单自由度腿部机构的四足机器人稳定性研究.pdf

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1、单自由度腿部机构的四足机器人稳定性研究陈耀，周建军．胡涛(杭州电子科技大学机械电子工程研究所．浙江杭州310018)StabilityAnalysisofa1一DOFLegforQuadrupedRobotCHENYao．ZHOUJianjan·HUTao(InstituteofMechatronicEngineering．HangzhouDianziUniversity．Hangzhou310018．China)摘要：以基于切比雪夫连杆腿部机构的四足机O引言器人为原型．建立了其足端的运动轨迹方程．并推导出速度方程；分别从静态

2、及动态两种步态对单自由足式机器人在复杂地形下或自然环境中表现出度四足机器人的稳定性进行研究，给出了各种步态很强的适应性。其中．四足机器人由于基于仿生学的下保持平衡行进的稳定判据；并通过Adams仿真进优势．以及在机构、控制等方面的诸多优点。行了验证。传统四足机器人的腿部机构一般设计为髋、膝关键词：切比雪夫连杆机构；单自由度；四足机和踝3个关节。亦即每条腿有3个自由度，但这种腿器人；稳定判据部机构步态协调比较困难，控制算法极其复杂。而中图分类号：TP242利用闭链连杆机构可以降低自由度数．从而实现结文献标识码：A构简化及控制算法

3、的优化。但是，随着自由度的减文章编号：1O01—2257(2O15)02—0065—05少，足端运动轨迹相对固定，如果机器人重心偏离了Abstract：InspiredbytheChebyshev’Slink—平衡点。由于自由度的限制．机器人无法靠髋关节向age。thispaperconstructsaquadrupedrobotcon—外旋转等传统办法来解决其平衡问题。因此．四足sistsoffourl—Degree—of—Freedom(1一DOF)机器人的步态生成及其控制策略应当改变，其中．稳legs．AKinemati

4、canalysishasbeencarriedOUtin定性问题丞待解决。为了更好地使单自由度四足机ordertoevaluatethepositionandvelocityofeach器人广泛应用。应根据机械结构分析其稳定性．并得foot．thenanalyzebothstaticstablewalkinggait到稳定判据。介绍了一种基于切比雪夫连杆的腿部anddynamicgait。anddiscusstheimpactsofdiffer—机构．并用解析法分析了该四足机器人的稳定性．分entgaitonstability

5、margin．Astabilitycriterione—别在静态步态、动态步态模式下求解出稳定条件．从quationhasgivenforeachgait，and8simulationof而得到了使四足机器人平稳行走的稳定判据。Adamsillustratedtheproposedresult．1四足机器人结构及足端轨迹方程Keywords：Chebyshev’Slinkage；1一DOF；quadrupedrobot；stabilitycriterion根据仿生学的研究表明。四足动物在行走过程中的足端轨迹近似为半圆形．其支撑

6、相为半圆的弦．悬空相为半圆的弧，如图1中点划线所示。一个完收稿日期：2Ol4—09—18整的单腿周期包括触地、迈进、抬腿和悬空前摆等动9：周骥平，颜景平．陈文家．双臂机器人研究的现状与思考[J：．机器人．2001．23(2)：17j一177．11o-苏继伟．国产环锭细纱机紧密纺改造的探讨一LJ一_．上海作者简介：赵世标(1990一)-男·山东菏泽人·硕{=研究生·纺织科技．2005．33(2)：18—24．研究方向为双臂机器人、智能控制；徐林森(1981一)．男．江苏泰州lljPaulRP．Robotmanipulators：

7、mathematicsprogram—人．副研究员．硕士研究生导师．研究方向为双臂机器人、机械设计mingandcontrol[Mi．Cambridge．Mass：MITPress．《机械与电子》2O1j(2)·65·四足机器人作，而切比雪夫连杆机构恰好可以完成该动作循环。1．2足端轨迹方程a270。根据上述B点轨迹的解析方程，对缩放机构一‘一●———一口————BGHIMA进行分析，可以可出足端A点的轨迹方程。首先，定义传动角y和，引入辅助角9。，和，如图1所示。容易得到：y一+2和yz一+仇，并利用向量法对五杆连杆机构CD

8、BGM求出2和93。{arctan-L2一)(3)——l一arctan(一K。一~／KI-4KIK3)由此，可得出单腿足端运动轨迹的解析方程：一e一+。。+z。+z。。(4)IA=B一(+4)sin92+(3+5)sin9。fa=90a18Ia=270。h●——-·——---