基于ADAMS的新型四足爬行机器人设计及其步态研究.pdf

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1、基于ADAMS的新型四足爬行机器人设计及其步态研究倪宁，孙志峻(南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016)DesignandCrawlStudyofNewQuadrupedRobotBasedonADAMSNINing，SUNZhi—jun(CollegeofMechanicalEngineering，NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanjing210016，China)摘要：足式机器人具有极强的环境适应能力。的地形适应能力以及越障能力获得了更为广泛的应传统的四足爬行机器人通常将机身设计为整体，机用。在足式

2、机器人的设计中，腿部机构是足式机器身连接4条具有3个自由度的腿部机构，这种结构人的关键部件，而通常腿部机构的设计准则是应至控制较为复杂，基于创新性，将传统空间机构转化为少有3个自由度，足端具备一个立体的三维运动空平面机构，添加腰部自由度，这种结构自由度数更间。四足机器人则通常具有12个自由度，而四足爬少，更易于控制，同时还具有传统四足爬行机器人的行机器人的技术难点之一就是各腿之间，腿与机身优点。的姿态之间，腿机构与转向的关系等运动的协调控关键词：四足机器人；仿生爬行；五杆并联机构制。本设计就是引入平行四连杆机构、减少腿部自中图分类号：TP242由度、同时增加腰部自由度，实现

3、了一种新型的四足文献标识码：A机器人运动方法。文章编号：1001—2257(2O12)02—0070—031新型四足爬行机器人结构Abstract：Footrobotcangetthemostplacesinthewildwhilewheelrobotcannot．Traditionquad—1．1腿部机构rupedrobotiscomposedbyonebodyandfourlegs腿部采用平行四连杆结构，如图1所示。连杆thatcan’tbecontrolledeasily．Soanewstructurez一126mm，连杆z一28mm，0代表腿部与机身的isinven

4、tedwhichhasawaistthatcanbecontrolled关节在水平方向上的摆动角度，代表连杆相对于easily．Thenewrobotalsohastheadvantagesof机身在垂直方向抬起的角度，上端铰链与机器人机thetraditionalquadrupedrobot．身固连，这样在平行四连杆发生作用时，腿部始终垂直于地面，这种设计去掉了传统机器人设计的膝关Keywords：quadrupedrobot；bioniccrawling；节上的驱动，只有一个髋关节可以主动运动，在自由fivebarmechanism度上有所减少。0引言四足爬行机器人一直

5、以来都是机器人研究的热部点之一¨1]。足式移动方式的机器人可以相对较易地跨过比较大的障碍(如沟、坎等)，并且机器人的足图1腿部机构简图所具有的大量的自由度可以使机器人的运动更加灵1．2机身活，对凹凸不平的地形的适应能力更强]。爬行机如图2所示，机器人共由两大部分组成。4个器人区别于轮式以及履带式移动机器人，以其良好腿部机构，腿1、2、3、4；2个三角形躯干部分，称为前收稿日期：201】一O9—22躯和后躯。·70·《机械与电子》2012(2)基于ADAMS的新型四足爬行器堡让堕墓查窒伺服电机驱动关节1和关节2作为主运动，d杆或n杆与e杆不会出现在一条直线上的情况，所以机构运

6、动过程并不会出现此种奇异点，在此省去奇异点的分析。为了让机身重心能够向前移动，需要驱动机身以及机身与腿1、腿4之间的关节进行相对转动。机身前躯和后躯相对转动，使机身重心不断前移。基于ADAMS运动仿真软件对其进行运动，可以很方便地对关节运动进行逆解。图4五杆并联机构简图2．2步态规划要保证爬行的直线性，爬行步态必须具有对称性，即(a)杆运动的后一个位置必须与a()杆的前一个位置关于前躯和后躯中心连线相对称，b(c)杆运动的后一个位置必须与C(6)杆的前一个位置图3机器人样机关于前躯和后躯中心连线相对称，爬行的方向即为前躯和后躯中心连线的方向。2四足机器人的步态规划如图5所示

7、，在ADAMSl_7_。中建立由腿2、前2．1运动学分析躯、后躯、腿4组成的两端固定的铰链五杆5R闭由于本机器人是一种新型结构的机器人，设计环[4机构。爬行步态为对角爬行的步态。爬行机器人的腿可以看作两状态器件。腿的悬空相(transferphase)指腿抬离地面的阶段。腿的支撑相(supportphase)指腿支撑在地并推动机体向前运动的阶段。对角爬行步态即两对对角的腿部交替的抬起和落下，同时整个机身重心向前运动，实现直线运动。当腿1、腿4处于支撑相，腿2、腿3处于悬空相时，忽略腿2和腿3，机器人的结构可简化为如