四足仿生机器人单腿机构工作空间的优化设计.pdf

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1、四足仿生机器人单腿机构工作空间的优化设计赵文涛，李军，刘志忠(西北工业大学机电学院，陕西西安710072)MechanicalOptimizationofQuadrupedBio——robotLegBodyWorkspaceZHAOWen—tao，LIJun，LIUZhi—zhong(SchoolofMechanicalEngineering，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’an710072，China)摘要：四足仿生机器人工作空间的形状和大小0引言对其优化设计具有重要的作用。因此，对设计的四足仿生机器人单腿机构

2、进行了简化，根据其髋关节、四足机器人具有很强的环境适应性和运动灵活膝关节的运动参数范围，采用蒙特卡洛方法在Mat—性，可广泛运用于抢险救灾、排雷、探险、娱乐及军事lab软件上画出了其工作空间的形状，利用数值积等领域。因此，对四足机器人的研究已成为机器人分的思想求出了工作空间的面积大小并对几何误差研究领域中的重要课题[1]。而四足机器人工作空间进行了分析。最后，以足端工作空间面积最大为优的大小代表了机器人的活动范围，它是衡量机器人化目标，确定了大腿和小腿的最优比例，实现了四足工作能力的一个重要的运动学指标。在机器人的优仿生机器人单腿机构工作空间的优化设计。化设

3、计、控制及应用过程中，工作空间都是一个需要关键词：四足仿生机器人；工作空间求解；结构考虑的重要问题【2]。因此，首先根据设计的四足仿优化设计；Matlah生机器人单腿机构的各个关节运动参数范围的大中图分类号：TP242小，采用蒙特卡洛方法在Matlab上编程实现了工作文献标识码：A空间形状的绘制；其次，利用数值积分的思想得到了文章编号：1001—2257(2011)07—0057一O4工作空间面积的大小并对这种算法进行了误差分Abstract：Theshapeandsizeofquadrupedbio析；最后，以足端工作空间面积最大为优化目标对——robot

4、workspaceisveryimportantforitsopti——大、小腿比例进行了优化设计，确定了大小腿的最优mumdesign．Firstly，Accordingtothehipjointand比例，使得样机具有最大的运动范围、运动灵活性。kneejointanglerangeofthesimplifiedquadrupedbio—robotlegbody．MonteCarlomethodisusedto1单腿机构模型的建立和简化generatetheshapeofworkspaceonMatlah．Sec—设计的四足仿生机器人单腿机构的机械设计是

5、ondly，thenumericalintegrationisusedtocalculate以“狗”为生物原型，由髋关节和膝关节两部分组成，theareaofworkspaee，andthegeometricalerrora—分别实现单腿结构中大腿和小腿的摆动。其简化模nalysiswasconducted．Finally，Aimingatlargest型如图1所示。其中，所设计的髋关节前摆位置极sizeoftheworkspace，wemakesurethedetailed限角度为130．01。，后摆位置极限角度为60．27。；所projectofstru

6、ctureoptimizationandfinishobjec—tiveoptimization．Keywords：calculation；optimumdesignonstructure；Matlab收稿日期：201l—O2—22基金项目：陕西省自然科学基础研究计划项目(SJ08ZT13—10)图1简化模型《机械与电子}2011(7)·57·四足仿生机器人单腿机构工作空间的优化设设计的膝关节前摆位置极限角度为72．14。，后摆位一sin010L】cosO1置极限角度为180。。cos010L1sin0】A。1=0102单腿机构工作空间的图形绘制OO1四足仿

7、生机器人足端工作空间就是该机器人足一sin020L2cos02末端参考点所能达到的空间点的集合，该集合代表cos020L2sin02Al2一了机器人足端的活动范围。它是衡量机器人运动能010力的重要指标，是机器人优化设计和驱动控制所需O0】要考虑的重要方面_3]。目前，机器人工作空间的求Ao2一Ao1A12=解方法主要有解析法、图解法及数值法。解析法从-cos(01+2)一sin(0】+2)0L1cos0】+L2cos(01+2)工程的角度来说，其直观性不强，十分烦琐。图解法sin(01+02)cos(01+2)0Llsin01+L2sin(01+02)直观

8、性强，但是受到自由度数的限制，当关节数较多0010时