转盘式多足仿生机器人的运动学分析及优化

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.041

工程设计学报

2022, Vol. 29

Issue (3): 327-338 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.041

优化设计

转盘式多足仿生机器人的运动学分析及优化

张春燕¹(

),丁兵¹,何志强²,杨杰¹

^1.上海工程技术大学机械与汽车工程学院，上海 201600
^2.厦门ABB开关有限公司，福建厦门 361000

Kinematics analysis and optimization of rotary multi-legged bionic robot

Chun-yan ZHANG¹(

),Bing DING¹,Zhi-qiang HE²,Jie YANG¹

^1.School of Mechanical and Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201600, China
^2.Xiamen ABB Switchgear Co. , Ltd. , Xiamen 361000, China

全文: PDF(7552 KB) HTML

摘要：

为解决多足机器人控制系统复杂、加工装配困难的问题，设计了一种基于单自由度Jansen连杆机构的转盘式多足仿生机器人，并对其进行运动学分析和优化。首先，运用旋量理论对机器人的单条仿生机械腿进行自由度验证，并运用复数矢量法对仿生机械腿进行运动学求解，得到其足端运动轨迹方程及各关节的转动角度。然后，基于仿生机械腿足端的运动轨迹及其影响因素，分析了其优化方向。接着，提出了转盘式传动机构，并对仿生机械腿的转动关节和足端进行了优化，同时利用SolidWorks软件对转盘式多足仿生机器人的步态进行了时序分析。最后，制作了转盘式多足仿生机器人样机并分析了其在常规路况下的运动能力，验证了其可行性。结果表明，改变曲柄长度和机架水平倾角可优化多足仿生机器人的运动轨迹，使其更符合实际应用所需；转盘式传动机构与多条仿生机械腿的叠加，提升了机器人的环境适应性。研究结果为后续机器人系统的设计及工程应用提供了重要的理论依据。

关键词： 多足仿生机器人; 旋量理论; 运动学分析; 步态优化; 结构优化

Abstract:

In order to solve the problems of complex control system and difficult machining and assembly of multi-legged robots, a rotary multi-legged bionic robot based on the single-degree-of-freedom Jansen linkage mechanism was designed, and its kinematics analysis and optimization were carried out. Firstly, the degree of freedom of the single bionic mechanical leg of robot was verified by the screw theory, and the kinematics of the bionic mechanical leg was solved by using the complex vector method, so as to obtain the motion trajectory equation of the foot end and the rotation angle of each joint. Then, based on the motion trajectory of the bionic mechanical leg foot end and its influencing factors, the optimization direction was analyzed. And then, a rotary transmission mechanism was proposed and the rotation joint and foot end of the bionic mechanical leg were optimized, at the same time, the gait of the rotary multi-legged bionic robot was analyzed by using the SolidWorks software. Finally, the rotary multi-legged bionic robot prototype was made and its movement ability under normal road conditions was analyzed to verify its feasibility. The results showed that changing the crank length and the horizontal inclination angle of frame could optimize the motion trajectory of the multi-legged bionic robot, which made it more suitable for practical applications; the superposition of the rotary transmission mechanism and multiple bionic mechanical legs could improve the environmental adaptability of the robot. The research results provide an important theoretical basis for the design and engineering application of the follow-up robot system.

Key words: multi-legged bionic robot screw theory kinematics analysis gait optimization structure optimization

收稿日期: 2021-08-18 出版日期: 2022-07-05

CLC:

TH 112

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(52005317);上海市研究生科研创新基金资助项目(19KY0151)

作者简介: 张春燕（1980—），女，安徽淮北人，副教授，博士，从事机器人机构学研究，E-mail：cyzhang@sues.edu.cn，https：//orcid.org/0000-0003-1390-4562

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张春燕,丁兵,何志强,杨杰. 转盘式多足仿生机器人的运动学分析及优化[J]. 工程设计学报, 2022, 29(3): 327-338.

Chun-yan ZHANG,Bing DING,Zhi-qiang HE,Jie YANG. Kinematics analysis and optimization of rotary multi-legged bionic robot[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2022, 29(3): 327-338.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.041 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2022/V29/I3/327

图1 仿生机械腿机构原理

图2 仿生机械腿机构各关节的运动螺旋示意

图3 仿生机械腿机构杆组拆分示意

表1 仿生机械腿机构各连杆的长度定义

图4 固定坐标系中Ⅱ级杆组AB-BO2C的位置示意

图5 固定坐标系中Ⅱ级杆组AD-DO2的位置示意

图6 固定坐标系中Ⅱ级杆组CE-EDF的位置示意

表2 仿生机械腿机构各连杆的预设长度 (mm)

图7 仿生机械腿三维模型

图8 仿生机械腿各关键部位的运动轨迹示意

图9 曲柄与机架夹角不同时仿生机械腿足端的位置对比

图10 仿生机械腿足端运动轨迹对比

图11 不同曲柄长度下仿生机械腿足端运动轨迹的变化情况

图12 不同机架水平倾角下仿生机械腿足端运动轨迹的变化情况

表3 转盘式多足仿生机器人的技术指标要求

图13 转盘式传动机构结构示意

图14 不同对足组合时转盘的传动轴分布示意

图15 仿生机械腿转动关节结构示意

图16 自适应足端结构示意

图17 转盘式多足仿生机器人整体结构示意

图18 转盘式多足仿生机器人的步态示意

图19 转盘式多足仿生机器人的步态时序图

图20 转盘式多足仿生机器人爬坡示意

图21 转盘式多足仿生机器人攀越台阶示意

图22 转盘式多足仿生机器人跨越壕沟示意

图23 转盘式多足仿生机器人样机

表4 转盘式多足仿生机器人样机参数

图24 转盘式多足仿生机器人平地直行和转向实验现场

图25 转盘式多足仿生机器人爬坡实验现场

图26 转盘式多足仿生机器人复杂路面行走实验现场

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