轮-履-腿复合仿生机器人步态规划及越障性能分析
Gait planning and obstacle-surmounting performance analysis of wheel-track-leg composite bionic robot
通讯作者:
收稿日期: 2021-07-08 修回日期: 2021-08-23
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Received: 2021-07-08 Revised: 2021-08-23
作者简介 About authors
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、特种移动机器人设计研究,E-mail:
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芮宏斌, 李路路, 曹伟, 王天赐, 段凯文, 吴莹辉.
RUI Hong-bin, LI Lu-lu, CAO Wei, WANG Tian-ci, DUAN Kai-wen, WU Ying-hui.
四足机器人可以利用特定的步态在地面上运动,其优点是稳定性高和越障能力强。意大利理工学院的Semini等人[4]设计了一种HyQ四足机器人,并采用虚拟模型控制提高了该机器人的动态运动性能,使其具备了在崎岖路面上行走的能力。Zhang等人[5]基于ZMP(zero moment point,零力矩点)稳定裕度的方法设计了四足机器人的行走步态,提高了该机器人在复杂路面上的行走能力。朱红生等人[6]通过研究猫自由落体的翻正原理和运动学模型,设计了一种可以实现自动翻正和落地缓冲的四足机器人。但是,四足机器人的控制难度大,即使在平坦地面上行走也需要十分复杂的控制算法[7],且其运动速度明显不如轮式和履带式机器人。为了弥补四足机器人的缺陷,国内外学者提出了多种具有复合式移动机构的机器人。Chen 等人[8]设计了一种可以在轮式与腿式之间变形转换的移动机器人,其采用轮式时可以在平坦地面上连续转动,采用腿式时可以借助二自由度刚性腿跨越不平坦的地面。桑董辉等人[9]根据提出的二自由度球面并联腿结构设计了一种轮-腿复合移动机器人,在保证机器人支腿工作空间的前提下缩小了支腿尺寸,增强了机器人的灵活越障性能。郑明军等人[10]提出了一种轮-腿复合的全地形移动机器人,并对其车身结构进行了优化,提高了其越障性能。综上,在实际工程应用中,具有复合式移动机构的机器人能够较好地适应复杂多变的作业环境。
基于此,笔者以仿生学思想为基础,通过分析海龟的身体结构和爬行动作,设计了一种轮-履-腿复合仿生机器人,并为其规划了多种仿海龟爬行步态。同时,为了更好地控制该机器人的越障运动,以跨越壕沟宽度和攀越台阶高度[11]为指标,通过建立越障理论模型来对机器人的越障性能进行分析和评价。最后,通过样机实验对该机器人的仿海龟爬行步态进行验证,并对机器人能够跨越的最大壕沟宽度和能够攀越的最大台阶高度进行测试,以验证所构建越障理论模型的正确性。
1 轮-履-腿复合仿生机器人的结构
图1
图2
图2
轮-履-腿复合仿生机器人整体机械结构
Fig.2
Overall mechanical structure of wheel-track-leg composite bionic robot
图3
图3
轮-履-腿复合仿生机器人支腿结构
Fig.3
Leg structure of wheel-track-leg composite bionic robot
表1 轮-履-腿复合仿生机器人的主要结构参数
Table 1
参数 | 数值 |
---|---|
质量/kg | 9.8 |
外形尺寸(长×宽×高)/mm×mm×mm | 527×376×135 |
大腿长度/mm | 51 |
小腿长度/mm | 173 |
沼泽轮半径/mm | 37.5 |
履带承重轮轮距/mm | 86 |
履带承重轮半径/mm | 24 |
2 轮-履-腿复合仿生机器人步态规划
2.1 机器人运动学模型构建
建立机器人的运动学模型是为了求解其关节变量与支腿足端位置之间的映射关系。机器人机体的位姿由其支腿的动作决定,在某一给定瞬间,若已知支腿足端相对于机体的位置、速度和加速度,则可确定机体在地面上的运动状态[12]。
基于D-H法建立轮-履-腿复合仿生机器人的运动学模型[13]。以机器人的右前侧支腿为例,构建D-H坐标系,如图4所示。其中:坐标系
图4
图4
轮-履-腿复合仿生机器人支腿1的D-H坐标系
Fig.4
D-H coordinate system of leg 1 of wheel-track-leg composite bionic robot
表2 轮-履-腿复合仿生机器人支腿1的D-H参数
Table 2
关节j/ | lj /mm | ε1j /(°) | d1j /mm | θ1j /(°) |
---|---|---|---|---|
1 | l1 | 90 | 0 | θ11 |
2 | l2 | 0 | 0 | θ12 |
式中:c表示cos,s表示sin。
则机器人的基坐标系
其中:
式中: AO1为基坐标系
设支腿1的足端B1在基坐标系
2.2 机器人步态规划
图5
图6
图6
轮-履-腿复合仿生机器人的4种仿海龟爬行步态
Fig.6
Four imitation turtle crawling gaits of wheel-track-leg composite bionic robot
现以图6(b)所示的四腿爬行步态为例,简单介绍轮-履-腿复合仿生机器人的爬行过程。当机器人以四腿爬行步态爬行时,要求其支腿保持左右对称,且同一侧的前、后支腿始终保持平行,以及4条支腿同时垂直转动。机器人的初始状态为:机体支撑地面,4个沼泽轮悬空,并保持图中实线所示姿态。在支腿电机的驱动下,4条支腿同时向下转动,开始放腿动作,沼泽轮与地面接触后作纯滚动运动;待支腿将机体撑起后,在转腿电机的驱动下,4条支腿同时向机体尾部转动,在该过程中沼泽轮与地面产生静摩擦,在支腿的拨动下,机器人向前爬行;完成爬行后(机器人呈图中点划线所示姿态),4条支腿同时向上转动,机体落下并支撑地面,沼泽轮悬空;最后,4条支腿同时向机体头部转动至下一次爬行的初始姿态(图中虚线所示)。重复这4个动作(放腿、爬行、抬腿和摆腿),机器人即可实现连续向前爬行。图6所示的4种步态的动作过程一致,区别在于:两腿爬行步态和横向步态只需前侧或右侧的2条支腿动作,对侧的2条支腿起支撑作用;而四腿爬行步态和旋转步态需要全部支腿支撑并且动作。
2.3 机器人关节力矩计算
电机是机器人的核心单元,用于驱动机器人支腿做各种动作。电机的驱动扭矩是机器人动力设计的关键。考虑到本文所设计的轮-履-腿复合仿生机器人的运动速度不高,在设计过程中忽略动态惯量的作用,即视其支腿关节匀速转动。在自身重力的作用下,该机器人爬行时主要受到的外力为地面支撑力,且支腿关节所受力矩与沼泽轮位置有关。现以四腿爬行步态为例,对所设计机器人支腿的关节力矩进行分析和计算。
图7所示为机器人以四腿爬行步态爬行时的受力分析。图中:Bi 为支腿i的足端;fi 和Ni 分别为足端Bi 所受的地面静摩擦力和支反力;Ti1和Ti2分别为支腿i关节1和2所受的力矩。
图7
图7
四腿爬行步态下轮-履-腿复合仿生机器人的受力分析
Fig.7
Force analysis of wheel-track-leg composite bionic robot under four-legged crawling gait
由图7可知,当该机器人处于静平衡状态时,有:
式中:m为机器人质量;Bix 、Biy 分别为支腿足端Bi 在基坐标系中的X、Y坐标。
鉴于四腿爬行步态要求轮-履-腿复合仿生机器人的左、右侧支腿对称,且4条支腿同时转动,则有:
式中:θi1、θi2分别为支腿i关节1和2的转角;θf1、θr1分别为前、后侧支腿关节1的转角;θf2、θr2分别为前、后侧支腿关节2的转角。
由此可得,该机器人支腿各关节所受的力矩为:
其中:
式中:μ为地面静摩擦系数。
3 轮-履-腿复合仿生机器人越障性能分析
轮-履-腿复合仿生机器人的越障性能主要取决于支腿、履带底盘的几何参数和路面的物理特性,其主要评价指标为跨越壕沟宽度和攀越台阶高度。现从空间几何角度出发,建立机器人跨越这2种障碍的理论模型(越障过程中机器人时刻保持左、右侧支腿对称),通过求解其能跨越的最大壕沟宽度和能攀越的最大台阶高度,对其越障性能进行分析和评价。
3.1 机器人跨越壕沟的理论模型
机器人在跨越壕沟时,最重要的是避免重心失稳,即机体的重心始终处于支撑域内。如图8所示,轮-履-腿复合仿生机器人向右跨越壕沟时,需要时刻保持前、后侧支腿与机体纵向平行,且沼泽轮与地面接触。通过求运动学方程逆解可得,在整个跨越过程中,机器人各支腿关节的转角为:θi1=90°,θi2=-23°。
图8
图8
轮-履-腿复合仿生机器人跨越壕沟示意
Fig.8
Schematic diagram of wheel-track-leg composite bionic robot crossing trench
如图8(a)所示,在阶段1,机器人开始进入壕沟,此时机器人不发生翻倾的条件为:机体重心与壕沟后端顶点Pr竖直平齐时,前沼泽轮已经越过壕沟前端顶点Pf,并与右侧地面接触。定义这个阶段满足条件的最大壕沟宽度为L1。
如图8(b)所示,在阶段2,机器人完全进入壕沟,此时机器人能够继续前进的条件为:履带的前承重轮与壕沟前端顶点Pf接触时,后承重轮仍处于壕沟后端顶点Pr的左侧,并与左侧地面接触。定义这个阶段满足条件的最大壕沟长度为L2。
如图8(c)所示,在阶段3,机器人离开壕沟,此时机器人不发生翻倾的条件为:机体重心与壕沟前端顶点Pf竖直平齐时,后沼泽轮仍处于壕沟后端顶点Pr的左侧,并与左侧地面接触。定义这个阶段满足条件的最大壕沟宽度为L3。
综上所述:
式中:Bfy 、Bry 分别为前、后侧支腿足端在基坐标系中的Y坐标;d为履带承重轮轮距。
由此可得,该机器人能够跨越的最大壕沟宽度Lw为:
3.2 机器人攀越台阶的理论模型
图9
图9
轮-履-腿复合仿生机器人攀越台阶示意
Fig.9
Schematic diagram of wheel-track-leg composite bionic robot climbing step
如图9(a)所示,在阶段1,机器人前侧支腿竖直向上抬起,在履带的驱动下靠近台阶,后侧支腿水平向前并紧贴机体。前侧支腿能够攀上台阶的条件为:其沼泽轮胎底高于台阶面。设该阶段满足条件的最大台阶高度为H1,则有:
式中:h为机器人机体重心到履带底面的垂直距离;Bfz 为前侧支腿足端的Z坐标;R为沼泽轮半径。
如图9(b)所示,在阶段2,前侧支腿的沼泽轮登上台阶,并将机器人撑起,履带驱动机器人靠近台阶顶点。图中:Ar为履带后承重轮的中心,Bf为前侧支腿沼泽轮的中心。设线段ArO、ArBf与地面水平线的夹角分别为α、α3,设线段ArO、ArBf与基坐标系Y轴正向的夹角分别为α1、α2,则有:
其中:
式中:r为履带承重轮半径;lAO 、lAB 分别为线段ArO、ArBf的长度;H2为阶段2满足条件的最大台阶高度。
由
如图9(c)所示,在阶段3,支腿电机驱动机器人后侧支腿向下转动,当将机器人机体尾部撑起后,转腿电机驱动后侧支腿拨动地面以进行两腿爬行,此时机器人开始攀登台阶。设机体重心竖直投影到履带底面上的点为J,台阶顶点水平投影到履带底面上的点为M,则机器人能够成功攀上台阶的条件为:机体重心与台阶顶点竖直平齐时,履带底面还未与台阶顶点接触,即在基坐标系中,点J的Y向坐标Jy 大于点M的Y向坐标My。设该阶段满足条件的最大台阶高度为H3,鉴于该阶段为后侧支腿的沼泽轮支撑地面,则有:
式中:β2为机器人因前、后侧支腿姿态不同而产生的仰角;β3为阶段3中机器人因支撑台阶而产生的仰角;Brz 为后侧支腿足端在基坐标系中的Z坐标。
由此可得,机器人在阶段3的仰角为:
基于机器人的基坐标系,设其重力方向直线和履带底面的函数表达式G(y)和F(y)分别为:
联立
同时,基于机器人的基坐标系,设台阶面的函数表达式N(y)为:
由于机器人前侧支腿沼泽轮在台阶面上的支点Kf的Y、Z坐标分别为Bfy 、Bfz -R,将其代入
联立
则由My =Jy 解得:
式中:
综上所述,机器人能够攀越的最大台阶高度H为:
4 实验研究
为进一步验证所设计轮-履-腿复合仿生机器人的仿海龟爬行步态的合理性以及所构建越障理论模型的正确性,制作了机器人实验样机。为了减小机器人的质量,其机体和支腿均采用铝合金加工而成;安装电机的支架通过3D打印制成;电机为直流有刷电机,为满足爬行时电机随时能自锁的要求,电机采用蜗轮蜗杆减速传动的方式连接。利用所制作的机器人样机,开展步态实验和越障实验。
图10
图10
轮-履-腿复合仿生机器人步态实验现场
Fig.10
Gait experiment site of wheel-track-leg composite bionic robot
图11
图11
轮-履-腿复合仿生机器人越障实验现场
Fig.11
Obstacle-surmounting experiment site of wheel-track-leg composite bionic robot
在跨越壕沟实验中,该机器人能够跨越最大宽度为434 mm的壕沟,略大于理论值430 mm,其相对误差为0.92%。由此说明,所构建的机器人跨越壕沟的理论模型正确。
在攀越台阶实验中,共进行了8组实验,即取8种不同的机器人姿态(前、后侧支腿关节2转角的取值不同),结果如表3所示。其中:H为最大攀越台阶高度的理论计算值,H*为实验测量值。机器人成功攀越台阶的标准为:机器人能够在台阶上稳定3 s以上。由表3数据可以看出,该机器人前、后侧支腿分别下压90°时,能够攀越的台阶最高。此外,所建立的机器人攀越台阶理论模型的计算结果与实验结果的相对误差保持在1.4%~6.2%。存在误差的主要原因是:在惯性作用的影响下,该机器人登上台阶时产生了一定程度的晃动,且支腿的动作导致其整体重心相对于机体重心在纵向和垂向上产生较小的变化。但是相对误差较小,由此说明所建立的机器人攀越台阶理论模型正确。
表3 轮-履-腿复合仿生机器人越障实验结果
Table 3
实验序号 | θf2/(°) | θr2/(°) | H/mm | H*/mm | 相对误差/% |
---|---|---|---|---|---|
1 | -30 | -30 | 36.1 | 34 | 6.17 |
2 | -45 | -45 | 103.1 | 98 | 5.20 |
3 | -60 | -60 | 150.0 | 144 | 4.17 |
4 | -90 | -90 | 178.3 | 175 | 1.88 |
5 | -45 | -60 | 126.2 | 123 | 2.60 |
6 | -45 | -90 | 139.0 | 137 | 1.46 |
7 | -60 | -45 | 129.7 | 124 | 4.60 |
8 | -90 | -45 | 164.4 | 158 | 4.05 |
5 结 论
1)以海龟为仿生原型,设计了一种轮-履-腿复合仿生机器人,其兼具轮胎、履带和支腿的结构特点,3种移动机构可以协调配合、同步工作;每条支腿有2个自由度,可模仿海龟爬行。
2)通过观察海龟的爬行动作,为轮-履-腿复合仿生机器人规划了4种仿海龟爬行步态,在这些步态下机器人可实现横向移动、纵向移动、原地旋转和跨越越障的功能。同时,建立了机器人跨越壕沟和攀越台阶的理论模型,并对其能够跨越的最大壕沟宽度和能够攀越的最大台阶高度进行了求解,实现了对其越障性能的评价。
3)通过样机实验验证了所设计轮-履-腿复合仿生机器人的仿海龟机械结构可行,所规划的仿海龟爬行步态合理,以及所建立的越障理论模型正确。
参考文献
BigDog四足机器人关键技术分析
[J].
Key technology analysis of BigDog quadruped robot
[J].DOI:10.3901/JME.2015.07.001 [本文引用: 1]
Structural design and gait research of a new bionic quadruped robot
[J].
类哺乳动物腿式机器人研究综述
[J].
Mammalian legged robot: a review
[J].DOI:10.3969/j.issn.1004-1322X.2013.06.027 [本文引用: 1]
Design of HyQ:a hydraulically and electrically actuated quadruped robot
[J].
Trot pattern generation for quadruped robot based on the ZMP stability margin
[C]//
可实现自动翻正的仿生四足机器人的设计与分析
[J].
Design and analysis of the bionic quadruped robot capable of automatic turning
[J].DOI:10.13841/j.cnki.jxsj.2018.01.009 [本文引用: 1]
Locomotion over common types of obstacles for a legged mobile robot
[J].
Quattroped: a leg-wheel transformable robot
[J].
轮-腿复合移动机器人RUPU-RUPR球面并联腿机构动力学研究
[J].
Dynamics investigation of RUPU-RUPR spherical parallel mechanism for wheel-legged mobile robot
[J].DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.045 [本文引用: 1]
全地形移动机器人车身结构分析与优化
[J].
Analysis and optimization of all-terrain mobile robot body structure
[J].DOI:10.3785/j.issn.1006-754X.2021.00.028 [本文引用: 1]
小型山地履带底盘设计与仿真分析
[J].
Design and simulation of small crawler chassis for mountain areas
[J].DOI:10.13841/j.cnki.jxsj.2020.06.018 [本文引用: 1]
绳传动四足爬行机器人的结构设计与仿真分析
[D].
Simulation and design of wire-driven quadruped crawling robot
[D].
基于ADAMS的仿壁虎机器人步态规划及仿真
[J].
Gait planning and simulation of gecko inspired robot based on ADAMS
[J].DOI:10.3724/SP.J.1218.2010.00499 [本文引用: 1]
轮腿式自动引导小车结构设计与行走步态规划
[J].
Structural design and walking gait planning of wheel-legged AGV
[J].DOI:10.13433/j.cnki.1003-8728.20200047 [本文引用: 1]
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].
Control method and its implementation of quadruped robot in omni-directional trotting gait
[J].DOI:10.13973/j.cnki.robot.2015.0074 [本文引用: 1]
四履带双摆臂机器人越障机理及越障能力
[J].
Obstacle-surmounting mechanism and capability of four-track robot with two swing arms
[J].DOI:10.13973/j.cnki.robot.2010.02.007 [本文引用: 1]
四履带四摆臂机器人越障能力分析
[J].
Obstacle ability analysis on the four-track robot with four swing arms
[J].DOI:10.3969/j. issn.2095-509X.2019.05.007
六足矿井搜救探测机器人越障动力学建模与分析
[J].
Dynamic modeling and analysis for obstacle negotiation of mine rescue detection hexapod robot
[J].DOI:10.13841/j.cnki.jxsj.2016.02.020
Obstacle-crossing strategy and formation parameters optimization of a multi-tracked-mobile-robot system with a parallel manipulator
[J].
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