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工程设计学报
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
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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    或    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
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