一种仿蛙跳跃机器人起跳加速性能的度量方法.pdf

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1、第31卷第4期机械设计Vol_31No．42014年4月JOURNALOFMACHINEDESIGNApr．2014一种仿蛙跳跃机器人起跳加速性能的度量方法冰胡胜海，邓坤秀，郭彬(哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨15ooO1)摘要：针对仿蛙跳跃机器人在起跳阶段脚掌与地面之间的被动约束，提出了一种考虑脚掌欠驱动的起跳加速性能度量方法。建立了机器人的起跳分析模型，提出了用虚拟加速度和虚拟力矩来表达质心加速度与主动关节驱动力矩的关系．确定了适于冗余欠驱动机器人的动态可操作矩阵，给出了仿蛙跳跃机器人在给定方向质心加速性能的动态方

2、向可操作度量指标。算例表明，当在不同位形输入恒定力矩时，质心在给定方向的瞬时加速度与动态方向可操作度的变化趋势一致．表明了提出的度量方法对质心加速性能指标的评价是可行的关键词：仿蛙跳跃机器人；起跳性能；方向可操作度；动态可操作度中图分类号：TP242文献标识码：A文章编号：1001—2354(2014)04—0027—04在仿人、仿蟋蟀、仿袋鼠和仿蛙等仿生跳跃机器人器人在起跳过程中的变形，将仿蛙跳跃机器人简化为的研究中[i-5]，机器人的跳跃性能至关重要。跳跃机器脚掌OO2、小腿OO3、大腿O3O、身体O4O5、大臂O5O6人跳

3、跃性能的好坏主要是由起跳阶段的起跳性能决定和小臂OO，通过踝关节D：、膝关节O。、髋关节O、肩的。主要表现在：起跳离地的质心速度影响越障能力：关节O和肘关节O串联的刚性杆模型，如图1所示。在给定跳跃任务的情况下，起跳过程占整个跳跃周期o5中的大部分能耗。跳跃机器人起跳性能的好坏表现在其是否能以较低的能耗获得较高的离地速度，这可通过跳跃机器人系统关节驱动力矩与质心在任务方向上加速度之间传递能力的指标(动态可操作度)评价。但是动态可操作度目前主要应用于全驱动冗余自由度机器人[6]。文中在动态可操作度的基础上提出一种适合于欠驱动冗余系

4、统的动态方向可操作度，作为衡量仿图l仿蛙跳跃机器人的起跳分析模型蛙跳跃机器人在起跳任务方向上的加速性能的动态指若假设仿蛙跳跃机器人在起跳过程中后脚掌始终标。考虑仿蛙跳跃机器人在起跳阶段脚与地面之间存与地面保持接触，机器人脚掌在整个起跳过程中不存在被动约束，将其起跳分析模型考虑为一个欠驱动冗在打滑现象，则其起跳分析模型可视为与地面铰接于余机械臂．提出虚拟加速度和虚拟力矩的概念．分析两触地点O的冗余欠驱动机械臂系统。取广义坐标g=者之间的线性映射关系．推导出欠驱动冗余系统的动[，口]，其中9=q为机器人脚掌绕地面转动的角度，态可操作

5、度矩阵：针对仿蛙跳跃机器人的起跳任务方ga=g(2，⋯，6)为主动关节的转动角度。仿蛙跳跃机向，提出欠驱动冗余系统的动态方向可操作度。以此动器人的起跳动力学基本方程可表示为]：态方向可操作度为性能指标，分析仿蛙跳跃机器人在D(g)+日(口，)+G(q)=．r(1)起跳过程中的质心加速性能。式中：D(孽)——惯性矩阵；H(q，)——科氏力和离心力引起的力矩项；1仿蛙跳跃机器人起跳建模与运动分析G(鼋)——机器人重力引起的力矩项；一关节驱动力矩。根据跳跃步态对称性，不考虑机器人的翻滚和偏考虑到广义坐标变量g=[，q]中项为被动的，航

6、运动，忽略运动幅度小及难以精确描述的关节和机将式(1)写成分块形式为：收稿日期：2012—12—05；修订日期：2013—10—27基金项目：国家自然科学基金资助项目(51175099)作者简介：胡胜海(1954一)，男，河南伊川人，教授，博士生导师，学士，研究方向：机械设计及理论和舰炮技术，发表论文5O余篇。机械设计第31卷第4期D+D孑+日+G=0(2)式(10)可简写为：D十D坩+G=Ta(3)=(。，D)子(11)记fi为各构件的尺寸参数，为连杆坐标系，则机器记和子分别为虚拟加速度和虚拟力矩：人各构件上各点在连杆坐标系中

7、的坐标位置为，．=[T=T—H(q，)一G(q)+DJ+a(12)0]和，．=If。0i=1，⋯，6。构件i的质心绝对位置坐标列阵为：：一(，—J)n(13)式(10)中(，_J)av为其他非关节运动产生的质=∑G【J，rIj+G(4)j=l心加速度；H(口，)和G(q)为克服科氏力、离心力及重式中：G。——连杆坐标系li}相对于地面基坐标系{Oxy}的方向力的关节力矩；DJa为关节空间与质心任务空间的非线性关系引入的附加力矩。余弦矩阵，G。：=f1cos。]1；．【sin0COS0ij式(11)即反映了虚拟力矩和虚拟加速度之间

8、的线性关系。当机器人系统为全驱动时，矩阵JD即为0i——杆i的绝对角度，=∑。j=t其动态可操作度。当机器人系统为欠驱动时，可将由式(4)可得机器人系统质心的绝对位置矢量：式(11)写成分块形式：rCc=∑GoP(5)圳式中：P——由机器人系统结构参数决定的系统