Please wait a minute...
工程设计学报  2024, Vol. 31 Issue (3): 309-318    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.181
机器人与机构设计     
受海龟爬行与山羊行走启发的四足仿生移动机器人多步态规划及动力学分析
芮宏斌(),王天赐,厍龙林(),段凯文,李耒,郭旋,彭家璇
西安理工大学 机械与精密仪器工程学院,陕西 西安 710048
Multi-gait planning and dynamics analysis of quadruped bionic mobile robot inspired by turtle crawling and goat walking
Hongbin RUI(),Tianci WANG,Longlin SHE(),Kaiwen DUAN,Lei LI,Xuan GUO,Jiaxuan PENG
School of Mechanical and Precision Instrument Engineering, Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China
 全文: PDF(6090 KB)   HTML
摘要:

为解决救援机器人运动速度慢、环境适应性差和步态单一等问题,参照海龟与山羊的生理结构,设计了一种四足仿生移动机器人。首先,根据海龟能在松软地面上爬行以及山羊运动能力强的特点,为机器人规划了仿海龟爬行和仿山羊行走两种步态以适应不同环境,提高了机器人的运动性能。然后,对机器人支腿进行了动力学分析,通过建立动力学模型来获取机器人关节扭矩与运动性能参数之间的定量关系。最后,通过仿真和样机实验来验证机器人步态的可行性以及机器人的环境适应能力。结果表明,所设计的机器人结构稳定,步态规划合理,可适应不同的复杂地形。研究结果可为仿生机器人的设计与开发提供重要参考。

关键词: 仿生移动机器人多步态规划动力学    
Abstract:

In order to solve the problems of slow movement, poor environmental adaptability and single gait of rescue robots, a quadruped bionic mobile robot was designed according to the physiological structure of turtle and goat. Firstly, according to the characteristics of turtle crawling on soft ground and goat's strong movement ability, two gaits imitating turtle crawling and goat walking were planned for the robot to adapt to different environments and improve the robot's movement performance. Then, the dynamics analysis for the robot outrigger was carried out, and the quantitative relationship between the robot joint torque and motion performance parameters was obtained by establishing a dynamics model. Finally, the feasibility of the robot's gait and the robot's adaptability to the environment were verified by simulation and prototype experiments. The results showed that the designed robot had stable structure and reasonable gait planning, which could adapt to different complex terrains. The research results can provide important reference for the design and development of bionic robots.

Key words: bionic mobile robot    multi-gait planning    dynamics
收稿日期: 2023-06-19 出版日期: 2024-06-27
CLC:  TH 113  
基金资助: 国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51905154);陕西省教育厅2022年度重点科研计划项目(22JY051);2023年陕西省科技计划项目(2023-YBGY-357)
通讯作者: 厍龙林     E-mail: Hongbin.rui@126.com;3518917365@qq.com
作者简介: 芮宏斌(1978—),男,陕西西安人,副教授,博士,从事车辆系统动力学与控制技术、特种移动机器人研究,E-mail: Hongbin.rui@126.com,https://orcid.org/0000-0002-2718-831X
服务  
把本文推荐给朋友
加入引用管理器
E-mail Alert
RSS
作者相关文章  
芮宏斌
王天赐
厍龙林
段凯文
李耒
郭旋
彭家璇

引用本文:

芮宏斌,王天赐,厍龙林,段凯文,李耒,郭旋,彭家璇. 受海龟爬行与山羊行走启发的四足仿生移动机器人多步态规划及动力学分析[J]. 工程设计学报, 2024, 31(3): 309-318.

Hongbin RUI,Tianci WANG,Longlin SHE,Kaiwen DUAN,Lei LI,Xuan GUO,Jiaxuan PENG. Multi-gait planning and dynamics analysis of quadruped bionic mobile robot inspired by turtle crawling and goat walking[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2024, 31(3): 309-318.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.181        https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2024/V31/I3/309

图1  仿海龟机器人拓扑结构
图2  仿山羊机器人拓扑结构
图3  四足仿生移动机器人的拓扑结构
图4  四足仿生移动机器人的整体结构
参数数值

机身尺寸(长×宽×高)/

(mm×mm×mm)

爬行姿态:530×320×75

行走姿态:480×130×190

转腿长度/mm30
大腿长度/mm100
小腿长度/mm100
沼泽轮尺寸(直径×厚度)/(mm×mm)50×15
整机质量/kg2.8
表1  四足仿生移动机器人的结构参数
图5  自然界中海龟的爬行步态
图6  四足仿生移动机器人的仿海龟爬行步态
图7  自然界中山羊的行走步态
图8  四足仿生移动机器人的仿山羊行走步态
图9  支腿动力学分析模型
图10  支腿动力学模型仿真验证的技术路线
图11  仿山羊行走步态下髋关节扭矩对比
图12  仿山羊行走步态下膝关节扭矩对比
图13  四足仿生移动机器人仿海龟爬行步态仿真结果
图14  仿海龟爬行步态下机身质心的位移曲线
图15  仿海龟爬行步态下机身质心的速度曲线
图16  仿海龟爬行步态下机身、足端的受力情况
图17  仿海龟爬行步态下各关节转角的变化曲线
图18  四足仿生移动机器人仿山羊行走步态仿真结果
图19  仿山羊行走步态下机身质心的位移曲线
图20  仿山羊行走步态下机身质心的速度曲线
图21  仿山羊行走步态下各关节转角的变化曲线
图22  四足仿生移动机器人仿海龟爬行实验现场
图23  四足仿生移动机器人仿山羊行走实验现场
图24  仿山羊行走步态下机身的俯仰角
图25  仿山羊行走步态下机身的横滚角
图26  仿山羊行走步态下机身的侧偏角
1 程书波,李冲.基于知识图谱的我国自然灾害防治现状及趋势分析[J].中国防汛抗旱,2023,33(4):54-60.
CHENG S B, LI C. Current situation and trend analysis of natural disaster prevention in China based on knowledge graph[J]. China Flood & Drought Management, 2023, 33(4): 54-60.
2 冯飞.群策群力协同推进加快发展我国应急产业[J].中国应急管理,2015(11):58-59.
FENG F. Work together to accelerate the development of China's emergency industry[J]. China Emergency Management, 2015(11): 58-59.
3 喇蕊芳,薛芳明,白鹏飞,等.基于“情景-任务”的重特大地质灾害救援装备调配优化[J].安全与环境学报,2023,23(5):1568-1578.
LA R F, XUE F M, BAI P F, et al. Optimizing the rescue equipment allocation of major geological disasters based on “scenario-task”[J]. Journal of Safety and Environment, 2023, 23(5): 1568-1578.
4 李管良,陆强,王富尧,等.发展高效救援处置装备提高消防安全治理成效[J].中国应急管理,2022(6):78-81.
LI G L, LU Q, WANG F Y, et al. Development of efficient rescue and disposal equipment to improve the effectiveness of fire safety governance[J]. China Emergency Management, 2022(6): 78-81.
5 蔡鹤皋.机器人将是21世纪技术发展的热点[J].中国机械工程,2000,11(1/2):58-60. doi:10.3321/j.issn:1004-132X.2000.01.015
CAI H G. Robot will be a hot spot of technological development in the twenty first century[J]. China Mechanical Engineering, 2000, 11(1/2): 58-60.
doi: 10.3321/j.issn:1004-132X.2000.01.015
6 赵海朋,张凌燕.“十四五”时期我国机器人产业发展关键在于做好三个“关键”[J].机器人产业,2022(2):12-16.
ZHAO H P, ZHANG L Y. The key to the development of China's robot industry during the“14th Five Year Plan” period lies in doing well in three “keys”[J]. Robot Industry, 2022(2): 12-16.
7 KAWAMUR Y, SHIMOYA J, YOSHIDA E, et al. Design and development of amphibious robot with fin actuators[J]. International Journal of Offshore and Polar Engineering, 2010, 20(3): ISOPE-10-20-3-175.
8 CHEN J P, SAN H J, WU X, et al. Structural design and gait research of a new bionic quadruped robot[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, 2021(5): 1-11.
9 李满宏,张明路,张建华,等.基于增强学习的六足机器人自由步态规划[J].机械工程学报,2019,55(5):36-44. doi:10.3901/jme.2019.05.036
LI M H, ZHANG M L, ZHANG J H, et al. Free gait planning for a hexapod robot based on reinforcement learning[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2019, 55(5): 36-44.
doi: 10.3901/jme.2019.05.036
10 丁良宏.BigDog四足机器人关键技术分析[J].机械工程学报,2015,51(7):1-23. doi:10.3901/jme.2015.07.001
DING L H. Key technology analysis of BigDog quadruped robot[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2015, 51(7): 1-23.
doi: 10.3901/jme.2015.07.001
11 张铭钧,刘晓白,徐建安,等.海龟柔性前肢仿生推进研究[J].机器人,2011,33(1):229-236. doi:10.3724/sp.j.1218.2011.00229
ZHANG M J, LIU X B, XU J A, et al. Bionic research on turtle's flexible forelimb propulsion[J]. Robot, 2011, 33(1): 229-236.
doi: 10.3724/sp.j.1218.2011.00229
12 张兵,郑彦宁,徐文福,等.基于舞台表演用海龟机器人四足协调步态规划[J].仪器仪表学报,2017,38(3):545-551. doi:10.3969/j.issn.0254-3087.2017.03.005
ZHANG B, ZHENG Y N, XU W F, et al. Coordinated quadrupedal gait planning of turtle robot for performing at digital stage[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2017, 38(3): 545-551.
doi: 10.3969/j.issn.0254-3087.2017.03.005
13 芮宏斌,李路路,王天赐,等.两栖仿海龟机器人动力学建模与运动控制研究[J].工程设计学报,2023,30(1):73-81. doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.007
RUI H B, LI L L, WANG T C, et al. Research on dynamic modeling and motion control of amphibious turtle inspired robot[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2023, 30(1): 73-81.
doi: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.007
14 芮宏斌,李路路,曹伟.两栖仿海龟机器人步态规划及分析[J].机械科学与技术,2023,42(1):46-52.
RUI H B, LI L L, CAO W. Gait planning and analysis of amphibious turtle inspired robot[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(1): 46-52.
15 王明昊,汪满新.一种新型五自由度混联机器人动力学建模与性能评价[J].机械工程学报,2023,59(9):63-75. doi:10.3901/jme.2023.09.063
WANG M H, WANG M X. Dynamic modeling and performance evaluation of a new five-DOF hybrid robot[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2023, 59(9): 63-75.
doi: 10.3901/jme.2023.09.063
16 张冬冬,江一行,范云杰,等.基于仿生水母的水下机器人结构设计与试验研究[J].机电工程,2024,41(4):739-746. doi:10.3969/j.issn.1001-4551.2024.04.020
ZHANG D D, JIANG Y H, FAN Y J, et al. Structural design and experimental study of underwater robots based on biomimetic jellyfish[J]. Journal of Mechanical & Electrical Engineering, 2024, 41(4): 739-746.
doi: 10.3969/j.issn.1001-4551.2024.04.020
17 孟健,李贻斌,李彬.四足机器人对角小跑步态全方位移动控制方法及其实现[J].机器人,2015,37(1):74-84.
MENG J, LI Y B, LI B. Control method and its implementation of quadruped robot in omni-directional trotting gait[J]. Robot, 2015, 37(1): 74-84.
18 张楠,姜文通,牛宝山,等.轮腿式自动引导小车结构设计与行走步态规划[J].机械科学与技术,2021,40(2):211-217.
ZHANG N, JIANG W T, NIU B S, et al. Structural design and walking gait planning of wheel-legged AGV[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(2): 211-217.
19 韩清凯,罗忠.机械系统多体动力学分析、控制与仿真[M].北京:科学出版社,2010:8-28.
HAN Q K, LUO Z. Multi-body dynamics analysis, control and simulation of mechanical systems[M]. Beijing: Science Press, 2010: 8-28.
20 李加启.高速四足机器人液压支腿动力学分析及运动 控制[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2019:22-61.
LI J Q. Dynamic analysis and motion control of hydraulic leg in high speed quadruped robot[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2019: 22-61.
[1] 马文滨,段志文,李想,张行. 基于振动响应分析的海底管道悬空内检测研究[J]. 工程设计学报, 2024, 31(3): 348-356.
[2] 曹望城,韩佳轩,姚廷强. 基于参数化多体动力学模型的内齿式回转支承动态优化设计[J]. 工程设计学报, 2024, 31(2): 168-177.
[3] 杨开科,罗俊鹏,马文静,耿远超,王德恩,袁强. 高带宽压电片变形镜的动力学仿真与优化方法研究[J]. 工程设计学报, 2024, 31(1): 130-136.
[4] 谢苗,石俊杰,张鸿宇,朱昀. 多激励下新型纵轴式掘进机的纵向振动特性预测[J]. 工程设计学报, 2023, 30(6): 728-737.
[5] 赵迪,陈果,陈小利,王熊锦. 轮式搜救机器人地形自适应机构设计及越障性能分析[J]. 工程设计学报, 2023, 30(5): 579-589.
[6] 陈洪月,蔡明航,杨辛未,戴忠桓. 更换电铲钢丝绳专用机械臂架的结构及动力学分析[J]. 工程设计学报, 2023, 30(5): 590-600.
[7] 陈贵亮,李子浩,蔡超,李永超,杨冬. 基于人体动力学分析的下肢外骨骼助力设计及机构优化[J]. 工程设计学报, 2023, 30(3): 362-371.
[8] 谢红太,王红,柴伟. 新型高速列车风阻制动装置设计与仿真分析[J]. 工程设计学报, 2023, 30(2): 244-253.
[9] 段韦婕,秦慧斌,刘荣,李中一,白绍平. 可重构变刚度柔性驱动器的设计与性能分析[J]. 工程设计学报, 2023, 30(2): 262-270.
[10] 芮宏斌,李路路,王天赐,段凯文. 两栖仿海龟机器人动力学建模与运动控制研究[J]. 工程设计学报, 2023, 30(1): 73-81.
[11] 李科军,陈淼林,王江银,姚学军,邓旻涯,高龙. 湿喷机液压制动系统制动阀性能研究[J]. 工程设计学报, 2022, 29(5): 579-586.
[12] 张姚,祝效华,董亮亮. 弱刚性机匣橡胶减振柔性夹具研究[J]. 工程设计学报, 2022, 29(5): 587-594.
[13] 赵富强,杜特,常宝玉,牛志刚. 肢腿履带足机构抬腿工况动力学分析与实验研究[J]. 工程设计学报, 2022, 29(4): 474-483.
[14] 李科军,邓旻涯,黄文静,张宇,曾家旺,陈淼林. 混凝土湿喷机摆动系统工作特性研究[J]. 工程设计学报, 2022, 29(4): 519-526.
[15] 王月朋,汪步云. 下肢外骨骼助力机器人动力学建模及实验研究[J]. 工程设计学报, 2022, 29(3): 358-369.