爬墙机器人腿部结构比例研究.pdf

第1 2 期 2 0 1 6 年1 2 月 机械设计与制造 M a c h i n e r yD e s i g n & M a n u f a c t u r e 7 5 爬墙机器人腿部结构比例研究 郑小伟，杨志成，闰贵琴，王宇晨 ( 北京联合大学生物化学工程学院，北京1 0 0 0 2 3 ) 摘要：针对爬墙机器人腿部比例不同对机器人行进速度和越障能力影响不同，提出一种串联旋转式摆动机器腿，可以 通过研究大腿与小腿之间的比例，对机器人行进速度和越障能力之间的关系进行优化。为了提高机器人的可实用性，对 机器人进行了步态规划，建立了腿部笛卡尔坐标系、推导了腿部运动学模型。经研究发现，大腿与小腿的结果比例在特定 范围之间时。各项理论指标处于合理范围。为了验证研究的有效性，按照设计的腿长比例建立了机器人实物模型，并对模 型进行实物验证。结果表明，机器人行进速度和越障能力方面满足设计要求。 关键词：腿部比例；步态规划；行进速度；越障能力 中图分类号：T H l 6文献标识码：A文章编号：1 0 0 1 3 9 9 7 ( 2 0 1 6 ) 1 2 0 0 7 5 0 3 T h eC o m p a r a t i v eS t u d yA b o u tC l i m b i n gR o b o tL e gS t r u c t u r e Z H E N GX i a o - w e i ，Y A N GZ h i - c h e n g ，Y A NG u i - q i n ，W A N GY u - c h e n ( B e i j i n gU n i o nU n i v e r s i t y ，B i o c h e m i c a lE n g i n e e r i n gC o l l e g e ，B e i j i n g1 0 0 0 2 3 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mt h a tC l i m b i n gr o b o t sw i t hd i f f e r e n tl e gp r o p o r t i o n sh a v ed i f f e r e n ti m p a c t so n a d v a n c i n gs p e e da n do b s t a c l ea b i l i t y , w ed e s 咖as e r i e sr o t a r ys w i n gm a c h i n el e gw h & hy o uC O l to p t i m i z et h er e l a t i o n s h i p b e t w e e na d v a n c i n gs p e e da n dc l i m b i n go b s t a c l ea b i l u yt h r o u g hm a k i n gas t u d yo nt h er a t i ob e t w e e nr o b o t St h i g ha n dc a l f I n o r d e rt oi m p r o v er o b o t Sp r a c t i c a b i l i t yw em a k eag a i tp l a n n i n ga n de s t a b l i s hC a r t e s i a nc o o r d i n a t es y s t e mo i lo t t rr o b o t , t h i s s y s t e mc c mh e t p 凇b u i l dal e gk i n e m a t i c sm o d e LA c c o r d i n gt ot h er e s e n ，- c 见i f t h er a t i ob e t w e e nr o b o t St h i g ha n dc n 矿厶i nt h e s p e c i f i cr a n g e ，t h et h e o r e t i c a li n d i c a t o r so ft h i sr o b o ti si nar e a s o n a b l er a n g et o O T ov e n f yt h ev a l i d i t yo ft h er e s e a r c h , a p h 声i c dm o d e lo fo u rr o b o ti se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h ed e s i g n e dl e gp r o p o r t i o n s An dt h ep h 弘i c a lv e r i f i c a t i o ni sm a d ef o r t h em o d e LT h er e s u l t ss h o wt h a t kr o b o t sa d v a n c i n gs p e e da n do b s t a c l ea b i l i t yC O l tm e e tt h e 如s 印r e q u i r e m e n t s K e yW o r d s ：L e gP r o p o r t i o n s ；G a i tP l a n n i n g ；A d v a n c m gS p e e d ；O b s t a c l eA b i l i t y 1 引言 随着现代化进程的加快，高层建筑层出不穷，为人类提供安 居场所的同时，也给安全、卫生等带来困扰，需要对其检修、维护和 清理。由于这些工作有很大的危险性，因此，对爬墙机器人的研究 广泛展开。仿壁虎机器人与其它爬墙移动方式相比，它的四肢式 爬行对墙面有较强的适应性，其相关理论与技术的研究一直在 科技界受到关注【。在当前的研究中，更多地是关注仿壁虎机器 人的步态规划l 叫、路径规划I g l 、控制器设计1 9 和吸附原理【l O l ，而对 机器人腿部比例的研究较少，以至于目前的爬墙机器人实用化 不高I 。由于开发仿壁虎机器人的目的是将其应用到竖直的墙 面工作。同等条件下，腿部比例影响到机器人的行进速度、越障 能力，以及机器人的安全，所以，研究机器人腿部比例是实现仿 壁虎机器人实用化的关键。以仿生壁虎三节式机器腿为研究对 象，从机械结构、运动学分析、机械结构研究角度出发，对行进速 度的影响进行探究。 2 仿壁虎爬墙机器人总体结构 2 1 仿壁虎爬墙机器人结构设计 仿壁虎耙墙初器 由四肢和柳体组成，每条腿的机械结构相同， 为串联旋转式摆动机器腿，安装在机体的左右两侧。排列方式中标识 的数字，如图l 所示。每条腿包括大腿、小腿和吸盘，分别受控于1 个 驱动关节，即髋关节控制大腿，为扇面转动；膝关节控制小腿，为扇面 转动；踝关节控制吸盘，为曲面转动。机器人在竖直墙面上运动，不同 于水平面运动，受重力的作用，步态规划不当，就会发生坠溜乇参照文 献，对机器人的步态进行规划。规划3 种步态：即：3 + 1 ”、2 + 2 、“1 + 3 ”步 态。其中+ 前面的数字分男I 卅萄搴吸附墙面的腿数，+ ，后面的数字分别 代表正I 白亍进的腿数。针对不同目标开发的足式机器人，具有不同 来稿日期：2 0 1 6 0 6 1 7 基金项目：北京联合大学“启明星”大学生科技创新项目( 2 0 1 5 1 1 4 1 7 0 2 7 ) 作者简介：郑小伟，( 1 9 9 5 一) ，女，北京人，本科，主要研究方向：智能控制。 杨志成，( 1 9 7 1 一) ，男，北京人，硕士研究生，副教授，主要研究方向：工程设计与控制 万方数据 7 6 郑小伟等：爬墙机器人腿部结构比例研究第1 2 期 的腿部节段长度比例。从机械运动方式分析，机器人的四肢对墙 面运动是“翘动抬腿”和“摆动移步”的组合过程；从控制方法分 析，机器人控制抬腿、移步都可以独立运行，也可耦合控制；从控制 层级关系分析，两者之间是相互影响，彼此关联；因此，处于摆动的 腿为串联开环结构。开环串联腿机构具有简单紧凑、灵活性好越障 能力强的特点n 3 ；其它处于吸附墙面的腿，通过吸盘相互连接，不能独 立运行，是明显的闭环结构，每条腿分别受控于各自的端口，运动时 不会相互影响，是并联闭环结构，对于多自由度的机器人，在吸附墙 面时起到稳定支撑的作用I 整机机构示意图如图2 所示。 图1 样机结构图 F i g 1P r o t o t y p eS t r u c t u r eD i a g r a m 幽二兰! “L “L f 勺j i 总图 F i g 2T h eW h o l eO r g a n i z a t i o nC h a r t s 2 1 2 机器人运动学分析 以腿部机械结构运动原理为基础，搭建腿部笛卡儿坐标系， 如图3 所示。因为髋关节是其他两关节的运动平台。所以髋关节 坐标系为基础坐标系，式中：a 和届分别为髋关节和膝关节的转 角，y 为踝关节的曲面。为了自适应墙面起伏不定的变化情况，更 好地吸附地面，踝关节使用曲面联轴器作为连接腿部与足部构 件，并采用欠驱动控制方式。式中：L 和：分别为大腿和小腿的 长度， 为足端抬起高度。式中J c 腿长度比例为七，小腿长度比 例k ，。令腿部总长度为，则大腿长度出L ，小腿长度L 2 = 岳，。 D H 参数，如表1 所示。将表1 中的D H 参数代人相邻关节的坐 标变换矩阵兀，可求得从基坐标系到足端坐标系的变换矩阵。乃， 设足部位置向量p = p ，P ，P ： 。 l P ，l k 2 c o 郫 _ p = P ，l = L l ( k l 扎2 s i 邮) c o s a ( I ) l P ：lI ( k 。礼2 c o 驴) s i n a 图3 腿部笛卡儿坐标系图 F i g 3L e g sC a r t e s i a nC o o r d i n a t eS y s t e mD i a g r a m 表1 腿部的D H 参数表 T a b 1 L e g sD - HP a r a m e t e r sT a b l e 俐4j 腿翻；j 垒动状，J i 总H r l g 4S t a t u ss t h e m a t i I I r g 、1 1 1 、r l l l P l l l 3 机器人行进速度分析 研究机器人如何运动，可以帮助机器人调整行进速度的同 时，提高机械效率。速度控制包括粗略控制和精细控制。粗略控制 是指实际上的机器人的移动控制，即在机器人的步态规划中，设 定了三种速度的运动方式，控制器根据运动形式控制4 条腿的运 动顺序。精细控制，是指每条单腿的有序运动。机器人的腿部运动 是通过髋关节与膝关节的配合，实现足盘的抬升( 抬脚) 、摆动( 迈 动) 与下降( 落足) ，继而实现迈腿行走。机器人向前摆动单腿时，口 角发生变化，当髋关节电机转动时，足部就会呈现一个弧线运动轨 迹。为了分析方便，分析个摆动相的运动周期便可以说明问题。以 足部由后极限位置P E P ( p o s t e r i o r e x t r e m ep o s i t i o n ) 运动到前极限 位置A E P ( a n t e r i o r e x t r e m e p o s i t i o n ) 1 1 2 1 为一个摆动周期，摆动相时 单腿向前摆动，舵机3 将主动改变，根据障碍物的高度变化，如图 4 所示。C t 角由一9 0 0 经0 。到9 0 0 变化。足端由P E P 到A E P ，此腿由 摆动相转化为吸附相。作为吸附相时，O l 角