第22卷第1期2003年1月机械科学与技术；MECHANICALSCIENCEANDTECH；January2003；文章编号:03)0120；四足步行机器人腿机构及其稳定性步态控制；徐轶群,万隆君；(集美大学轮机工程学院,厦门361021)；徐轶群；摘要:结合实际,详细地分析了四足步行机器人的步态；关键词:步行机器人;步态;步行机构
第22卷　第1期2003年1月机械科学与技术
MECHANICALSCIENCEANDTECHNOLOGYVol22No.1
January2003
文章编号:03)
四足步行机器人腿机构及其稳定性步态控制
徐轶群,万隆君
(集美大学轮机工程学院,厦门　361021)
摘　要:结合实际,详细地分析了四足步行机器人的步态和腿机构的运动关系,人腿部机构和驱动控制方案。
关　键　词:步行机器人;步态;步行机构中图分类号:TH11　　　文献标识码:A
LegMechanismofaalkiitsStabilityGaitControl
Yi2Q,Long2jun
(M,JimeiUniversity,Xiamen361021)
Abstract:Welegmraquadrupedwalkingrobot.Wefirstanalyzedindetailthekinematicre2lationshipbetwofthequadrupedwalkingrobotandthelegmechanism.Basedontheanalysis,adriverforthiskindoflegechanismisdesigned.
Keywords:QLStabilitygaitcontrol
　　四足步行机器人是机器人的一个重要分支。由于四足
步行机器人比二足步行机器人承载能力强、稳定性好,同时又比六足、八足步行机器人的结构简单,更加受到各国研究人员的重视。在组成四足步行机器人的机构中,腿机构是最重要的机构。腿机构选择得当,不仅可以使机器人的机构简单、设计方便,更重要的是可以大大简化控制方案。
缩放机构[1～3](如图1所示)由于它具有运动解藕性、易于控制,又由于它具有缩放性,原动件小位移可以获得大的足端运动空间。因此,被广泛的采用作为机器人的腿部机构。本文结合为某市恐龙灯会设计的四足行走恐龙,详细地分析了四足步行机器人的步态和腿机构的运动关系,并在此基础上给出了四足步行机器人腿机构的驱动方案。
图1　缩放式机构
稳定裕量　步行机器人的重心在足支撑平面上的垂直投影点到各足支撑点构成的多边形各边的最短距离,用S表示,通常不用垂直距离,而是用位移方向的距离,如图2所示。它是衡量步行机器人在行走时的静态稳定程度。
步距Κ　四条腿作一次循环,机器人机体相对地面移动的位移。
腿跨距E　单腿从抬起到落地过程中,足尖相对机器人机体的位移。
单腿步距A　单腿从抬起到落地过程中,机器人机体相对地面的位移。
负荷因数Β　单腿在地面支撑时间和四条腿作一次循环时间的比值。
上述各参数随S的变化而变化,故Κ(S)、E(S)、A(S)、Β(S)是表示在该稳定裕量S下的各计算值。
四足行走机器人在行走时机体首先要保证静态稳定。因此,其运动的任一时刻至少应有三条腿与地面接触支撑机体,且机体的中心必须落在三足支撑点构成的三角形区域内,如图2所示,在
这个前提下四条腿才能按一　　图2　步行机器人位移方
向上的稳定裕量定的顺序(绝大部分大型肢
体动物按1423顺序抬腿[4～6])抬起和落地,实现行走。1.2　四足机器人机体和腿部运动
1　四足步行机器人稳定步态参数1.1　四足步行机器人运动参数
作者简介:徐轶群(1963-),男(汉),安徽,工学硕士,副教授
cnE2mail:xuyiqun@public.xm.fj
第1期徐轶群等:四足步行机器人腿机构及其稳定性步态控制87
四条腿在一周期循环的过程中,机体始终相对地面作匀速运动(只考虑匀速的情况)。腿部的运动分个两个过程:①支撑腿在支撑过程中,机体向前移动,足尖相对机体向后运动;②在抬跨过程中,足尖的运动是由随机体的向前运动和足尖相对机体向前抬跨运动的合成。在稳定裕量为S下,下列的运动关系成立[4～6]:
(1)Κ(S)=4×A(S)+4S
(2)E(S)=3×A(S)+4S
(3)Κ(S)=E(S)+A(S)
式中:Κ(S)=4×A(S)+4S表示机体相对地面的位移Κ(S)有两部分组成,一部分是三足支撑过程(有一条腿在跨步)中,机体移动4×A(S);另一部分是在四足支撑过程机体相对地面移动的位移4S,保证稳定裕量。图3所示为四足运动状态图
式中:K=BD??AB,称为该缩放机构的缩放比。图4所示
为一条腿在抬起、跨出、落地、支撑的过程中腿机构相对机体的位置。请特别注意的是两个驱动滑快相对机体的位置。
为了保证四足机器人匀速、平稳、行走时机体不起伏,支撑腿不能有yy方向的运动,仅在xx方向滑快2相对机体做匀速运动,其速度为
(5)VCx=VFx(K+1)　　腿在抬跨时,为了防止地面对腿的冲击,足尖的加速度
曲线应该是平滑的,因此,要求驱动滑快1和2采用正弦运动规律比较合理。
3,且每条。要实现,。因此,。在控,:①采用液压伺服马达加PLC控制;。
采用液压伺服马达加PLC控制方案,有比较大灵活性,可以改变行走速度。对步距误差可以通过PLC加以修正,保证稳定性。但是,成本较高,在室外行走时,电源问题和油的泄露问题比较难解决。显然采用凸轮来控制,其结构简单,性能可靠,成本低,尤其适合室外行走的机器人,采用圆柱凸轮还可以使结构紧凑。比较不利的是安装精度要求高,尤其是四条腿8个凸轮转动的相位差要求有较高的精度,行走过程中出现误差补偿比较难。
考虑到实际情况:要求室外行走,成本低,结构简单,采用凸轮控制方案。实例如下:
确定腿部尺寸:AD=306mm,AB=51mm,缩放系数K1=AD??AB=6,或K=BD??AD=5,AB=DF,AB=DE
图32　四足步行机器人腿机构及其运动分析
采用缩放式机构作为机器人腿机构,其机构简单,运动
具有解耦性。足端点F的位移,在xx方向仅与C点xx方向的位移相关,在yy方向的位移仅与A点的yy方向的位移相关。它们的位移关系为
确定运动参数:行走速度70mm??腿抬跨的最大高度s、80mm、取稳定富裕量S=70mm、步长Κ(S)=560m,则一个周期耗时560??70=8s,A(S)=70mm,E(S)=490mm。表1所示在一个周期内四条腿相对机体的位移,也可以从表中看到四条腿之间的相位差。
图4　一条腿在一个跨步周期内腿相对机体的位置
表1　四足机器人缩放式腿机构驱动点相对机体的位移(mm)
时刻(s)腿1腿4腿2腿3
滑块1滑块2滑块1滑块2滑块1滑块2滑块1滑块2
20-700-700-700-70
30-700-700-700-70
60-700-700-700-70
70-700-700-700-70
80-700-700-70
(下转第91页)
第1期李海滨等:两级模糊模式识别模型及在起重机机构系列主参数择优中的应用91
u1.940,0.889,0.940,0.959,0.940,0.940,0.917,1=(0
[3]　钱涛,张融甫.四足步行机运动学和运动控制.)[4]　轶群,万隆君.四足步行机器人稳定性步态分析[J].制造业
　　0.959,0.959,0.889,0.889,0.959,0.917,0.959)将第一层的输出作为第二层的输入代入式(3)可得方案一的相对优属度u2.536。1=0
同样计算得方案二的第一层输出为u1.352,0.352,0.352,0.352,0.352,0.352,0.352,2=(0　　0.352,0.352,0.352,0.352,0.352,0.352,0.352)将第一层的输出作为第二层的输入代入式(3)可得方案二的相对优属度u2.188。2=0
计算结果表明方案一优于方案二。此例也表明,单机最优组合的系列不一定是最优的。
[参考文献]
[1]　须雷.起重机机构主参数的择优评判[J].起重运输机械,
[2]　陈守煜.工程模糊集理论及应用[M].北京:自动化,2001,(8)
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quadrupedwalkingvehicle[J].
IEEEJournalofRobotics
～68andAutomation,1986,RA22(2):61
(上接第8页)
　　当检测压力迅速下降,,程序认为,中止实验。该模块还具
、。并将此过程产生的相。
,对其进行分,,包括:理论数据曲线、控制数据曲线、实时控制数据曲线、及理论数据与实测数据的误差分析等内容。
[3]　汪培庄.模糊集合论及其应用[M].上海:社,1983
(上接第87页)
表中单位“+”号表示滑快相对机体朝前进方向移动,“-”表示滑快相对机体朝后退方向移动,“±”号表示滑快相对机体做上下往复运动。
以腿1为例,在第1s内,滑快1按正弦运动规律完成80mm的升程和回程往复运动,在其余7s中内处在近休止状态;滑快2在第一秒内按正弦运动规律完成490mm的升程运动,在其余的7s内时间按匀速完成490mm的回程运动。其余各腿的驱动滑快运动规律相同,四条腿机构和凸轮完全一样,只是安装时保证相位差而已。
本文介绍的是一种比较简易的匀速行走的四足步行机器人设计,结构简单、性能可靠、成本低。缩放式机构作为腿机构,在设计和控制上比较简单,重点在于对步态和腿机构的运动关系的分析上,论文在这方面具有广泛意义。值得一提的是,要实现转弯,腿部机构两个自由度是不够的,应该还有一个转动自由度,如果转动的角度不大,又有较大的稳定裕量,转弯是不会影响到稳定性,上述的分析仍然适合。在四足步行机器人应用领域上仍然有很多问题没有解决,如变速行走中速度和步态以及与腿机构的运动关系等,都有待于深入研究。
[参考文献]
[1]　甘建国,王悦凤.运动空间对全方位缩放式步行机构参数的
采用变形高度作为自变量的控制理论数据计算公式,计算结果与所设定的控制采样点数量有关,采样点过多或过少都会产生较大的计算误差,当采样点过少时,由于公式的拟合系统误差过大而使计算结果不准确,当采样点过多时,由于计算步长过小,从而使计算累计差过大而使计算结果不准确,通过把用试件高度变形量改为利用三角函数作为控制数据计算的自变量,并在公式中采取避免用极小的值作为分母的措施,从而使算法避免了因试件变形量过小或过大时所造成的系统计算误差。采用改进后的计算公式,计算结果与数据点的多少无关,非常稳定,计算结果显示,当设定100个点与10000个点分别计算后,两者相差小于5%。
微机控制超塑胀形控制系统控制软件模块清晰、使用方便、界面友好。应用该系统进行胀形实验,实验结果表明系统运行正常,控制精确,提高了盒形件超塑成形的成形极限,缩短了变形时间。
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[J].机器人,1988,3
三亿文库包含各类专业文献、行业资料、幼儿教育、小学教育、高等教育、中学教育、专业论文、四足步行机器人腿机构及其稳定性步态控制15等内容。　
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一种腿轮四足机器人机构及步态和仿真研析.pdf 75页
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