四足步行機(jī)器人穩(wěn)定性及步態(tài)研究.pdf

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1、四足步行機(jī)器人穩(wěn)定性及步態(tài)研究口李赫口張文志口李偉娟口李躍內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院呼和浩特010051摘要：介紹四足步行機(jī)器人行走時(shí)的靜態(tài)穩(wěn)定性，就步行過(guò)程中重心偏移量對(duì)穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究，進(jìn)一步完善靜態(tài)穩(wěn)定性的計(jì)算方法，并在此基礎(chǔ)上對(duì)原有機(jī)器人的步態(tài)生成方法作一定程度的改進(jìn)。關(guān)鍵詞：四足步行機(jī)器人靜態(tài)穩(wěn)定性步態(tài)時(shí)序中圖分類(lèi)號(hào)：TP24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000—4998(2009)0l一0016—03近年來(lái)，移動(dòng)機(jī)器人中輪式和履帶式移動(dòng)方式已在機(jī)器人的幾何中心處，所以要考慮重心偏移對(duì)靜態(tài)獲得廣泛應(yīng)用。但相比較而言，足式機(jī)器人具有輪式和穩(wěn)定性所造成的影

2、響。由參考文獻(xiàn)【1】可知，當(dāng)初始步履帶式機(jī)器人所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，它可以相對(duì)較易地跨過(guò)態(tài)時(shí)，機(jī)器人的重心偏移處在極限位置，計(jì)算此時(shí)的影比較大的障礙，并且機(jī)器人的足所具有的大量的自由響即可。已知4個(gè)足趾相對(duì)軀體的位置，可先求出各腿度可以使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加靈活，對(duì)凹凸不平的地形的重心偏移，然后再由如下公式：的適應(yīng)能力更強(qiáng)。其中四足步行機(jī)器人由于其比二足Z=(ZI+如+Z3+z4)×m】／(4×m1+m)(1)步行機(jī)器人承載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好，同時(shí)又比六足、八即可求出重心的偏移量z，其中：zt、l：、z，、z為腿重足步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更加受到各國(guó)研究人員的心相對(duì)機(jī)身坐標(biāo)系

3、原點(diǎn)的偏移；171,為腿的質(zhì)量；171,為重視，已成為機(jī)器人學(xué)中一個(gè)引人注目的研究領(lǐng)域。步機(jī)身的質(zhì)量。由于機(jī)器人的腿部結(jié)構(gòu)一般都采用平面態(tài)是研究步行機(jī)器人的一個(gè)很重要的參數(shù)，步態(tài)規(guī)劃連桿機(jī)構(gòu)且使用相同的材料制成，可以把它們看作是的好壞直接影響到機(jī)器人步行過(guò)程中的平穩(wěn)性、關(guān)節(jié)均質(zhì)等截面的細(xì)線(xiàn)，忽略驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的質(zhì)量和長(zhǎng)度，利用所需驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小等因素。常用的步態(tài)生成方法有：T程力學(xué)中求重心的組合法怛來(lái)求得機(jī)器人腿部重心McGhee提出的根據(jù)靜態(tài)穩(wěn)定裕度分析的直線(xiàn)螃蟹步在機(jī)身坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，公式如下：態(tài)生成方法，Hirose等提出的利用對(duì)角線(xiàn)原理的步態(tài)^，一壘!±壘±：

4、：：±壘!△Zl+△如+?+△Z搜索方法，Song等提出的曲線(xiàn)路徑的步態(tài)生成方法以：壘』!!±』2z±：：：±壘』f，、及基于靜態(tài)平衡的步態(tài)生成方法。本文介紹和分析步．AZ1+△Z2+?+△、行機(jī)器人的靜態(tài)穩(wěn)定性，根據(jù)機(jī)器人在步行過(guò)程中重：壘』±壘』望2±：：：±壘』心產(chǎn)生的偏移量對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定性的影響，對(duì)原有的基于△Zl+△Z2+?+△靜態(tài)平衡的機(jī)器人步態(tài)生成方法作了一定程度的改式中：△z-、△如，?，△分別為腿部各連桿的長(zhǎng)度；(，進(jìn)，并繪制了時(shí)序圖使讀者能夠更加直觀地了解到機(jī)Y，·)、(X2，，現(xiàn))，?，(‰，，Zn)分別為腿部各連桿重心器人的整個(gè)移動(dòng)過(guò)程。在機(jī)

5、身坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。由式(2)可得出機(jī)器人一條腿的重心在機(jī)身坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(％，，磊)。再根據(jù)公式：1靜態(tài)穩(wěn)定性厶=^／++靠(i=1，2，3，4)(3)1．1靜態(tài)穩(wěn)定性的一般描aY_便可求出Z，、Z：、Z，、厶。四足步行機(jī)器人在行走的時(shí)候，機(jī)體相對(duì)地面始由式(1)可得出結(jié)論：Z、l：、z，、Z．、的值越小，則終作向前運(yùn)動(dòng)，重心始終在移動(dòng)。四條腿輪流抬跨，相重心偏移就越小。要使z-、z：、如、厶的值減小，則應(yīng)使腿對(duì)機(jī)體也作向前運(yùn)動(dòng)，不斷改變立足點(diǎn)位置，只要機(jī)器根部的質(zhì)量大，足趾處的質(zhì)量小，即可使腿擺動(dòng)對(duì)重心人重心的垂直投影始終被它交替變化的立足點(diǎn)所組成的影響較小。

6、同樣，減小m的值，也可使重心的偏移減的三角形所包圍，則機(jī)器人是靜態(tài)穩(wěn)定的。機(jī)體的運(yùn)動(dòng)小。實(shí)際上重心的偏移主要由m的質(zhì)量引起。一般來(lái)和腿相對(duì)機(jī)體的運(yùn)動(dòng)必須在任何時(shí)刻保證協(xié)調(diào)一致，說(shuō)，在自然界的四足動(dòng)物中，軀體的質(zhì)量遠(yuǎn)大于腿的質(zhì)才能使機(jī)器人重心的垂直投影始終落在三足支撐點(diǎn)構(gòu)量。但是對(duì)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，各腿的質(zhì)量和軀體質(zhì)量幾乎相成的三角形區(qū)域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走。等，所以重心偏移較大，進(jìn)而對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定性影響較大。1．2重心偏移對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定性的影響1．3對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定性計(jì)算的完善在實(shí)際情況中，機(jī)器人的重心并不是時(shí)刻都保持先介紹靜態(tài)穩(wěn)定性區(qū)域的定義：過(guò)立足點(diǎn)和機(jī)器收稿日期：2008年7月人

7、重心投影點(diǎn)的直線(xiàn)為邊界線(xiàn)，由兩邊界線(xiàn)所形成的2009／1機(jī)械制造47卷第533期位于兩立足點(diǎn)對(duì)面的區(qū)域?yàn)殪o態(tài)穩(wěn)定性區(qū)域，記為黃博在文獻(xiàn)[6】中提出，重心的調(diào)整方式有兩種：SSA(StaticallyStableArea)?。因此，機(jī)器人只要再有1單獨(dú)調(diào)整重心方式和每步調(diào)整重心方式。單獨(dú)調(diào)整重個(gè)立足點(diǎn)位于SSA內(nèi)時(shí)，那么這3個(gè)立足點(diǎn)組成的三心方式為得到更大的穩(wěn)定裕度，在邁腿過(guò)程中保持重角形就一定包圍機(jī)器人重心的垂直投影點(diǎn)，機(jī)器人便心不變，待四條腿同時(shí)著地再作重心調(diào)整。單獨(dú)調(diào)整重是穩(wěn)定的。由于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中重心的實(shí)際位置和心方式考慮的主要因素是穩(wěn)定裕度及控制系統(tǒng)設(shè)

8、計(jì)簡(jiǎn)機(jī)身的幾何中心并不重