四足机器人气动人工肌肉驱动的仿生柔性机体动力学分析

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1、第48卷第12期上海交通大学学报Vo1．48NO．122014年12月JOuRNALOFSHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITYDec．2O14文章编号：1006—2467(2014)12一l688—06+1699四足机器人气动人工肌肉驱动的仿生柔性机体动力学分析雷静桃，俞煌颖(上海大学机电工程与自动化学院，上海200072)摘要：基于四足生物动态步行时其柔性机体辅助腿机构的运动机理，设计了一种由气动人工肌肉、仿生脊柱、前机体和后机体组成的四足机器人仿生柔性机体．采用几何法分析仿生柔性机体运动学，建立四足机器人转向时仿生柔性机体弯曲角与气动人工肌肉长度变化间的关系，通

2、过控制气动人工肌肉长度以控制机体弯曲．基于浮动坐标法和动量矩定理进行仿生柔性机体刚柔耦合动力学建模，对比分析了不同机体刚度下机体弯曲所需气动人工肌肉驱动力．设计仿生柔性机体弯曲控制实验系统，采用PID控制算法进行机体弯曲实验分析．四足机器人的仿生柔性机体分析，为提高其非结构化环境机动性奠定了基础．关键词：四足机器人；气动人工肌肉；仿生柔性机体；刚柔耦合；动力学中图分类号：TP242文献标志码：ADynamicsAnalysisofBionicFlexibleBodyDrivenbyPneumaticArtificialMuscleforQuadrupedRobotLEJing—t

3、ao，yUHuang—ying(SchoolofMechatronicEngineeringandAutomation，ShanghaiUniversity，Shanghai200072，China)Abstract：Basedontheflexiblebodymovementprincipleofquadrupedcreatrures，akindofbionicflexiblebodyforquadrupedrobotwaspresented，whichwascomposedofpneumaticartificialmuscles(PAM)，bionicspine，forebo

4、dyandhindbody．Thegeometricmethodwasadoptedtoanalyzethekinematicsofthebionicflexiblebody，andtherelationshipbetweenthebodybendingangleandthePAMlengthwhenthequadrupedrobotwalkswithspinninggait．ThebodybendingcanbecontrolledbycontrollingthePAMlength．Thedynamicsofbionicflexiblebodywasderivedbythefl

5、oatingcoordinatemethodandmomentofmomentumtheory．ThenthePAMdrivingforceforbodybendingwithdifferentbodykiffnesswasdetermined．Theexperimentalsystemwasconducted，andthePIDcontrolalgorithmwasadoptedtoanalyzethebodybending．Thispapercanlayafoundationforimprovingthemobilityofthequadrupedrobotwalkingin

6、unstructuredenvironment．Keywords：quadrupedrobot；pneumaticartificialmuscle；bionicflexiblebody；rigidflexiblecoupling；dy—namjcs收稿日期：2014—02—28基金项目：国家自然科学基金资助项目(51375289)，上海市自然科学基金资助项目(13ZR1415500)，上海市教育委员会科研创新项目(13YZ020)作者简介：雷静桃(1970一)，女，河南省洛阳市人，副教授，主要研究方向为机器人技术电话(Te1．)：021—56334407；E—mail：jtlei

7、2000@163．corn．第12期雷静桃，等：四足机器人气动人工肌肉驱动的仿生柔性机体动力学分析在四足机器人研发方面，大多关注腿机构设计，其辅助原地转向有重要意义．通过多自由度腿机构及其控制实现动态步行，常忽本文提出一种由气动人工肌肉驱动的仿生柔性略机体在其动态步行中所起的作用．四足机器人机机体，进行机体运动学建模分析，建立柔性机体气动体多采用刚性整体机体结构，四足机器人高速跳跃／人工肌肉长度与机体弯曲角度间的关系，从而将对奔跑运动或快速原地转向时，刚性机体将引起运动机体弯曲角