新型四足步行机器人的腿机构设计

机械设计与制造

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文章编号：１００１—３９９７（２０１０）０３－００３８—０３

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第３期２０１０年３月

新型四足步行机器人的腿机构设计

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（，山东工业职业学院机电工程系，淄博２５６４１４）（：山东科技大学机械电子工程学院，青岛２６６５１０）

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【摘要】结合隧部机构的典型姿态，规划了四足机器人的合理步态。依据设计参数，运用三维模型；

；软件ｕＧ建立了四足机器人的三维实体模型，导入ＡＤＡＭＳ中添加约束和动力，进行运动仿真。仿真试验｛

：结果表明机构运动中腿部所受冲击力过大，因此进行机构方案改进，重新设计了小腿机构。改进的机构试？ｉ验表明，四足机器人的腿部受力明显得到了改善，从而机构的设计得到了优化。

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关键词：四足步行机器人；虚拟仿真；腿机构设计

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中图分类号：ＴＨｌ２，ＴＰ２４文献标识码：Ａ

１箭言

四足步行机器人要在复杂的自然环境下完成作业任务，不仅倾角刚度在车轮上跳过程中均有提高，如图６所示。使悬架刚度和侧倾角刚度的降低趋势有所改善。

３．Ｏ２．５

需要在平整地面快速稳定行走，而且需要具备自主完成跨越各种障碍的能力。为此，四足步行机器人的机械本体结构直接影响着

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图５外倾角优化前后对比曲线

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５结论

（１）运用ＡＤＡＭ姚ＡＲ对某微型客车的麦弗逊式前悬架进行

了多体动力学建模和仿真，并考虑了弹簧、减震器、橡胶衬套的物理特性，得出了前轮主要定位参数、悬架刚度、侧倾角刚度的运动学和动力学规律。

（２）利用ＡＤＡＭｓ／Ｉｎｓｉ小ｔ试验发现：通过合理调节下摆臂与车体联接点的ｚ方向坐标和转向拉杆与转向器联接点的彳方向坐标值，可以有效改善各项不合理参数，达到优化设计的目的。

（３）通过虚拟样机试验和优化设计的方法，可以有效的对汽车产品的开发设计进行性能的检验，并提出有效的优化结果指导设计，可以大大缩短产品的开发周期。

轮跳距离（∞）

图６悬架刚度优化前后对比曲线

参考文献

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万方数据　

第３期

卢坤媛等：新型四足步行机器人的腿机构设计

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步行机器人的实用化，是影响步行机器人应用与发展的关键技术之一。基于虚拟样机技术对四足步行机器人模型进行了模拟仿真，观察机器人的仿真结果，找出设计不足，最终修改和优化了设计方案。

２四足步行机器人腿部机构设计

２．１典型腿部机构

四足步行机器人机械本体的设计中腿部机构设计是关键，设计合理可以减少摩擦，提高运动速度、运行效率以及支撑能力。在腿部机构形式主要有缩放型机构、四连杆机构、并联机构、平行杆机构、多关节串联机构和摆动缩放机构。空间缩放机构，如图ｌ所示。

具有３个自由度，可用作全方位空间多足步行机器人腿机构。该机构在运动主平面内具有解耦性、易于控制、具有较高的能效性等优点，因而被广泛用作步行机器人腿机构，如图２所示。

图ｌ偏置式圆柱空间缩放机构

图２并联机构腿模型

并联机构是一种并行三连杆机构棚，它由３个驱动器直接驱动机器人腿的３个自由度（大腿、小腿的抬放和侧向转动）。该机构可以实现全方位运动，但因为每条腿上有三个自由度，需要三个驱动器分别直接驱动，控制系统较为复杂。另外，华中科技大学设计了一种含有弹性元件的缓冲型虚拟弹簧腿，如图３所示。

利用弹簧把刚性连接变为柔性连接，减缓机器人在动态行走时的冲击以及由此产生的振动，可以实现机器人行走的稳定性和高效性。

２１２新型腿部机构设计

腿机构的可控自由度越多，它的灵活性越好，但每一个可控自由度要配备—个驱动电机和—套传动机构，所以每增加—个自由度其重量相应要增加许多，控制也越麻烦。因此，步行腿机构的自由度在满足运动条件前提下，越少越好。

一般情况下，对于平面机构的腿在平面内能实现变步态步行最少需要两个自由度，这时只能作不改变方向的直线运动。如腿实现固定步态步行，也可采用—个自由度。基于此，并结合上面的典型腿部机构分析，作者提出了一种基于被动式的四足步行机器人机构设计。该机器人腿部应用单自由度多连杆机构，如图４所示。

每条腿用—个直流伺服电机驱动，用５ｌ系列单片机产生电机的控制信号来进行控制转速。陆柄杆Ａ８为主动件，丑、ｃ点固定在机体上，除去主动件和机架该机构即为斯蒂芬森型六杆运动链，可进一步分为丽个曲柄摇杆机构（Ａ占ｃＤ、Ａ曰ＣＧ）和一个平行

四杆机构（ＣＥ彤）。

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图３缓冲腿机构

图４被动式腿单体机构简图

构存在急回运动，行程速度变化系数Ｋ＝器，即Ｄ、Ｇ点

在曲柄摇杆机构Ａ口ＣＤ、ＡＢｃＧ中，极位夹角为２００，所以机

的空回行程平均速度是工作行程平均速度的１．２５倍。在曲柄杆

的带动下，支撑脚可实现的运动轨迹，如图５所示。

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图５支撑脚的运动轨迹

Ａ曰ｃＤ为工作行程，Ｄ肼Ｈ为空回行程，该机构较好的利用

了曲柄摇杆机构的急回特性，实现了支撑脚的快速平稳运动。

在连杆机构中，传动角的大小及其变化情况在很大程度上影响了机构传力性能的好坏。通过分析该机构最小传动角出现的位置情况，解得最小传动角为：

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保障了机构的传力性能良好，进而说明了该机构的设计合理性。

３四足机器人虚拟样机的建立

３．１步态分析

对于足式机器人来说，其稳定性主要取决于步态。四足动物存在多种步态，而目前比较常见的步态主要有爬行、对角小跑、溜蹄、跳跃、定点旋转、转向等。该机器人采用的步态规划，如图６所示。

图６四足机器人步态图解

开始时机体处于站立状态，中心位于前后腿连线的交点，接着处于对角线上的前腿２和后腿４向前摆动，前腿１和后腿３起到支撑作用，机器人重心位于腿ｌ、３连线上，摆动腿２、４向前跨步的同时腿ｌ、３驱动相应关节，使机体向前移动，造成模型重心前倾，恰好使重心在１、３的对角线稳定区域内。在机体移动到位时，摆动腿２和４立即放下，四腿着地，保持平衡站立状态。接着，原支撑腿１、３抬起并向前跨步，腿２、４呈支撑相。支撑腿２、４驱

Ｎｏ．３

机械设计与制造

Ｍａｒ．２０１０

动各关节使机体前移，并且模型重心开始前倾，恰好使重心在支撑腿２和４的对角线稳定区域内。接着２、４立即放下，四腿着地，保持平衡状态，这样完成整个步行周期动作。

３－２建三维模型

依据设计参数，如表ｌ所示。利用ＵＧ建它四足机器人的各个部件的实体模型，并根据系统中各个部件的相对位置关系，组装成四足机器人机械结构的装配体，如图７所示。为了提高模型在ＡＤＡＭＳ中的仿真速度，在ｕＧ中将无相对运动的零件的三维实体模型运用布尔运算将其合并成—个实体模型。

表１四足机器人样机参数

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图７四足机器人模型

３．３虚拟样机的建立

采用踟啪ｏｌｉｄ格式文件将ｕＧ中的三维实体模型导入

ＡＤＡＭｓ中。依此给各个零件加入材料密度、重心或转动惯量的物理参数。根据机器人的实际运动情况，在腿和本体、各连杆之间分别添加旋转副约束，在主动曲柄杆和机体的旋转副中添加ｓｔｅｐ阶跃驱动函数，并且在各腿和地面之间利用实体和实体接触形式创建四个接触。

３．４仿真分析和结构改进

多次仿真证明机器人无运动干涉，可按给定运动规律前行，机器人质心按一定的规律产生上下波动，基本趋于稳定，如图８所示。

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图８四足机器人质心上下波动状态

但是可以看到，机器人支撑脚在前进过程中受到了较大的冲击力，如图９所示。这对机械结构和机体上安装的仪器将带来极大的破坏，同时也增加了机体的不稳定性。因此有必要对腿部结

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方数据构进行修改：首先增加踝关节，在支撑脚和小腿之间增加弹性装置；将支撑脚改成仿人足的形状，且在足底采用橡胶结构，以减少冲击力。改后结构，如图１０所示。采用新机构后，腿部冲击力取得了明显的改善，如图１１所示。

图９腿机构受力图（机构改进前）

图ｌＯ腿机构改进后结构图

时间（ｓ）

图１ｌ腿机构受力图（机构改进后）

４结论

从节省能量的角度出发，作者设计了一种新型的基于被动式的四足步行机器人结构，采用ＡＤＡＭｓ建立步行机器人的运动学模型，通过仿真分析需要改进结构方案，重新设计小腿部结构。改后机构的仿真结果表明，新结构明显的减小了机器人运动中所受的冲击力。同时所得的曲线与数据可以为关节驱动电机和减速器的选型提供依据，并可据此分析结果进行动力学优化。利用虚拟

样机技术发现了四足机器人在结构设计方面的不足，提出优良设计方案，进而优化了机构。

参考文献

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新型四足步行机器人的腿机构设计

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

卢坤媛， 王吉岱， 李庆， 雷云云， LU Kun-yuan， WANG Ji-dai， LI Qing， LEI Yun-yun

卢坤媛,LU Kun-yuan(山东工业职业学院,机电工程系,淄博,256414)， 王吉岱,李庆,雷云云,WANG Ji-dai,LI Qing,LEI Yun-yun(山东科技大学,机械电子工程学院,青岛,266510)机械设计与制造

MACHINERY DESIGN & MANUFACTURE2010(3)

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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jxsjyzz201003017.aspx