四足机器人的凸轮驱动步机制

文摘

仿生四足机器人收到相当大的全球研究的关注。对四足机器人行走稳定步在平坦的地形,使用凸轮驱动伺服电机控制机制,而不是提供了理论和实际的好处,因为它减少了系统重量、成本、和控制复杂;因此成本可能更有利于一些休闲或家庭应用。本研究探讨了机器人步机制包括腿和凸轮传动控制系统基于研究狗的骨骼结构和运动的步骤序列。设计要求的凸轮驱动机器人腿了,腿和机械原理的运行机制以及控制参数进行了分析。凸轮传动控制系统建立了使用三个凸轮来控制每条腿。最后,四条腿机器人演示实验和生产它显示稳定模式在平坦的地面上行走。

1。介绍

四足机器人被广泛研究仿生机器人应用程序的最重要的分支。1968年,通用电气和美国陆军流动系统实验室建造了一个四足步行机,服务器采用液压马达驱动(1]。后来建议大量可控自由度需要高效的驱动,妥善安排,特殊设计的脚消散的能量罢工,等等,控制的问题似乎是步行机器人的主要问题(2]。

KUMO-I,首次全面四足机器人是发达国家在1976年由日本东京理工学院,后来也产生了泰坦系列四足机器人基于本研究[3- - - - - -6]。目前四足机器人被广泛研究了世界各地的许多大学和实验室(7- - - - - -13]。迄今为止最先进的四足机器人是机器人,2005年波士顿动力公司和麻省理工学院联合开发的美国军队。机器人能够在非结构化环境中操作,等多个功能独立走路,跑步,跳跃,攀爬的障碍。一个升级版本,LS3,目前正在紧张的开发(13]。

考虑与平坦的地形构造环境中,机器人执行稳定行走,和可以使用的机械传动系统来取代伺服电机腿关节。这减少了系统的重量、成本和控制复杂;因此成本可能更有利于一些休闲或家庭应用。出于这个原因,本研究利用一些先前的研究成果14- - - - - -16]和仿生理论来提高理论分析和组件设计,提出了一种新颖的凸轮驱动四足机器人步机制来实现稳定的走在地板表面。

2。的步骤序列分析典型的四足动物

2.1。运动的骨骼结构典型的四足动物

动物中最广泛使用的仿生四足机器人的研究是狗。根据观察和分析遛狗,科学家调查了狗骨结构参与身体运动和散步,包括肩、肘、髋、膝关节(3]。

狗的肩膀可以被视为一个球关节,就是能来回倾斜或偏航双方,如图1。狗的手肘类似于一个铰接接头结构,只能在一个平面上移动,也就是说,来回倾斜,最大90度角,提出了图2。臀部是另一个球关节结构可以将三轴,如图3。类似于肘部,膝盖是另一个铰接接头结构,只能来回倾斜,如图4。

2.2。的步骤序列分析典型的四足动物

当四足动物稳步走,四条腿行动协调和每条腿在两个不同的国家。步骤序列通常遵循对角线的原则;也就是说,左前腿,然后正确的横向移动,左侧面,正确的前面,左前腿,在重复周期等等。当四足动物的支持阶段,至少有三条腿接触地面,同时在挂阶段只有一个腿抬离地面。因此,关于每条腿的运动稳定行走,脚的时间之间的比率是在地面上,地面,也就是说,工作周期,是0.75。

本研究的限制条件是,四足机器人行走稳定后,常规的速度;以一种平稳的方式,机器人移动和改变位置是通过不断改变步态的基本模式。本文中描述的步骤机制包括腿机制和凸轮传动控制系统管理腿部关节的运动。这两个方面将在以下部分。

3所示。机器人的腿机制的理论分析

3.1。腿机制的设计要求

根据四足步行特点,四足机器人行走机构的设计要求给出以下(15]。(1)脚结束的运动相对于机器人的身体是一个圆顶形状,直线部分的运动轨迹是脚支持机制支持阶段。轨迹曲线部分对应于脚抬离地面,也就是说,在挂相。(2)为了避免不必要的能源消耗参与身体碰撞机器人移动时,它是必要的,以确保某些平直度的直线部分(1)中提到的。(3)为了避免摩擦和不必要的能源消耗发生由于不均匀的速度三个支撑腿机器人移动时,提出了确保每条腿移动在一个稳定的速度直线部分(1)中提到的。(4)关于曲线段(1),有一个关于天花板点要求,而不是形状,由于最大高度决定了机器人的能力旅行在一个不均匀的表面。(5)除了要求(1),一只脚的时间旅行沿着直线部分应该用于弯曲部分的三倍。这意味着支持阶段的相位角同时挂阶段。四条腿的协调运动应该遵守对角原则;也就是两条腿之间的相角差,应该反过来。

3.2。机械腿的原理机制

本研究的范围是四足机器人的一步机制,可以实现稳定行走,不包括转向。通过简化的基于臀部、腿关节结构肘、膝关节,机械腿结构示意图如图5。

在图5,部分,,指出,和对应于小腿、大腿、臀部骨骼,膝关节和髋关节。相关参数如下(14- - - - - -16]:(1)髋关节弥补差距,(2)是小腿的长度,(3)大腿长,(4)步长,(5)是髋关节转动角度,(6)步角,(7)是膝关节转动角度。腿设计参数(1)髋关节弥补差距毫米,(2)小腿长度毫米,(3)大腿长度毫米,(4)步长毫米。

所需的腿机制实现图描述的运动5需要以下结构标准(15]:首先假设的起点和;因此,如果联合右移,然后脚倾向于沿着一个圆的中心和半径是。如果点在水平方向上保持统一的运动,然后小腿之间的十字路口平的虚线图5还维护稳定的水平速度。因此,如果髋关节角和膝盖的加入使脚结束搬到这个交点,那么它满足需求(2)和(3)前面提到的部分3.1。接下来,将联合迅速向左,确保位移等于过去过程但旅行时间只是它然后使脚的1/3沿着弯曲的虚线图5。

3.3。联合参数和传动原理

如图6,为了满足四足机器人行走的要求,当凸轮驱动机器人的腿在空中阶段,只需要控制脚的位置。在支持阶段,然而,三个角之间的关系,,应该明确定义和控制。

的参数应该满足以下约束(15]: 在哪里是相同的步长,在图中定义5。之间的关系和涉及到的逆运动学解平面两个柱联系和。通过分析平面几何,给出了连杆的运动功能 可以从余弦定律获得以下关系: 从正弦定理给出如下: 平面连杆机构运动学的逆解函数推导和当是给定的。有可能得出 在哪里 根据实际情况的四足动物,小腿和大腿保持在一条直线或小腿膝盖后面。然而,由于来自一个理想的理论情况不考虑这方面,(5)可以简化为 因此, 从 以下可以推导出: 因此, 方程(1),(8)和(11)形式函数之间的关系,,。在挂阶段,控制,,,只需要知道几个点坐标。本文选择一些关键点控制的目的,如图7,每个采样点是通过总相角平分挂的阶段。

由当前的技术,使用电气、液压、或纯机械传动可以实现控制的方法,,。为了降低成本和控制的复杂性,本文采用4组凸轮控制3联合参数对每个4条腿,完全12个参数,可使四足机器人稳定步行的地形。

4所示。四足机器人的凸轮驱动和控制机制

4.1。髋关节凸轮运动学的原则

髋关节的运动原理凸轮驱动控制参数如图8。

髋关节的凸轮运动部分是受以下运动定律: 在这篇文章中,在那里之间的垂直距离是点和,是一个可移动的轴心点,是一个固定的轴心点。的初始值是,在挂阶段,值在图7。因此,凸轮轮廓曲线上的点的坐标可以写成 在哪里是髋关节的推进距离凸轮从动件和凸轮轴的转动角度。

方程(13只能提供髋关节凸轮的理论轮廓曲线。实际轮廓曲线的内部信封一系列圆,中心的理论轮廓曲线上的点,和半径是滚动轮的半径。C编程用于样品50分同样的整个圆周凸轮,然后这些点顺利连接到产生一个近似凸轮模型。

4.2。主凸轮运动学的原则

主凸轮控制参数的原则是使用活动关节的运动吗沿着呈现在图5管理的追随者。凸轮结构控制如图9。

主要的行程长度凸轮图所示10。

在图10,追随者的总和是中风和凸轮基板的半径,当追随者在接近休止角时的转折点。和是中风和追随者的半径凸轮从动件时底座休止角。在这篇文章中,和。主凸轮从动件运动周期的原理图呈现在图11。

在图11,凸轮轴旋转的弧度角吗和。假设是中风的主要凸轮从动件,分为三个部分对应,,。如果凸轮从动件中风对应部分,,是,,分别,那么下面的方程可以得到: 因此,凸轮轮廓曲线上的点的坐标可以表示为 类似的(15)只能给主凸轮的理论轮廓曲线,和C编程被用来产生一个安装凸轮模型。

4.3。膝关节凸轮运动学的原则

膝关节凸轮控制参数的原则图中给出了12,膝关节凸轮从动件遵循以下关系: 导致 的凸轮轮廓曲线上的点的坐标可以写成 在哪里值在支持阶段是由(11)。为了验证三个关节正确显示,中风的一些要点可以使用如图13。

5。四足机器人的设计机制

虚拟系统设计软件Pro / E,利用模型的整体三维结构一步机制的凸轮驱动四足机器人,如图14。

系统在不同的组件组装和集成制造。组装的一个实际例子如图四足机器人15。

6。实验

四足机器人原型建造了一个控制器,可以执行测试行走。如图16,控制系统采用80 c51单片机、DAC0832单元模拟信号传输数字控制命令,和PWN放大器驱动伺服电动机。自从腿都是由伺服电动机通过凸轮驱动机制,只需要一个伺服电动机,它支配着腿步电动机转速。

为了评估测试行走,力测量装置也发达,它包含一个力传感器在每个脚的底部,ADC0809单元传输模拟力信号到数字数据所需的80 c51单片机和记录数据发送到远程PC通过MAX232接口。四条腿和传感器编号(1)-(4)如图17,这是符合四足机器人步骤序列如前所述。

每只脚的支持力量被记录1千赫采样率,然后平均每20样品消除瞬态干扰。一些测试结果对机器人行走的速度每秒两个步骤如图所示17,工作周期序列的一步是0.75;即,当一条腿抬离地面,所有其他的三条腿是在支持阶段。腿都由一个伺服电动机和一组机械联系,他们似乎撞到地面,地面在一个刚性的方式;有明显的力量支持阶段和挂阶段之间的区别。

如图18,力测量每只脚的底部是零在挂阶段和重量是大约三分之一的系统支持阶段。每条腿力的时间序列表明步行步以协调的方式。这是确保每条腿由固体力学之间的联系,因此它是一个比使用个人目标更容易实现伺服电机每条腿关节。

系统的一个限制是,占空比是固定在0.75;因此,它不太适合快速运行,在这种情况下,挂阶段可能涉及两条腿抬的地面在同一时间。然而,这种设计并展示一个简单的和稳定可靠的解决方案来执行四条腿行走步平坦地形上使用低得多的成本,它可能适用于一些应用,如家庭机器人或教育设备。

7所示。结论

本研究重点是四足机器人的行走机构设计,它涵盖了以下方面的研究:(我)引入四足机器人行走的基本概念和分析典型四足步行特征、运动学骨结构和步骤序列;(2)调查四足机器人行走机构的机械理论并选择所需的控制参数;(3)调查四足机器人行走机构的运动学原理和使用髋关节凸轮,膝关节凸轮,凸轮和主要控制站控制参数;(iv)建立四足机器人行走机构的三维模型,开发一个原型机,最初测试行走性能,并改善系统设计;(v)执行步行测试使用原型机和分析力的特征。凸轮驱动仿生四足机器人的研究是一个长期研究项目,需要一些理论突破和实践问题在现实中更好的处理。在后来的研究中,应更多的关注机械部件的最优布局设计,更好的稳定系统的重心速度行走,以及动力学仿真系统的使用虚拟MSC.ADAMS系统仿真软件。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是在山东省自然科学基金的支持下,中国(赠款ZR2011EL038号和ZR2012CQ026),和一个项目山东省高等教育科技计划(资助nos J11LD16和J12LB63)。

引用

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