[基础科学]四足机器人爬行步态研究

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1、大型四足机器人爬行步态的研究韩晓建，方书明，朱位，齐威(北京航空航天大学机械设计系100191E-mail:fsmads@163.com)摘要：以开放式3自由度直立型腿部结构的大型仿生四足机器人为研究对象，分析了此类机器人爬行步态的时序关系，并重点分析了迈腿过程对机器人质心的影响。结合质心方程和稳定性原理得到了一套基于质心稳定的爬行步态的规划方法，并分析了单腿的位姿转换方法，最后通过Adams软件仿真了爬行步态的步行过程，并完成了爬行步态的步行实验，实验证实机器人可以实现稳定直线步行。关键词：四足机器人；爬行步态；稳定性原理；Adams；中图分类号：TP242文献标识码：A文章编号

2、：TheAnalysisofQuadruped-RobotWalkingGaitHanXiao-jian,FangShu-ming,ZhuWei,QiWei(MechanicalDesignInstitute,BeihangUniversity,100191,China,Email:fsmads@163.com)Abstract：********************************************************************************************************************************

3、*************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************Keywords：quadrupe

4、drobot;walkgait;stabilitytheory;Adams;引言四足机器人是模仿四足动物进行运动的机器人，所以四足机器人属于仿生机械的范畴。四足机器人的应用范围很广，由于其采用有腿步行方式，所以具有优越的地形适应能力，可以应用到抢险救灾、军事运输、防恐等领域，例如美国boston研究所开发的Bigdog机器人；同时鉴于其仿生的特点，四足机器人还可以应用到娱乐领域，设计如大型四足恐龙机器人、机器狗等，例如Sony公司开发的机器狗等。四足步行机器人是一个多变量、强耦合、非线性和时变的动力学系统[1]，所以要实现稳定行走是一件很困难的事情。人们对四足机器人的各种运动步态进

5、行了大量的研究和实践[2~5],归根结底，四足机器人的步态主要分为两大类：静步态和动步态，静步态是指机器人在任何时刻至少有3条腿同处于支撑相的步态，所以其具有良好的稳定性，但是由于占空比β很大，静步态的步行速度难以提高。动步态由于其占空比小，所以其运动速度很高而稳定性差，具有代表性的动步态是对角小跑和溜蹄步态。对于大型四足机器人来说，由于其对速度的要求不高，而且动稳定性实现难度高，所以本文主要分析大型仿生四足机器人的静稳定步态。本文针对大型四足机器人的特点，采用质心稳定的理论设计了大型四足机器人的爬行步态。但由于机器人数学描述的复杂性,使得在机器人运动学、动力学分析方面显得较为困难

6、,计算机虚拟仿真技术在该领域的应用为机器人的运动特性分析提供了依据[6]。本文在虚拟样机中建立了四足机器人的模型，验证了步态规划的效果，最后将设计的步态有效地应用到了物理样机中，实现了大型四足机器人的稳定直线步行。1步态分析爬行步态是四足动物使用最频繁的步态，尤其处于复杂的地形条件下，爬行步态的使用频率更高。爬行步态由于其占空比β≥0.75，所以在任何时刻都有至少3条腿处于支撑相。而且3条腿在地面上可以形成一个支撑多边形，使机器人处于一个静稳定状态，所以爬行步态就是静步态，其时序关系如图1所示。爬行步态按照抬腿顺序不同（即调整f1~f4的顺序），爬行步态理论上可以有24种。虽然动物

7、可以在任何时刻抬起任何一条腿，但是由于机器人自身自由度的限制，并不能随意摆动任何一条腿。因此适合四足机器人的爬行步态方式仅有限几种，而且不同的结构形式的抬腿顺序也有差异。我们通过观察四足动物行走的录像发现，四足动物如果将爬行步态作为前进步态时，其抬腿顺序一般为先后腿再前腿，完成一侧再转移到另一侧的步态方式，本文的步态规划过程也证明此种步态顺序具有一定的合理性。四足机器人腿部结构主要有图2和图3两种布置形式，我们称图2为爬行式四足机器人，图3为直立型四足机器人。本文主要