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1、機(jī)械傳動(dòng)2013年文章編號(hào)：1004—2539(2013)09—0030—04仿生四足機(jī)器人的仿真研究周立煒蔡蕓(武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢430081)摘要為了適應(yīng)復(fù)雜多變的山地環(huán)境和載重要求，以生物馬為原型設(shè)計(jì)了一種四足仿生步行機(jī)器人。首先在虛擬樣機(jī)軟件中建立結(jié)構(gòu)模型，用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真和驗(yàn)證，通過改進(jìn)符合哺乳動(dòng)物運(yùn)動(dòng)規(guī)律的驅(qū)動(dòng)函數(shù)以提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性，使其達(dá)到設(shè)計(jì)的步速，然后使用有限元分析軟件對(duì)其在所受最大沖擊力處進(jìn)行分析以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的可靠性。關(guān)鍵詞仿生四足機(jī)
2、器人虛擬樣機(jī)仿真有限元分析ResearchontheSimulationofBionicQuadrupedRobotZhouLiweiCaiYun(CollegeofMechanicalandAutomation，WuhanUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430081，China)AbstractInordertoadaptthecomplexandchangeablemountainenvironmentandloadrequirement，aquadr
3、upedbionicwalkingrobotisdesignedbytakingthehorseasprototype．Firstofal1．theconstructionmodelissetupinthevirtualprototypingsoftware，themotionstatesimulationandverificationarecarriedoutbyusingvirtualproto—typingtechnology．Throughimprovingthedrivingfunctio
4、nwhichaccordwiththemovementlawofmammalanimaltoimprovethemovementflexibilityofrobotandreachthedesignspeed，andthen，theanalysisofthemostimpactforcepositioniscarriedoutbyusingfiniteelementanalysissoftwaretoverifytheconstructionreliability．KeywordsBionicqua
5、drupedrobotVirtualprototypingsimulationFiniteelementanalysis生四足步行機(jī)器人，以機(jī)器人的步行速度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度0引言為目標(biāo)，最后通過虛擬樣機(jī)技術(shù)和有限元分析驗(yàn)證其相比傳統(tǒng)的輪式和履帶式機(jī)器人，仿生足式機(jī)器結(jié)果的正確性。人有著明顯的技術(shù)優(yōu)勢，由于輪式機(jī)器人輪子的接近l四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角和離去角的限制大大制約了其機(jī)動(dòng)性，其轉(zhuǎn)彎半徑也是一大問題，在陡峭的山坡其弱點(diǎn)將制約其活動(dòng)空1．1四足機(jī)器人的腿部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)間，研究四足動(dòng)物的動(dòng)力學(xué)特征非常有利于改
6、進(jìn)當(dāng)前從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求看，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)缺陷，提高環(huán)境適應(yīng)能力?。根據(jù)最近機(jī)器人的腿部機(jī)構(gòu)不能過于幾十年的足式機(jī)器人的研究進(jìn)展表明，從實(shí)用性、機(jī)構(gòu)復(fù)雜，桿件太多會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)的復(fù)雜度、穩(wěn)定性等方面考慮，四足是足式機(jī)器人的比效率低下。足式機(jī)器人的腿較理想的結(jié)構(gòu)形式。機(jī)構(gòu)之間的布置形式有4在2005年由BostonDynamics、NASAJetPropulsion種，分別是肘膝式、膝膝式、Laboratory．以及HarvardUniversityCFS共同研制的Big．膝肘式、肘肘式_3J。由于肘Dog被
7、認(rèn)為是當(dāng)前最先進(jìn)的四足機(jī)器人l_2j。Bigdog采膝式相對(duì)其他幾種方式在上下坡時(shí)候更有優(yōu)勢，同時(shí)也圖1機(jī)器人的腿部機(jī)構(gòu)簡圖用一臺(tái)功率11．25kW，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到9000轉(zhuǎn)的競賽水冷發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，液壓系統(tǒng)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它能負(fù)載更近似馬的骨骼結(jié)構(gòu)，所以將采用肘膝式如圖1所示。150kg貨物，然后以6．4km／h穿越非常崎嶇的地形。腿部機(jī)構(gòu)由髖部關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)及小腿關(guān)節(jié)3部分組為了使四足機(jī)器人能在特殊和危險(xiǎn)環(huán)境下的作業(yè)，具成，髖關(guān)節(jié)可以側(cè)向擺動(dòng)，膝關(guān)節(jié)和小腿關(guān)節(jié)在一個(gè)平有極高的可靠性和快速運(yùn)輸能力，本文將設(shè)
8、計(jì)一種仿面運(yùn)動(dòng)。第37卷第09期仿生四足機(jī)器人的仿真研究31假設(shè)四足機(jī)器人任意時(shí)刻處于支撐相的腿數(shù)為An+1(n≤4)，此時(shí)模型為具有n個(gè)分支的空間多環(huán)并聯(lián)機(jī)rC6+1一SOn+lCa+1SOn+1Sa+1‰+1C0+1]構(gòu)，其自由度可以由下式計(jì)算【Jls+lCO+1Ca+1一c+1sa+1Ⅱ+ls+llD￡F=一∑一一F1+0(1)1l0Sa+lCa+ld+1I0001j式子，P為運(yùn)動(dòng)副數(shù)，P=4n；為第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副具有的(4)自由度數(shù)，．=1(i：1～3n)，=3(
