四足仿生机器人混联腿构型改进

四足仿生机器人混联腿构型改进东北大学机械1309万俊显20133122摘要：四足仿生机器人一直是机器人领域研究的热点之一。对国内外的研究现状和代表样机进行综述，总结现有四足机器人的腿构型的优缺点。混联腿构型结合了并联机构和串联机构的优点，可在提高机器人载重/自重比的同时，满足快速稳定响应的需求，从而实现高速、低能耗、高承载的运动。提出三种不同的3自由度混联腿机构，由1自由度的四杆机构和2自由度的平面并联机构串联组成。建立3种混联腿的运动学模型。根据四足机器人的行走设计需求，总结三种混联腿机构的特点，并建立其各自的工作空间模型。基于对角小跑的轨迹，分析三种混联结构在空间上的承载能力和各向同性度。通过对比分析选择第三种混联腿作为最优选项，并进一步与经典串联腿进行驱动力矩比较，证实混联腿的优越性。通过样机负重行走试验验证结果的可靠性，为四足混联腿机构机器人的后续研究奠定理论基础。关键词：四足机器人混联腿构型平面机构承载能力Abstract：Theresearchofquadrupedrobothasbecomeoneofthehottestspotsofrobotics.Areviewofcurrentstatusanddevelopmentofquadrupedrobotisgiven;theserialarchitecturesoflegmechanismarelisted.Hybridlegmechanismisadvantageoustoachieveneedsofhigh-payload,energyconsumptionandhighmobility.Threetypeofhybridlegmechanismaredesigned.Foreachofthem,a2-DOFplanarparallelmechanismisdesignedforliftingupaheavyloadandprovidingtrottrajectoryandafour-barlinkisusedtoswingtheplanarpartwhiletherobotstepsonirregularterrainorbalancesouterstrike.Designconceptoflegandkinematicmodelingmethodofrobotareintroduced.Theworkspacesareanalyzedtomaintainrobotmobility.Theloadcapabilitiesaregivenandatrottrajectorywiththepaceof300mm.Theisotropycriterionsareshownforback-and-forthwithleft-and-rightlocomotion.Thethirdtypeisthebestandfurthermorecomparedwithclassicserialleg.Aprototypeisbuildtoverifyalltheresultsthroughtrottingexperiment.Keywords：QuadrupedrobotHybridlegmechanismPlanarparallelmechanismHeavyloadtransportation0前言四足仿生机器人的研究长期以来一直是国内外机器人领域研究的热点之一。该类机器人能够在复杂的非结构环境中稳定地行走，可以代替人完成许多危险作业，在军事、矿山开采、核能工业、星球表面探测、消防及营救、建筑业、农林采伐、示教娱乐等行业有着许多潜在的应用前景。四足仿生机器人的研究始于20世纪60年代，产生了许多具有代表性的机器人样机[1]。近几年来，高速、高承载、低能耗、自带动力源的机器人设计成为了四足机器人的研究重点。目前国内外著名的研究成果有美国波士顿动力公司承担研制的BigDog、AlphaDog、LittleDog和猎豹Cheetah，意大利IIT大学研制的HyQ机器人，日本千叶工大米田完教授研制的Hyperion4机器人，山东大学研制的液压驱动四足仿生机器[2]等。如图。(a)LittleDog(b)BigDog(c)AlphaDog(d)Cheetah(e)Hyperion4(f)HyQ山东大学研制的液压驱动四足仿生机器人现有的四足机器人的腿部机械结构几乎都为串联机构组成。这种串联结构简单控制建模容易，但有以下几个方面的限制：①驱动器多安装在腿部，使得下级驱动器成为上级驱动器的负载，驱动能力要求高；②机器人刚度较小，较难承受重复性的高承载任务。国内外对并联腿式机器人的研究多放在单足或双足步行机器人方向。例如日本早稻田大学的WL系列步行椅的设计，广濑研究室的Para-Walker的设计。国内则有燕山大学王洪波等提出的四足/两足可重组步行器的构想。并联式腿结构具有较大的刚度，可提高机器人的载重自重比，但在机构本身的工作空间方面受限，较难完成高速度的行走越障作业。为克服上述缺陷，我们可以将混联机构引入仿人机器人的研究，构造了人形机器人的整体构型。在四足步行器机械结构设计方面，混联腿结构结合了并联机构[3]和串联机构的优点，可在提高机器人载重/自重比的同时，满足快速稳定响应的需求，从而实现高速、低能耗、高承载的运动。这样既能用到我们已经学到的机械原理和材料力学，机械运动学等专业知识，又能对现有机器人腿部结构提出一些有用的改进方法。下面，我将根据四足仿生机器人的运动特性和主要功能，提出了三种混联腿结构步行机器人构型。在此基础上对三种不同的构型进行了工作空间、承载力、各向同性度的分析和对比，最终得出结论，给出自己的建议。1混联腿拓扑设计及整机建模1.1混联腿拓扑设计原则为了完成三足行走或者对角小跑，动物的每条腿至少需要3自由度。行走时主要的运动，例如前进后退、下蹲起立都是在腿的矢状面完成的，当动物负重或快速奔跑时，主要的承载力也集中于腿的矢状面。髋部向左右两边的摆动主要起到平衡、转弯的作用，在受到外部冲击的时候，动物需要快速灵活的向左右移动，从而可以达到动态的平衡。因此，在对四足机器人进行拓扑设计的时候，采用单自由度四杆机构串联2自由度平面并联机构的构型。其中，2自由度的平面并联结构为机器人的腿矢状面运动提供了足够的承载力，并可以有效降低单个驱动器的驱动力，降低能耗；四杆机构为机器人腿部产生侧摆运动，使得机器人髋部的旋转与腿矢状面并联机构的运动解耦，降低了控制难度，并提高了机构的稳态响应能力。1.2四足机器人建模方法首先，建立机器人身体坐标系Obxbybzb，腿部坐标系Oixiyizi(i=1,2,3,4)。假设P(a,b,c)为点P在身体坐标系Obxbybzb下的坐标，Pi(ai,bi,ci)为点P在腿部坐标系Oixiyizi(i=1,2,3,4)下的坐标，腿1坐标系的原点O1在身体坐标系Obxbybzb下的坐标O1(A,B,C)。由于机器人的腿为两两对称布置，因此，其他三个腿部坐标系的原点位置可以表示如下：O2(A,–B,C)，O3(–A,–B,C)，O4(–A,B,C)。因此身体坐标系与各腿坐标系间的转换关系为P=Pi+Oii=1,2,3,4(1)由于各个腿的安装位置相互对称，假设在输入相同的情况下，腿1足部在坐标系O1x1y1z1位置为Pt1(T1，T2，T3)，则由于对称关系，腿2足部在坐标系O2x2y2z2位置为Pt2(T1，–T2，T3)，腿3足部在坐标系O3x3y3z3位置为Pt3(–T1，–T2，T3)，腿4足部在坐标系O4x4y4z4位置为Pt4(–T1，T2，T3)。同理，各腿结构上对应的点也存在相同的转换关系。1.3混联腿构型方案一介绍及建模混联腿构型方案一结构简图和样机腿结构如下图所示。四条腿采用两两对称布置，运动输入为两个伺服电动机以及一个由电动机带动的丝杠。此构型的特点是腿部矢状面伺服电动机产生的足端轨迹为闭合的曲线，因此可以利用此电动机的单独驱动实现机器人的对角行走，降低控制复杂度。但是由于连接丝杠的驱动器位于腿部偏下位置，且质量偏大，在行进过程中惯性力对稳定性的影响较大。如下图所示建立机构位置方程OP+PQ=OS+SQ(3)OpB+BC=OpA+AC(4)AC+CD+DF=AE+EF(5)AG+GI=AE+EH+HI(6)OpM=OpA+AE+EH+HM(7)从而可得到输入与输出之间的速度关系矩阵J。1.4混联腿构型方案二介绍及建模混联腿构型方案二机构简图和样机腿部结构如下图所示。四条腿采用两两对称布置，运动输入为三个由电动机带动的丝杠。此构型的特点是全部驱动器安装在身体上，使整机质量相对集中，降低腿部惯性力对稳定性的影响。建立机构位置方程OQ=OS+SQ(8)OpA+AD=OpB+BD(9)BE+EH+HG=BC+CG(10)OpF=OpB+BC+CF(11)OpI=OpB+BC+CG+GI(12)从而可得到输入与输出之间的速度关系矩阵J。1.5混联腿构型方案三介绍及建模混联腿构型方案三机构简图和样机腿部结构如下图所示。四条腿采用两两对称布置，运动输入为直线驱动器，实际样机采用电动机液压混合驱动系统。此构型的平面机构为对称放大机构，可利用较小的驱动行程，实现较大的运动范围。此构型腿在伸缩过程中转动惯量保持不变，消除了腿部自身部分惯性因素对稳定性的影响。建立机构位置方程OQ=OS+SQ(13)OpC+CA=OpB+BA(14)OpD+DC=OpC(15)OpE+EG=OpF+FG(16)OpI=OpE+EM+MI(17)从而可得到输入与输出之间的速度关系矩阵J。2三种构型工作空间比较由于机器人的腿是两两对称安装，因此在腿部矢状面上的工作空间主要受到其形状是否对称的限制。由此可见，构型一的腿部在同样髋部高度的情况下，工作空间较小，步长较短，进而使得行进速度受到影响。构型二相对于构型一，在同样髋部高度的情况下工作空间增大，步长延长，但由于工作空间非对称，在越障等作业时，机器人的灵活性受限制。构型三的腿部工作空间对称，机器人在前后和左右方向具有相同的运动能力，且步长较长，满足越障等作业时机器人的灵活性需求。3三种构型各向同性度比较在机器人的实际运动中，x方向(即前进方向)与y方向(左右侧向)的移动能力为机器人的主要运动考核指标。各向同性度指标可以用于描述机器人在不同方向上的运动能力，从而用来判断机器人是否具有较高的灵活性。对于机器人整体，各向同性度可以描述为µ=min(λJ)/max(λJ)(20)式中，λJ为雅可比的奇异值矩阵。对于构型一，机构x、y方向的运动能力和承载能力差别较大。对于构型二，由此可见，机构x、y方向的运动能力和承载能力差别较机构一更大。对于构型三，由此可见，机构x、y方向的运动能力和承载能力差别较小。在某些位置，机构近似具有各向同性。4构型三与经典串联腿驱动力矩比较混联腿构型三与经典串联构型的主要区别在于腿部矢状面的结构采用2自由度并联结构，而经典串联腿矢状面的结构则采用2自由度串联结构。因此，二者的差异性主要是由矢状面的结构不同所决定的。机器人的驱动力矩大小决定了机器人的设计成本和能耗水平。定义Fr、Ft分别为足部所受径向、切向外力，Th_l、Th_r为构型三矢状面的驱动力矩，Thip、Tknee为串联腿矢状面的结构的驱动力矩,α为大腿与髋脚连线的夹角，L为大腿和小腿长度，其中大腿长度等于小腿长度。假设腿的重量和惯性可以忽略不计。可明显看出，混联腿的并联部分在只承受切向力时，所需驱动力矩T最大值远小于串联腿。因此，与串联腿结构相比，混联腿结构在使用中可降低对驱动力矩的需求，减少能耗损失。5最终结论综上所述，构型方案三在工作空间、承载能力以及各向同性度方面具有显著的优势，因此选择构型方案三作为最佳方案。6总结(1)提出了三种3自由度混联腿构型用于高速、高承载四足仿生机器人的研究。采用了平面并联机构与四杆机构串联的方式，继承了并联机构的高载重/自重比与串联机构灵活、工作空间大的优势，可满足机器人对复杂路面的自适应需求。(2