分析验证了所设计步态的适用性和可行性，避免了用常规方法求解四足仿生步行机器人运动学逆解的复杂运算，提高了四足仿生步行机器人的设计效率和研制水平，在机器人技术领域具有一定的参考价值。该文通过对一种四足机器人进行设计和步态规划后，利用仿真技术分析它的适应环境与承载能力。首先在四足步行机器人初始结构参数基础上，基于三维软件Pro/ENGINEER建立机器人仿真模型，并将模型导入到仿真软件中完成行走过程，以稳定性为评价指标对机器人进行优化和评价;最后在路面上进行一定量的承载和适应环境方面的分析，为智能化机器人提供一种分析方式。在自然界或人类社会中，存在人类无法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场合，如工地、防灾救援等许多领域，对这些复杂环境不断的探索和研究往往需要有机器人的介入。腿式系统有很大的优越性，较好的机动性、崎岖路面上乘坐的舒适性及对地形的适应能力强。所以这类机器人在军事运输、海底探测、矿山开采、星球探测、残疾人的轮椅、教育及娱乐等众多行业，有非常广阔的应用前景，多足步行机器人技术一直是国内外机器人领域的研究热点之一。四足步行机器人是机器人的一个重要分支，由于四足机器人比两足步行机器人承载能力强、稳定性好，同时又比六足、八足步行机器人结构简单，因而更加受到各国研究人员的重视。在四足机器人中，足结构是最重要的机构，选择得当可使机器人机构简单、设计方便，大大简化控制方案。但由于机器人数学描述的复杂性，使得在机器人运动学、动力学分析方面显得较为困难，计算机虚拟仿真技术在该领域的应用为机器人的运动特性分析提供了依据。本文通过建立一种四足步行机器人模型，在规划该机器人的直线爬行步态后，利用虚拟样机软件MSC.ADAMS对机器人的爬行步态进行了动力学仿真，得到了机器人各个关节相关物理量的变化曲线。通过仿真验证了步态规划的合理性，同时将该模型投入到具有一定形状的模拟路面，分析机器人的稳定性等动态特性，这为机器人分析提供一种良好的途径。一、四足机器人步态规划1.机器人结构的建立一直以来，人们对四足机器人的各种运动步态进行了大量的研究和实践。本文涉及的机器人由一个机身和4条腿组成，整体结构如图1所示。它是一个对称的模型，机身尺寸为67×80mm2，重心位置为机器人机身的中心，呈对角的腿起到支撑和迈进的作用，这两个作用交替出现，行走方向为z的正方向。图1机器人结构示意图机器人腿部为连续转动式腿机构，如图2所示。其腿部结构尺寸为：髋关节长度l1=15mm;大腿关节长度l2=28mm;小腿关节长度l3=24mm。其中每一部分都可以一定角度转动或者摆动，髋关节沿着自身轴心转动，大腿关节和小腿关节分别绕O1、O2转动。初始状态大腿关节轴心沿着x方向，小腿关节平行于y方向垂直于x方向。3D动力网】本文运用Pro/ENGINEER软件与虚拟样机软件MSC.ADAMS相结合的方式对四足仿生步行机器人的样机模型进行了模拟，经过分析验证了所设计步态的适用性和可行性，避免了用常规方法求解四足仿生步行机器人运动学逆解的复杂运算，提高了四足仿生步行机器人的设计效率和研制水平，在机器人技术领域具有一定的参考价值。2.机器人步态分析通过对步行机器人进行稳定性分析，选择合理的摆动腿顺序，可以生成各种各样的步态。要实现机器人的行走就要对这些关节的角度进行协调控制，机器人多轴协调控制的理论虽然比较成熟，但技术实现起来却有一定的难度。目前研究步态及步态变换的工具均是基于一个跨步周期的支撑状态步态图。四足仿生步行机器人实现步行的核心思想就是把机器人的四足分为两组，两足支撑机体并推动机器人前进(称为支撑相)，另两足摆动为下一步支撑做准备(称为摆动相)，整个机器人的运动过程就是支撑相与摆动相交替、循环的过程。在机器人研究领域支撑相和摆动相随时间变化的顺序集合称为步态。对匀速行走的机器人来说，其足相呈周期变化规律。由于这时步态是周期变化的，故称为周期步态。在一个周期T内，支撑相的时间为t，则该足的有荷因数β按β=t/T计算。一个步态周期中，步行机器人机体重心向前移动的距离称为步距s，各足处于支撑相时相对于机体的移动距离称为足的行程R，两者的关系为R=s·β。为了便于描述，本机器人采用如图3所示的步态，即初始状态4足处于站立状态，如图3(a)所示;接着后腿1和前腿2向前跃进，这个过程中髋关节转动，大腿关节绕O1小幅度转动，小腿关节绕O2向外转动，其余两腿保持站立状态;当后腿1和前腿2跃进站稳后，前腿1和后腿2开始跃进，如图3(c)所示，如此往复向前运动。图3机器人步态分析图在对机器人进行步态规划时，机器人足端点轨迹的选择对机器人的运动特性有着重要影响，机器人行走过程中的连贯性、稳定性、美观性以及所需驱动转矩的大小均受其牵制。对于四足仿生步行机器人来说，较好的足端点轨迹应具有良好的起落特性、速度和加速度特性。人们多采用初等函数来描述机器人的末端轨迹，如一次函数、正弦函数等。步态图能够清楚地反映每条腿在某时刻是处于支撑相还是悬空相，但是该方法没有反映各条腿的先后运动时序，在用于步态变换以及控制腿部运动时就显得比较复杂。而理论分析虽然在国内取得了一定的发展，为机器人行走奠定了一定的基础，但是其可操作性有待于验证和完善。为此在认真分析四足仿生步行机器人运动特性和仿真特点的基础上，制定出该机器人的运动学仿真流程，并通过仿真技术来检测机器人的性能。二、机器人的运动仿真1.机器人仿真模型的建立虚拟样机软件MSC·ADAMS集建模、求解和可视化技术于一体，能有效分析和比较多种参数方案。机器人的运动学、动力学比较复杂，研究和开发一种合理的四足机器人仿真模型是非常有意义的，本文接下来利用ADAMS软件对机器人进行虚拟仿真分析。为了研究四足步行机器人对角小跑步态下如何实现稳定地高速行走，首先在三维软件Pro/ENGINEER中创建完成模型后，导入到ADAMS虚拟样机软件建立虚拟样机，如图4所示。小腿关节、大腿关节和髋关节分别由步进电机控制。机身简化为一个方块，中间去除一个小方块。在仿真软件定义好参数后，例如转动副、铰链等，建立平板模拟平整底面，定义机器人的四个脚与平板接触，设置完成摩擦、刚度系数等参数。最后设置重力参数。图4机器人虚拟样机模型1——小腿关节2——大腿关节3——髋关节4——机身2.机器人腿的运动控制四足步行机器人是一个多变量、强耦合、非线性和时变的动力学系统，其变姿态结构的不稳定性及产生稳定步行所必须的动态平衡问题，对控制理论的研究及实时控制系统的设计都具有很大的挑性。根据四足机器人的独立驱动参数能够计算机体的运动位置和速度。机器人四条腿依次“抬起——摆动——放下”以构成一个步态周期，而一个步态周期需要分成若干个阶段以对应于每条腿得“抬起——摆动——放下”，这需要合理控制每条腿来保证行走的稳定性。经过理论分析得到如图5所示的电机转动曲线(其中横坐标为时间，纵坐标为位移)，它根据理论计算结果或反求工程将理论计算得到的公式转变为曲线，并以step函数的形式导入到关节的定义中。小腿关节曲线跟髋关节一致，幅值根据路面情况定义，比如路面凹凸不平，则幅值较大。图5机器人关节转动曲线3.机器人的仿真分析分析前设置好步长，由于是动力接触分析，需要加大步长，减少运动时间，经过分析后得到如图6所示的过程，其中机器人以45°左右方向运动。稳定性对机器人来说是非常重要的参数，图7反映了机器人质心上下波动的状况，可以控制机器人在0.6mm之间小幅振动。图8为质心前进方向的位移变化，从图8中可以看出它基本上与时间呈线性关系运动。为了解到该机器人与地面的接触力，读取其中一个腿部的受力图，如图9所示，可以看出脚底跟地面产生的最大接触力约为0.5N左右。总体来说该机器人在地面上的运动速度平稳，稳定性较好。4.机器人性能测试足式移动机器人对行走路面的要求较低，它可以跨越障碍物，走过沙地、沼泽等特殊路面，用于工程探险勘测、反恐防爆、军事侦察等人类无法完成或危险的工作。对这些环境进行不断的探索和研究，寻求一条解决问题的可行途径成为科学技术发展和人类社会进步的需要。不规则和不平坦的地形是这些环境的共同特点，使得轮式机器人和履带式机器人的应用受到限制，而多足步行机器人能够在复杂崎岖的路面上稳定行走。目前多足机器人的步行运动大多数是基于步态的几何位置轨迹规划、关节位置控制的规划和控制策略。而单纯几何位置规划与控制在机器人于复杂地形(如崎岖不平、陡峭、坚硬光滑和松软)等步行与作业时，则会由于惯性、脚力失衡及位置控制误差而导致失稳，这种情况也是我们关注的重点。在分析中需要适应一定的环境，以及承受一定物体(比如承载重物)的重量。为此建立了一定形状的沙地，进行机器人的上坡和不平整地面适应性分析。沙土地面较松软，可视为均匀弹性体，假设沙土的地面刚度和阻尼系数与接触面积呈正比。机器人和地面将构成一个振动系统，在低速振动的情况下，可以将该系统看成单自由度有阻尼的线性系统。那么通过测试该系统的地面刚度和阻尼，就可以换算出着陆脚着陆时的接触刚度k和接触阻尼系数Cmax。经过计算得到。其中，m为机器人加上其承载物的质量;Td为有阻尼自由振动的周期;n为衰减系数。另外，，，Ai和Ai+1分别为同方向相邻的两个振幅。将计算得到的值代入ADAMS定义接触框中，定义一个具有一定形状的沙土路面，让机器人经历下坡，跨越不规则路面和上坡过程。同时让机器人承载一定重量的物体，本分析所用的承载物体长宽高分别为70×30×45mm3，材料为钢。分析时提高大腿关节转动角度。设置计算时间和步长后得到如图10所示的过程，在提高大腿关节转动角度后稳定性变差，但越过障碍能力变强，尤其在上坡过程显得比较重要。承载物的重量对机器人运动也产生了一定影响，尤其体现在越过障碍物和凹凸路面过程中。在行走该过程时速度和稳定性也有差别，如图11所示。在下坡过程中该曲线较陡，说明速度较快，同时稳定性较好;在走凹凸不平路面时，曲线斜率较小，速度变慢，同时曲线有波动，说明行走过程中机器人随着路面变化产生波动;在上坡过程中，由于机器人背着重物克服阻力导致速度变得更加缓慢。图11机器人行走过程中位移与时间的关系1——下坡过程2——走凹凸路面过程3——上坡过程三、结论本文运用Pro/ENGINEER软件与虚拟样机软件MSC.ADAMS相结合的方式对四足仿生步行机器人的样机模型进行了模拟，经过分析验证了所设计步态的适用性和可行性，避免了用常规方法求解四足仿生步行机器人运动学逆解的复杂运算，提高了四足仿生步行机器人的设计效率和研制水平，在机器人技术领域具有一定的参考价值。但是该模型在控制等方面还有待于完善，例如脚的灵活性还有待改进，特别在复杂环境下让脚与地面有更多面积的接触，从而增加摩擦力，减少滑移。同时机器人的智能化程度也有待于提高，以便适应更多特殊环境和场合的需要。