具有脊柱的四足仿生机器人的结构设计

具有脊柱的四足仿生机器人的结构设计上海交通大学王贱人摘要机器人在军事、星球表面探测、核工业等方面有着非常广阔的应用前景。目前研究的多足仿生步行机器人，从总体上看，其机动性还不足够好，对环境的适应性不够，越障能力也较弱。通过对以猎豹等为代表的高敏捷性、能进行快速运动的动物运动机理及越障过程的深入研究可以发现，这些动物在快速运动中利用了腰肌的力量与腿部动作的配合，提升了跑跳与越障能力。为了利用机体变化与腿结构运动的协调，提升仿生机器人的跳越及越障能力，本文设计了一种具有可变机体的新型四足仿生机器人构型。本文首先介绍了四足仿生机器人国内外研究现状，然后跟据猎豹的骨骼结构，建立了具有脊柱的四足仿生机器人模型，设计了关节驱动专用储能单元，该储能单元可以通过控制电磁离合器来实现机器人的正常行走与跳跃功能。在此基础上，通过对该类机器人建立运动学模型，对其正运动学及逆运动学问题进行了详细研究。在正运动学分析中，针对运动方程组中包含多冗余驱动角度，而求解冗余驱动角度十分困难的问题，本文提出了一种降维解法，通过将运动方程组的一个方程转为约束方程，对运动方程组的其余方程采用迭代运算以求满足约束的解，可以有效的求出冗余驱动角。该降维解法可以有效地解决冗余驱动机器人机构运动分析中，方程求解困难的典型问题，为解决同类问题提供了参考。然后，本文对机器人进行了跳跃步态的规划，利用图解法先在CAD等绘图软件中测量出各腿立足点及机体质心的位置，然后用逆运动学公式求出各腿关节角，建立各关节驱动函数，导入ADAMS中进行运动学仿真分析。通过ADAMS仿真分析，得到各个关节角与关节驱动储能单元的关系，并绘制相应的关系曲线图，为以后的控制系统提供理论依据。关键词：四足仿生机器人；可变机体；储能单元；降维解法；ADAMS仿真第一章绪论1.1引言机器人已经在很多方面获得成功应用，特别是机器人能够代替人类在一些非结构性环境中作业，在军事、星球表面探测、核工业等方面有着非常广阔的应用前景。目前的多足仿生步行机器人，其机动性不好，对环境的适应性不够，越障能力较弱，运动步态的模式较有限。比较典型的，仿生步行机器人实现对沟壑、障碍的跳跃就比较困难。目前，国内外学者对四足仿生机器人的研究取得了很大的进展，但对各类仿生机器人的研究，较多的集中在对单腿系统的研究，通常将机器人的机体多设置为刚体。通过对以“猎豹”为代表的高敏捷性、能快速运动的动物跑跳机理及越障过程的深入研究，可以发现，很多动物在快速运动中利用了腰肌的力量与腿脚动作的配合。因此，本课题提出一种具有储能功能的变机体四足仿生机器人，在对现有多足仿生移动机器人单腿系统研究的基础上，考虑模拟动物的腰肌变化，对机体的柔性、储能等功能进行仿生研究。通过在机体上设置储能单元，将机体变化和腿部弹跳相结合，研究新的运动步态及运动过程，以提高机器人的仿生特性，增强机器人的运动速度、机动性与跑跳性能。1.2研究背景及意义目前，多足机器人已经在很多方面获得成功应用。特别是多足机器人能够代替人类在一些非结构性环境中作业，在军事、星球表面探测、核工业等方面有着非常广阔的应用前景。多足步行机器人在非结构环境下工作，要求具有高的机动性、快的运动速度。而限于机器人研究水平，现有的多足步行机器人更多是作为一种移动平台，在非结构性环境中实现高机动、自主精确的快速运动的特性还不够。四足步行机器人作为足式机器人的重要组成部分，近年来，各工业发达国家都将其作为具有战略意义的前沿技术，投入巨资支持开展研究工作。美国BostonDynamics公司研究BigDog[1]的成功,在世界上掀起了研究具有实用性自律移动机器人的高潮[2-3]。我国也非常重视高性能四足仿生机器人的开发。国家863计划先进制造领域，于2010年发布了“高性能四足仿生机器人”主题项目指南，吹响了“十二五”期间我国高性能四足机器人技术攻关的号角[4]。近年来，我国对四足仿生机器人的研究取得了巨大进步，如：山东大学李贻斌教授的团队[5]、上海交大高峰教授的团队[6]、哈尔滨工业大学赵杰教授的团队[7]，还包含中科院沈阳自动化所、清华大学、华中科技大学、湖南大学、北京航天航空大学等在相关研究领域取得了很大的成绩。目前研究的多足仿生步行机器人，从总体上看，其机动性还不足够好，对环境的适应性不够，越障能力也较弱，运动步态的模式较有限。比较典型的，仿生步行机器人实现对沟壑、障碍的跳跃就比较困难，运动速度也比较慢。为提高步行机器人的运动性能，国内外学者加强了对机器人仿生特性研究，模拟动物关节及肌肉功能，开发具有结构弹性的仿生机器人。国际上，目前开展的对“猎豹”机器人的研究，代表了这个趋势，也取得了很大的进展。但对各类仿生机器人的研究，较多的集中在对单腿系统的研究，通常将机器人的机体多设置为刚体。因此，本课题提出研究具有储能功能的可变机体四足仿生机器人，在现有对多足仿生移动机器人单腿系统研究的基础上，考虑模拟动物的腰肌变化，对机体的柔性、储能等功能进行仿生研究。通过将机器人机体设置为构型可变、可储能、变化规律可控的结构单元，将机体变化和腿部跑、跳结合，研究运动过程中，机器人整体结构与姿态变化的新模式，以提高机器人的仿生特性，提升机器人的运动速度、机动性与跑跳性能。1.3国内外研究现状足式机器人能够跨过障碍，能够运动在崎岖的道路和泥泞的土地上。其灵活性和环境适应性远优于轮式机器人。对足式机器人的研究开展很早。1981年，美国麻省理工学院的Raibert等人研制出世界上第一台以跳跃为主要运动方式的机器人。该机器人腿部装有具有弹簧功能的气缸，通过控制器来控制弹跳高度和姿态，该机构无法保持静态平衡，但为机器人的运动提供了一种全新的方式[8-10]。从此，越来越多的科研人员开始了跳跃机器人的研究。日本的Hvon教授于2002年模仿狗的后腿设计出一款能够跳跃的单足机器人。该机器人通过弹簧提供推动力实现跳跃，并利用弹簧作为着地缓冲装置[11-15]。该机构具有一定的跑步和跳跃性能。图1-1Kenken跳跃样机2006年，意大利CRIM实验室的Scarfogliero等人根据弹射原理分别利用电磁铁和凸轮作为驱动方式，利用弹簧进行能量存储，设计开发了两代小型跳跃机器人，其长度约为50mm，重量为15g，该机构具有一定的弹射性能，但不能实现连续性跳跃[16-19]。为了使机器人具有更高的机动性、更快速的运动能力，对机器人的结构与控制开展了广泛研究，尤其是对腿的研究。比如SeminiC等[20-21]将液压和电子相结合，开发出电子液压驱动四足仿生机器人HyQ。该机器人由12个液压驱动器驱动，通过电子系统控制液压系统可以实现机器人的行走及跑跳等动作。在早期的机器人中，机器人运动速度较低，如TITAN-III[22]等如今，“猎豹”机器人是世界上运动最快的腿式机器人[23]。大多数足式机器人采用电力驱动，像ASTERRISK[24]和KOLT[25]等，但其承载能力有限。采用燃料及液压系统，机器人的承载能力更强,如LS3[26]。图1-4HyQ单腿模型图1-5HyQ整机模型图1-2第一代Grillo小型跳跃机器人图1-3第二代Grillo小型跳跃机器人由于机器人的机动性和负载之间通常相互矛盾，当负载和体重增加，其机动性和敏捷性会下降，相应地降低了机器人的稳定性。为了解决这个问题，增加机器人的机动性和负载能力，广泛开展了对机器人腿部结构、运动与控制的研究。如SiyuChen等[27]，开发一个仿生四足机器人,通过模仿四足动物，增加动态稳定性、适应性和能力。要求四足机器人的腿结构设计具有对力扰动的高响应，能够支持重高负荷，且对抵御外部冲击高度敏捷。CHENBIN等[28]，设计了一种新的仿生四足机器人-Hound（猎狗）。基于仿生学研究，确定机器人的结构和几何关系，特别是腿的结构。研究了实现腿结构的优化设计，提高机器人腿的工作空间区域和提高机器人身体的灵活性等。通过分析机器人的工作区、灵活性、穿越障碍的高度等，发现腿部结构各段的最佳长度比。AnanthanarayananA等[29]研究了适用于高速运行的仿生腿，设计腿时，考虑了在重量和强度之间的平衡。其腿部设计灵感来自肌肉骨骼结构，采用腱骨协同定位体系。图1-8KOLT机器人图1-9LS3-Legged机器人图1-6猎豹机器人图1-7ASTERISK机器人1.4国内跳跃机器人研究西北工业大学的葛文杰课题组近年来在跳跃机器人方面的研究取得了一些进展[30-41]。该课题组设计的跳跃机器人采用非对称式齿轮六杆机构作为跳跃腿，通过丝杠传动拉伸弹簧。该机器人总质量为620g，跳跃高度为30-45cm[42-43]。随后该课题组对上述机器人进行改进，采用齿轮五杆机构作为跳跃腿部机构，并添加姿态调整装置，该机构跳跃高度为20cm[44]。图1-10仿猎狗机器人单腿样机图1-11仿猎豹机器人单腿样机图1-10仿猎豹机器人单腿样机图1-11仿猎豹机器人ADAMS模型东南大学的宋光明教授等人研制了具有滚动和跳跃能力的室内安保机器人，该机器人安装有摄像装置，跳跃足采用齿轮六杆机构，该机器人长度为9cm，质量为250g，能够跳跃相当于自身高度四倍的高度[45]。随后，该课题组在沿用瑞士跳跃机器人偏心凸轮和四杆机构的基础上，进行改进并添加了翻身装置和无线通信功能。该跳跃机器人高为122cm，质量为150g，能够跳跃105cm的高度[46]。图1-14东南大学宋光明课题组制作的轮动跳跃机器人图1-15东南大学宋光明课题组制作的室内安保跃机器人图1-12西北工业大学葛文杰课题组制作的第一代跳跃机器人图1-13西北工业大学葛文杰课题组制作的第二代跳跃机器人哈工大赵杰课题组的王猛等人在研究青蛙跳跃的基础上采用齿轮五杆机构作为机器人的跳跃腿，前肢含有一个被动自由度，采用伺服电机控制前肢的运动，使其在起跳阶段可以进行姿态调整，并且落地时具有一定的缓冲功能。该机器人长25cm，宽18cm，高6cm，质量约为2．2kg。该机器人跳跃高度约为34．5cm[47-48]。浙江大学李霏等人通过仿生叶蝉的跳跃步态，研制了两代小型跳跃机器人，该机构采用四杆机构作为跳跃腿，采用缺齿齿轮作为触发机构，能实现相当于自身高度4倍距离的跳跃，并通过加装两翼，提高了机构跳跃的稳定[49-52]。哈工大的李满天等[7]系统研究了四足仿生机器人的单腿系统。在对四足哺乳动物肌肉-骨骼结构分析的基础上，确定了机器人单腿的自由度配置；通过机器人在平坦路面上的行走运动仿真，获得了关节输出特性；在仿真研究的基础上，完成了关节驱动机构设计、液压驱动器选型、4自由度单腿设计等。图1-16哈尔滨工业大学赵杰课题组制作的仿青蛙跳跃机器人图1-17哈尔滨工业大学赵杰课题组制作的轮动跳跃机器人图1-20哈工大的李满天制作的四足仿生机器人的单腿图1-18浙江大学李霏等人制作的第一代仿叶蝉跳跃机器图1-19浙江大学李霏等人制作的第二代仿叶蝉跳跃机器1.5国内外研究现状总结分析目前研究的多足仿生步行机器人，从总体上看，其机动性还不足够好，对环境的适应性不够，越障能力也较弱，运动步态的模式较有限。比较典型的，仿生步行机器人实现对沟壑、障碍的跳跃就比较困难，运动速度也比较慢。为提高步行机器人的运动性能，国内外学者加强了对机器人仿生特性研究，模拟动物关节及肌肉功能，开发具有结构弹性的仿生机器人。目前，国内外学者对四足仿生机器人的研究较多的集中在对单腿系统的研究上，通常将机器人的机体多设置为刚体。通过对以“猎豹”为代表的高敏捷性、能快速运动的动物跑跳机理及越障过程的深入研究，可以发现，很多动物在快速运动中利用了腰肌的力量与腿脚动作的配合[53-54]。跑跳速度快的动物在高速奔跑或者跳跃过程中存在背部弯曲的现象，这种现象被生物学家解释为是对其跳跃能量起存储和释放作用的缘故。如Hildebrand[55]通过四足哺乳动物中奔跑速度最快的一种印度豹的奔跑姿态分析研究指出，印度豹在快速奔跑时存在很明显的背部弯曲现象，但在行走时就不会有这种现象。这个结论已被普遍用来解释动物高速奔跑时的能量