关节电机驱动六足机器人仿生结构设计与柔顺运动控制

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.022

工程设计学报

2023, Vol. 30

Issue (2): 154-163 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.022

创新设计

关节电机驱动六足机器人仿生结构设计与柔顺运动控制

丁杨(

),张明路,焦鑫,李满宏(

)

河北工业大学机械工程学院，天津 300401

Biomimetic structure design and compliant motion control for hexapod robot driven by joint motors

Yang DING(

),Minglu ZHANG,Xin JIAO,Manhong LI(

)

School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China

全文: PDF(3884 KB) HTML

摘要：

现有六足机器人在单足结构设计、机体布置形式及柔顺运动控制等方面存在不足，导致其地形适应能力不强，运动柔顺性能不高。为此，开展了典型六足生物——蚂蚁的观测实验，基于蚂蚁生理结构特征和驱动方式分析，提出了适用于六足机器人结构设计的基本原则；基于低惯量单足结构设计，通过优化机器人机体布局，提出了关节电机驱动六足机器人整体仿生结构；基于六足机器人直行和转向运动步态，规划了三角函数曲线与直线相结合的足端轨迹，提出了基于分级控制的六足机器人柔顺运动控制方法。样机实验结果表明，六足机器人结构设计合理，能够实现相对柔顺的直行和转向运动。研究结果可以为机器人仿生结构设计及柔顺运动控制提供重要参考。

关键词： 六足机器人; 仿生结构设计; 柔顺运动控制; 生物观测实验; 关节电机驱动

Abstract:

The existing hexapod robots have shortcomings in single foot structure design, body layout and compliant motion control, resulting in weak terrain adaptability and low motion compliant performance. Therefore, observation experiment was conducted on a typical hexapod organism-ant. Based on the analysis of the physiological structure characteristic and driving mode of ant, basic principles applicable to the structure design of hexapod robot were proposed; based on the design of a low inertia single foot structure, an overall biomimetic structure of a hexapod robot driven by joint motors was proposed by optimizing the body layout of the robot; based on the gait of the straight and turning movements of the hexapod robot, a foot end trajectory combining trigonometric function curve and straight line was planned, and a compliant motion control method for the hexapod robot based on hierarchical control was proposed. The prototype experimental results showed that the hexapod robot had a reasonable structure design and could achieve relatively compliant straight and turning movements. The research results can provide important references for the design of robot biomimetic structure and compliant motion control.

Key words: hexapod robot biomimetic structure design compliant motion control biological observation experiment joint motor drive

收稿日期: 2022-07-12 出版日期: 2023-05-06

CLC:

TP 242

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(U1913211);河北省自然科学基金资助项目(F2021202016);河北省中央引导地方科技发展资金资助项目(226Z1801G);国家重点实验室优秀青年创新基金资助项目(EERI_0Y2021004)

通讯作者: 李满宏 E-mail: 13646193384@163.com;lmh9181219@163.com.cn

作者简介: 丁杨（1998—），男，江苏南通人，硕士生，从事六足机器人结构设计与运动控制研究，E-mail: 13646193384@163.com, https://orcid.org/0000-0001-5950-6012

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丁杨,张明路,焦鑫,李满宏. 关节电机驱动六足机器人仿生结构设计与柔顺运动控制[J]. 工程设计学报, 2023, 30(2): 154-163.

Yang DING,Minglu ZHANG,Xin JIAO,Manhong LI. Biomimetic structure design and compliant motion control for hexapod robot driven by joint motors[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2023, 30(2): 154-163.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.022 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2023/V30/I2/154

图1 蚂蚁生理结构

表1 蚂蚁各足足节长度

表2 蚂蚁各足的分布尺寸 (mm)

图2 蚂蚁单足驱动系统

图3 六足机器人整机结构

图4 六足机器人单足结构

图5 六足机器人机体布置方案

图6 六足机器人直行运动示意

图7 六足机器人转向运动示意

图8 六足机器人运动学坐标系示意

图9 六足机器人足端轨迹曲线

图10 六足机器人柔顺运动控制系统架构

图11 六足机器人样机

表3 六足机器人性能指标

图12 六足机器人关节转角

图13 六足机器人直行运动过程中的机体高度

图14 六足机器人直行运动轨迹

图15 六足机器人转向运动轨迹

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