文摘
在这篇文章中,一个轻量级的和模块化的设计四足机器人的两个自由度的并联腿。减少重量和提高传动精度,采用扳手头的水平布局设计四足机器人的腿。每个驱动器的旋转角度分析了四足机器人的逆运动学算法。此外,足端轨迹,包括支持和摆动阶段,计划减少足端和地面之间的影响。此外,四条腿的四足机器人的步态设计通过考虑小跑的条件,地位,起飞,散步。最后,足端轨迹的有效性和稳定的步态是由一个原型平台上进行实验验证。
1。介绍
移动机器人成为机器人领域的一个研究热点,因为他们可以执行危险任务代替人类在救援和抢险救灾、反恐、爆炸军械处理和现场勘查(1]。移动机器人可以分为轮式、履带式和腿2]。尽管轮式机器人和履带机器人可以有效地相对平坦的地面上移动,他们不能正常工作等杂乱地形山脉和丘陵。相比之下,腿式机器人能够克服几乎所有地形障碍,有广泛的应用前景3]。根据脚的数量,腿式机器人可分为双足机器人,四足机器人,和类似的机器人。其中,四足机器人目前收到更多的关注,因为他们有更好的稳定性和承载力高于双足机器人,更灵活的运动性能和降低运动效率高于类似机器人(4]。
在过去的几十年里,许多优秀的四足机器人已经开发出来。其中,大型四足机器人主要包括机器人(5],LS3 [6],野猫[7],HyQserial [8,9]。这些四足机器人液压驱动和超过100公斤,这样他们可以执行大载荷崎岖的地形遍历任务。然而,由于大量的重量,大小,和电源(液压)的局限性,更广泛的商业利用的主要障碍大型四足机器人是复杂的。中型的四足机器人,突出的是麻省理工学院的猎豹(10- - - - - -12],ANYmal [13,14),地点(15],Aliengo [16]。通过使用电机本体感受的致动器和电致动器供电,中型四足机器人表现出卓越的运动性能。然而,硬件的开发难度和成本过高,适合广泛推广(17- - - - - -20.]。因此,它具有十分重要的现实意义开发机器人四足机器人,适用于初学者,可以用于家庭娱乐和学校教学场景。
在这篇文章中,一个小型四足机器人平行腿设计。腿结构采用平行配置的水平布局驱动端,这样腿致动器可以满足舵机的安装要求,低自重和传动精度高的性能。身体采用轻量级和模块化设计,不仅提高了运动性能,但也有方便的拆卸和组装的特点。设计新的腿并行配置,相应的提出和逆运动学算法。通过足端轨迹规划和步态规划,它可以获得稳定的行走能力。使用一个原型STM32单片机为主控制器,和舵机作为执行机构,通过使用3 d印刷机械结构部件组装而成。实验结果验证本文设计四足机器人不仅具有良好的运动性能,但也有低功耗的优点,体积小,成本低,操作简单,等。因此,它具有一定的娱乐、教学和实用价值。
本文的组织结构如下:第二部分介绍了四足机器人的机械结构设计。在第三节,小说的逆运动学算法并行腿配置提出了。第四和第五部分分别介绍了足端轨迹规划和步态规划方法应用于这个机器人。原型的实现方案及其实验结果六节。最后,给出的结论是七节。
2。四足机器人的机械结构设计
受四足动物的仿生原理的启发,四足机器人的机械结构通常被设计成两部分:躯干和四肢。大部分的四肢潜浮性能设计成串行机制(2),和结构分布自下而上foot-ankle-calf-knee-thigh-hip躯干,分别。经过简化,基于串行的四足机器人腿部配置可以得到如图1。
然而,也有一些这样的连环腿在实际应用的问题。首先,由于负荷的累积效应串行机制(21),联合执行机构需要承担的其他部分的腿的附加载荷;因此,四足机器人的整体承载能力是有限的,这似乎是淹没在负重的情况下任务。特别是,它将导致膝关节负重压力,影响了运动稳定性和致动器的生命。第二,执行机构通常安装在腿的膝关节在串行配置(3),这不仅增加了转动惯量的腿还增加髋关节致动器上的负载,使机器人行动麻烦和影响控制效果。为了解决这个问题,一种解决方案是将驱动器髋关节和膝关节的传输能量通过传导机制,比如同步带。然而,使用传导机制将介绍传输错误。再加上串行机制本身的累积误差,很难保证足端的准确性,从而减少机器人的运动性能。
由于串行配置的天然劣势,平行配置更适合小型四足机器人执行机构的输出功率有限的(22]。一个典型的四足机器人腿平行配置是斯坦福一动也不动地23],它利用同轴并联机构和quasi-direct驱动执行机构实现优秀的垂直跳敏捷性。然而,quasi-direct驱动致动器的成本太高,和控制是困难的,所以它不适合大规模推广,和支持同轴机制不匹配的安装成本更低的舵机。
本文指的是平行腿斯坦福一动也不动地的配置,将同轴机制和安排执行机构水平,和设计一个双自由度并联腿机制如图2。机制有两个主动关节(髋关节)由转向引擎驱动,安装水平的躯干的一侧和E,和这两个转向引擎控制一条腿的运动。B, C和D都是被动关节没有电源,其中B和D是膝关节,C是脚。膝关节B和D改变足端C的位置与髋关节的转动和E。
机制有以下优点:第一,致动器可以安装在躯干保护装置,减少腿部的惯性矩。第二,少腿并行机制传输错误,因此具有较高的控制精度。与三自由度串联机制相比,该解决方案减少了空间和自重,增加的负载能力由于减法髋关节横向摇摆不定的自由度。此外,指导函数负责髋关节可以取代微分方法。斯坦福一动也不动地相比,我们的四足机器人使用小型,低成本的舵机作为执行机构,不再需要一个单独的齿轮箱和允许两个致动器水平安装,直接驱动输出,从而减少机器人的总体规模和简化结构。
图3说明了四足机器人的结构。躯干采用一个轻量级的和模块化的设计。它与解放军3 d印刷材料,这是一个长方体的形状有四个边缘切断,在头尾连接由空心括号结束。这个设计可以降低减肥的同时保持强度,从而提高运动性能。躯干的中心控制模块,用于将控制器和电池盒,和它的顶部设有一个船型电源开关和一个铰链电池盒打开和关闭掩盖容易启动和电池更换。八转向引擎驱动模块,两侧对称安装的前后部分躯干和扩展的输出轴连接腿并行机制。这种布局使重心与重心,确保稳定的控制。与此同时,模块化设计给出了四足机器人的特点快速组装和简单的更换零件。
四足机器人的前面和顶级视图所示数据4和5分别列出在表及其结构设计参数1。
3所示。腿的运动学分析
运动学分析是指分析的位置、速度和加速度的变化机制没有考虑力行动,分别。这三种变化分析也主动输入组件和被动之间的主输出组件的机制。在本节中,提出和逆运动学分析的腿四足机器人设计本文分别执行。
通过建模并行腿机制,建立笛卡尔基础坐标系与直线两个髋关节的所在的位置x设在和两个髋关节的中点作为原点,和关节坐标的原理图可以得到如图6。关节的定义中,A, B, C, D, E是一样的图2五杆机构,组成一个链接。定义的长度AE、AB、德,公元前,和CD , , , , 。每个链接和之间的角度x设在被表示为 , , , (范围从0到180度),如图2。此外,足端C点的坐标表示 。
首先,矩阵法用于转发运动学分析。计算的投影长度x和y方向,分别时,我们可以得到的方程组
根据表1,我们知道的确切值 , 和 。此外,的角度和活动关节,因此未知变量和 。通过将未知变量的左边等号,(1)成为
解决(2由计算机软件),例如,MATLAB,我们可以计算关节的价值和 。因此,足端C点的坐标可以解决
关节角速度之间的关系可以通过一阶导数的计算(2)关于时间 的符号 角速度的吗 。
基于速度函数(4),加速功能可以进一步派生 在那里,这些符号 的角加速度吗 。因此,通过求解函数(4)和(5),我们可以得到角速度 , 和角加速度 , 。
然后,逆运动学的腿也进行了分析。所谓的逆运动学是找到每个驱动器的旋转角度与知识的坐标相对于腿足端基坐标系。使用逆运动学算法的位置之间的映射关系足端和致动器可以确定的角度,从而实现足端位置控制的目的。在本节中,小说的逆运动学分析执行并行腿机制设计本文获得适用于我们的四足机器人逆运动学算法。根据代数方法,各关节的角度解决如下:
然后根据余弦定理,我们可以推断出的价值 , , , ,也就是说,
4所示。足端轨迹规划
虽然逆运动学解可用于定位控制的四足机器人足端,使足端根据预设轨迹移动,有必要计划相当足端轨迹。计划的轨迹可以离散成一系列的足端轨迹点发送给控制器,从而实现足端轨迹控制。
为了说明的足端轨迹,我们需要首先介绍一些概念如下(24]。(我)步态周期:机器人的腿的持续时间的时刻到下一个撞到地上砸地面,由(2)支持阶段:国家支持,当一条腿在地上(3)摆动阶段:当一条腿离开地面(iv)占空比:时间的比值被一条腿的摆动阶段占领整个步态周期
发现摆线轨迹可以减少脚着陆的影响,四足机器人具有更好的稳定性。因此,本文采用摆线足端轨迹规划方法。通过设置四足机器人的步态参数如步长、步高度,和周期,获得脚轨迹 (在哪里 , )所需的足端的坐标点,( , )足端起始点的坐标,是阶梯高度,它的最大高度是足端从地面步长,即。,the distance between the landing point和起点 。参数 ,在哪里 , 整个周期的足端轨迹,的责任比swing阶段。
整个弹道分为支持阶段和swing阶段,责任比swing阶段在整个周期的时间由责任比例参数可以调整吗 。此外,周期时间 ,一步的高度 ,和步长根据不同的环境可以改变和速度的要求。例如,当 , , 和 ,足端轨迹和速度曲线的描述数据7和8。
通过分析速度曲线的足端(图8),可以看出,机器人的速度曲线仍持续在一个运动周期,和速度x方向和y方向是零的时候足端接触地面,使地面,可有效减少足端和地面之间的影响,有助于保持四足机器人的运动稳定性。
5。步态规划
足端轨迹只指定一条腿的动作。四足机器人的移动,需要合理分配四条腿的动作节奏,也就是说,步态规划。在仿生学,步态是指有足的动物的运动模式,即固定位置关系个人的两腿之间。四足机器人设计本文采用主流小跑步态行走步态来获取相应的行为能力。描述步态,四条腿都标注在图9射频,低频、LH RH代表正确的前腿,左前腿,左后腿,和右后腿。
快步步态适用于快速行走的四足机器人,这意味着对角线上的两条腿以同样的方式移动。目前,两个对角线上的腿在相反的方向移动,和支持阶段和一条腿的摆动阶段的足端轨迹各占一半的周期时间。图10显示的时间图小跑步态,两腿在一个对角线的支持而另一个阶段两个腿的摆动阶段。自从小跑步态具有较高的能源效率,可以适应大速度范围(24]。此外,这种对称的步态也有利于维护四足机器人的稳定性,已成为最常用的四足机器人的步态。
微分转向步态是最常见的步态的用于指导8-DOF四足机器人。基于小跑步态、差动转向步态改变足端步长或腿摆动方向两边的机器人,位移的差异在哪里生成旋转机器人的身体。
行走步态也是一个广泛使用的步态,适合的缓慢行走四足机器人。当执行四足机器人步态行走,总会有三条腿在地上。此时,每条腿的支持阶段占3/4的周期,和摇摆周期的阶段占1/4。四条腿的位置在一个周期不同于对方,不同周期的1/4,如图11。
6。原型和实验
利用SolidWorks软件的原型设计机械结构,以及机械零件是由3 d印刷。控制系统的原型如图12,控制器是STM32f103c8t6最低芯板,并通过我们的软件编写控制程序。四足机器人使用的驱动器是mg90s舵机,它是由PCA9685驱动板。在电力供应方面,7.4 V充电锂电池用于电力控制系统和舵机下台后的5 V LM2596降压模块。控制系统还配备了PS2信号接收器,它负责从PS2接收遥控信号处理。控制器的主要功能STM32计算和通信。计算函数负责机器人的步态规划和执行逆运动学解。负责通信功能与PS2通信接收机和PCA9685驱动板。
从PS2接收遥控信号处理,STM32传输计算电机位置信号PCA9685司机董事会实现运动控制。舵机的旋转角度由PWM控制信号,输出通过PCA9685。注意,相应的旋转角和PWM信号之间的关系见图13。
从图可以看出13旋转角度可以通过调节占空比的PWM控制信号。注意,工作周期是指高层的比例在一个信号周期持续时间。然后,根据的关系,我们可以计算出工作周期作为 在哪里舵机的旋转角度。
通过使用(13),我们可以实现角度控制舵机通过发送PWM信号控制器的驱动板。
图14原型的照片。它已经被实验验证原型可以执行小跑步态行走步态。此外,基于小跑步态,原位步态,原地起飞步态,侧面步态依靠开发重心的偏移。
相比之下,类似的四足机器人,机器人的设计成本非常低。表2列出了每个组件构建机器人所需的成本。
我们进行了机器人的运动实验的腿上动作捕捉系统(图15)。在这个实验中,四个校准球安装在一条腿的机器人,机器人控制向前走,然后机器人足端轨迹的世界坐标系统可以获得。使用Matlab绘制的速度曲线轨迹如图16。相比之下,图8,在实验中获得的实际速度曲线与设计曲线一致,清晰可见,swing阶段和支持阶段占每个步态周期的一半。
评估我们的四足机器人的性能,我们引入“规范化工作能力”的概念(NWC) [25]。NWC代表之间的比例关系规范化速度(NS)和负载容量(PLC)。在NS体长最大速度的比值,反映速度单位体长的性能,值越大越好。PLC是指机器人对有效载荷的重量的比值,反映单位负载所需的自重,值越小,越好。因此,NWC NS和PLC的综合性能。值越大越好。的小parallel-legged四足机器人设计,NS, PLC,和NWC是1.36%,55.31%,和75.22%,分别。与其他著名的四足机器人提供的数据文献[3),我们可以得出结论,机械狗的性能设计在本文大致平均水平(3]。对比结果如图17∼19。因为新四足机器人具有更低的成本,因此成本较高的性能,更适合娱乐和教学推广市场。
7所示。结论
在本文中,一个小,低成本,操作简单两个自由度的并联腿配置是设计和实现。此外,结构、运动学分析、脚轨迹,设计四足机器人的步态规划进行了研究。首先,从仿生学的角度和力学,本文采用并行方案的水平布局驱动端和轻量级的和模块化的概念,设计了一种四足机器人自重较低,结构简单,传输性能高。四足机器人结构,传动装置安装在机身,保护装置,降低转动惯量的腿。其次,分析了两个自由度的并联腿配置。通过使用矩阵方法,我们进行了运动学分析使用的腿和逆运动学算法之间的映射关系来确定每条腿和脚的位置的角度腿执行机构,实现位置控制的目的。此外,本文验证的有效性摆线轨迹和主流的稳定步态规划轨迹和四足机器人的步态。最后,本文构建了一个四足动物整机实验平台两个自由度并联腿配置并进行相关实验小跑步态和步态行走。基于小跑步态,实验扩展步态原位,步态,原地跳,和横向运动步态依靠重心的偏移,这验证原型设计方法和控制算法的正确性。与商业产品相比,本文设计的机械狗是由3 d印刷,所以腿的结构可以任意改变,和相应的运动学算法也可以适应的修改通过调整参数的腿。 In addition, the controller is completely open source so that any desired functionality can be added. Based on the above advantages, people can customize a mechanical dog that is different in structure and program on the basis of the prototype, thus meeting the needs of teaching and entertainment. Moreover, the cost of this robot has been compressed to 200 RMB, and its performance is no less than that of other well-known quadruped robots, which greatly reduces the development threshold of quadruped robots.
数据可用性
数据被作者和策划可按照客户要求定制。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作得到了国家自然科学基金(批准号51865020)。