单自由度四足机器人腿部行走机构分析-论文.pdf

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1、2014NO．08(上)高新技术单自由度四足机器人腿部行走机构分析周建军方珂汇．(杭州电子科技大学，浙江杭州310018)摘要：本文介绍了由切比雪夫四杆机构和平行四边形缩放机构组成，衍化得到的一种单自由度四足机器人的腿部行走机构。首先建立平面坐标系并利用解析法，根据腿部机构简图建立相应的数学模型，得出该机构的运动学方程。其次，在机构分析SAM环境下对该腿部机构进行运动仿真分析，得到足端轨迹图，并改变腿部机构中变量大小观察足端轨迹的变化。最终确定了方案的可行性以及机构设计的合理性。该机构提出了一种成本低，节约能源的，易于实现

2、的单自由度四足机器人的腿部机构。关键词：四足机器人；切比雪夫四杆机构；腿部机构；SAM仿真中图分类号．"TP24文献标识码：A足式机器人对于复杂地形具有很好落地时产生的冲击，足端在抬腿及落地的适应性。尤其是四足机器人，它相较时的轨迹应平滑过渡到圆弧段。据此，于双足机器人有更好的稳定性，相较于采用图1所示的轨迹。多足机器人具有更轻的质量和更易于设在机构学中，能够产生上述类似行1-41+k2z-k42计。其中，四足机器人的腿部机构在整走步态的运动轨迹的机构有很多，在这体设计中起着至关重要的作用，腿部机里我们选用切比雪夫四杆机构

3、，如图2构的稳定性和可靠性是机器人工作的前所示。当各杆件参数不同时，运动轨迹提。对于多自由度串、并联腿部机构，也不同，因此在设计过程中需要通过合优点是整体具有灵活的地面适应能力，理的方法选择合适的杆件参数。缺点是需要精心设计各杆件连接关系，1．2腿部机构设计同时其控制协调算法相当复杂。对于单本机构设计中，采用切比雪夫四X自由度闭链腿部机构，其控制简单，仅杆机构为基础和平行四边形缩放机构靠一个动力源便可以确定足端轨迹，实衍化得到的多连杆机构。如图3所示，现机器人整体运动。LEDBC是切比雪夫四杆机构，PBAH是本文提出了一种

4、单自由度的多连杆平行四边形缩放机构。L、C、P为机体的四足机器人的腿部机构，首先提出了上的固定点，当LE逆时针旋转一周时，由切比雪夫四杆机构为基础和平行四边切比雪夫四杆机构LEDCB能够在B点处形缩放机构衍化得到的腿部行走机构。产生椭圆形的曲线轨迹。平行四边形缩然后对单腿进行了动力学特性的分析，放机构PBAH的A点放大了切比雪夫四最后通过仿真验证了机构设计的合理性。杆机构产生的B点轨迹。放大比率取决1腿部机构综合设计于HI和IA的杆长比率。1．1足端轨迹要求2运动学方程的建立与分析四足机器人在行走过程中，每条腿为了分析与评

5、估其运动特性，必依次经过抬腿、前伸、支撑着地一系列须对其进行运动学分析。建立平面坐标动作带动机器人前进的周期性过程。一系，利用解析法求得切比雪夫四杆机构个合理的腿部机构，足端轨迹选择为一LEDBC中杆件EB上B点的位置坐标。个椭圆形轨迹，同时为减少腿部抬起和则B点坐标的数学模型可以表示为：xn=一a+mCOS(Z+rc+OcosOY口=-msina一(c+f)sin0图3单自由度腿部机构运动学分析图其中：2tan一fsina-4sin2a+B2-DE：__、．1+D＼＼lB：cos口一旦图1足端轨迹图c：：±竺：二!：±一

6、旦。。口D：一a。。一：±===0同样，对平面五连杆机构CDBGP进行分析，可以得到一个关于阳仍角度值图4单腿机构轨迹图图2不同的杆件参数对轨迹的影响的方程，高新技术ChinaNewrechnoloN0．08(上esandProducts其中：k七如下所示线变化。袁1腿部机构模型设计尺寸3I3仿真结果分析尼．：二‘通过对运动轨迹的切比雪夫四杆平行四边形缩Y—h机构尺寸放机构尺寸仿真：我们可以得到如下绪论：足端轨迹步长m=9a=18ll=108b2=54：!=二!：=s、步高H与机构设计2(y一h)c=22．5d=22．51

7、2=72时变量a、h之间存在p-XBf_22．5bl=27=——一定的关系。变量a值Y口一h得变化对点A的运动=刍：!!=!：=盥=轨迹形状有影响。当L2(t一62)(蜘一h)和c之间距离增加即a值增大时，步长s会缩另外，由图2可知：y和分别可以短，步高H会增加；用和仍的方程来表示，即：反之步长s会增加，步+仍高H会缩短，如图7(a)2=万一一仍所示。当变量h发生变因而，建立各方程的模型，最终求化时，点A的运动轨得A点的位移方程如下：迹也会发生变化。当C(a)点B的位移变化(b)点A的位移变化X=X日+b2cosqa2一(

8、11一bt)cos~和P之间的垂直距离图5在x轴Y轴方向上位移变化Y=Y口一b2sin仍一(‘一b1)sinrp~即h减少时，点A的从而对上式进行求导得到A点的速运动轨迹距离地面距离度方程：也变得更高，如图7(b)膏=膏一b2识sin+(‘一f)1)sin．所示。j=’=一b2COS~p2一(‘一)CO