四足步行机静态行走最小自由度研究.pdf

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1、·电气技术与自动化·黄瑾瑜·四足步行机静态行走最小自由度研究四足步行机静态行走最小自由度研究黄瑾瑜(江阴职业技术学院电子信息工程系，江苏江阴214405)摘要：步行机械是机器人技术的一个重要分支，它普遍受到各国研究者的重视。分析了四足步行机在步行过程中不同着地状态时机构的自由度。对步行机按运动形态分为昆虫(Insect)运动型和分离(Separated)运动型两类，定义了步行机的最低限行走功能，并分别讨论了这两类步行机实现最低限行走功能所必需的最少自由度数。关键词：机器人；步行机；自由度中图分类号：TP24；TM76文献标志码：B文章编号：1671-5276(2

2、011)05-0155-02AnalysisofMinimumDegreeofFreedomforStaticFour-leggedWalkingMachinesHUANGJin-yu(ElectronicInformationEngineeringDepartment，JiangyinPolytechnicCollege，Jiangyin214405，China)Abstract：Walkingmachineisoneofthemostimportantrobotictechniques，whichisIaidstressonbytheresearchersa

3、llovertheworld．Thispaperanalyzesthedegreeoffreedomofframeworkinfour—leggedwalkingrobotunderthediferentlandingconditions．Thewalkingmachinesareclassifiedintotwogroupsintermsofkinematiccharacteristics：ItypeandStype，anditsbasicwalkingfunctionisdefinedandthentheminimumnumberofthedegreeoff

4、reedomtoperformthebasicwalkingfunctionisdiscussed．Keywords：robot；walkingmachine；degreeoffreedom行机静态行走稳定性两种功能，称此种型式的步行机械为0引言昆虫(Insect)运动型步行机械，称为I型步行机。2)通过不同的主动自由度分别实现步行动作和保证自由度是机器人的一个重要参数。对于步行机械，若步行机的静态行走稳定性，称此种型式的步行机械为分离将足简化为点讨论，则欲实现其静态稳定的行走，首先腿(Separated)运动型机械，简称s型步行机。的数目必须不少于4。随着腿数

5、目的增加，步行机械关节下面首先对S型四足步行机械的最少自由度进行讨作动器总数将增加，从而将会使控制系统复杂化。因此，论，然后再讨论I型四足步行机的最少自由度。从控制系统简单这一角度出发，在保证一定的基本步行功1．1S型四足步行机的最少自由度能条件下，力求关节作动器总数越少越好。为此，有必要对步行机械的自由度进行分析，从而更有效地利用自由首先设(i=1，2，3，4)为腿i与机体联接点的位置度，开发出新型的步行机械。现针对以静态稳定行走为前矢量；F(i：1，2，3，4)为腿i的足端位置矢量；PG为机体提的四足步行机，就其自由度作些分析。重心在地面上的铅重投影点，PG

6、的位置矢量为G；H为从PG点到机体的高度矢量；n为支撑多边形(此处为三角1四足步行机静态行走最少自由度形)的法向单位矢量；坐标轴x、y、方向的单位矢量分别为i√、k。步行机的四条腿皆处于触地时，矢量n无定义，的分析此时这样确定之，即当四腿皆处于触地相时以在这之前的讨论的步行机所具有的功能为：在不平地面上，能够三腿触地相的支撑多边形的法向单位矢量为准。而当步保持静态稳定行走，可到达任意位置，并且步行过程中可行机由四足触地相过渡到新的三足触地相时，再以新的支在一定范围内保持机身绝对高度不变，称其为IV级步行。撑三角形的法向单位矢量代替。在IV级步行中，保持机身一定的

7、绝对高度是从节能的观在此将IV级步行的功能具体分解为：点所要求的功能，因为步行机械在步行过程中机身的上下1)决定机体到达任意位置；波动必定会消耗能量，而减少能耗乃是人们所希望的。针2)保持步行机机身水平；对IV级步行进行讨论步行所需的最少主动自由度，并定3)保持步行机机身的绝对高度；义IV级步行功能为步行机的最低限度的功能要求J。这些功能要求可利用上述矢量分别表达如下：1)用矢量G决定步行机在地面上的位置；在此，将步行机械按运动形态的不同分为如下两种2)(L一L)·k：0(i=l，2，3)(1)类型：1)通过腿的主动自由度同时实现步行动作和保持步3)Z⋯：Max

8、(L一F)·k(2)作者