四足機(jī)器人步幅、步頻與扭矩和能耗關(guān)系研究*

李 軍，苗新聰，張曉宇

(西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，西安 710072)

四足機(jī)器人步幅、步頻與扭矩和能耗關(guān)系研究*

李 軍，苗新聰，張曉宇

(西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，西安 710072)

步頻與步幅是影響四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度的主要因素，針對(duì)不同步頻與步幅的耦合狀態(tài)，分別研究了步頻與步幅獨(dú)立變化對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)扭矩與能耗的影響，并對(duì)多種步幅下步頻變化引起速度增加對(duì)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的影響進(jìn)行了分析與比較。得出能耗對(duì)步頻參數(shù)的提高更為敏感，關(guān)節(jié)扭矩與步幅參數(shù)的變化有直接的關(guān)系，同時(shí)肘式關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)中所需提供的驅(qū)動(dòng)力矩要小于膝式關(guān)節(jié)，最后給出了不同參考標(biāo)準(zhǔn)下步頻與步幅的優(yōu)化耦合范圍，結(jié)論能夠作為四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)優(yōu)化的參考。

四足機(jī)器人;步頻;步幅;能耗

0 引言

動(dòng)物的步行調(diào)節(jié)主要通過(guò)改變步頻和步幅來(lái)實(shí)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)包括人在內(nèi)的多類動(dòng)物在運(yùn)動(dòng)中步頻和步幅的變化與優(yōu)化關(guān)系進(jìn)行了大量的研究。對(duì)于生物來(lái)講，步頻更多地是與神經(jīng)過(guò)程的靈活性和快肌纖維的含量有關(guān)，而步幅更多地是受關(guān)節(jié)屈伸幅度的限制。過(guò)于提高步頻會(huì)造成肌肉的疲勞，過(guò)于增大步幅會(huì)使肌肉組織的負(fù)荷加重，同時(shí)上述參數(shù)的變化還會(huì)影響到能量的消耗，因此針對(duì)特定的運(yùn)動(dòng)速度，在一定程度上均有一個(gè)最佳步頻與步幅的耦合范圍［1-4］。此外步頻步幅的提高均能使速度得到增加，步幅的增加與步頻的增加都會(huì)造成關(guān)節(jié)扭矩于地面接觸力的增大［5］，有研究表明從多種參數(shù)的優(yōu)化關(guān)系來(lái)看，步幅的增加更優(yōu)于步頻的增加［6］。

對(duì)于以電機(jī)驅(qū)動(dòng)的四足步行機(jī)器人，設(shè)計(jì)成型后其關(guān)節(jié)輸出力與輸出速度取決于驅(qū)動(dòng)器的特性參數(shù)，其中機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步頻取決于驅(qū)動(dòng)器的輸出速度，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步幅取決于機(jī)器人的關(guān)節(jié)自由度范圍，在運(yùn)動(dòng)速度調(diào)整的過(guò)程中，只要驅(qū)動(dòng)器所需提供的驅(qū)動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)速度在特性曲線包絡(luò)的范圍內(nèi)，機(jī)器人就能按照設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)可靠的步行運(yùn)動(dòng)。而生物肌肉為一種串并聯(lián)彈性系統(tǒng)，其輸出特性與電機(jī)輸出特性不同，同時(shí)其具有疲勞效應(yīng)，此外機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上是經(jīng)過(guò)了仿生的簡(jiǎn)化，且多為剛性環(huán)節(jié)聯(lián)接缺少?gòu)椥跃彌_，與生物的柔性結(jié)構(gòu)也有較大不同。因此機(jī)器人的步頻步幅等參數(shù)變化對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力輸出與能耗的影響關(guān)系與生物參數(shù)不會(huì)完全相同。目前四足機(jī)器人領(lǐng)域中研究步頻步幅對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)影響的文獻(xiàn)仍較少，曾有日本學(xué)者在研究地面摩擦、運(yùn)動(dòng)速度與能耗的關(guān)系中，提到了運(yùn)動(dòng)速度與能量消耗的問(wèn)題，但是仍沒(méi)有對(duì)影響運(yùn)動(dòng)速度的步頻與步幅與能耗關(guān)系進(jìn)行更深入的討論［7］，因此本文將進(jìn)一步對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù)最佳耦合范圍進(jìn)行研究，分析運(yùn)動(dòng)中步頻、步幅改變對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、關(guān)節(jié)扭矩以及能量消耗等參數(shù)的影響，用于機(jī)器人的優(yōu)化運(yùn)動(dòng)控制。

本文分別研究四足機(jī)器人對(duì)角步態(tài)固定步頻下步幅逐步加長(zhǎng)以及固定步幅(小、中、大三種)下步頻逐步提高對(duì)步行速度、驅(qū)動(dòng)力矩，能耗等參數(shù)的影響，并進(jìn)一步做出比較，以得出機(jī)器人最佳的步幅、步頻取值范圍與耦合關(guān)系。

1 樣機(jī)介紹

所設(shè)計(jì)的四足機(jī)器人幾何關(guān)系參數(shù)如圖1所示，整體具有12個(gè)自由度，為膝肘式全對(duì)稱結(jié)構(gòu)。其中4個(gè)髖關(guān)節(jié)可實(shí)現(xiàn)大腿相對(duì)于機(jī)身外擺/內(nèi)收與前后撥動(dòng)兩個(gè)自由度，膝、肘關(guān)節(jié)可實(shí)現(xiàn)小腿相對(duì)于大腿的轉(zhuǎn)動(dòng)。四足機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)6個(gè)自由度的全方位運(yùn)動(dòng)。

圖1 自由度與結(jié)構(gòu)形式

定義機(jī)身長(zhǎng)度(髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸縱向位置關(guān)系)為L(zhǎng)，寬度(髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸橫向位置關(guān)系)為W，髖部長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，大腿長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，小腿長(zhǎng)度為L(zhǎng)3，His表示初始狀態(tài)機(jī)身高度。表1為初始狀態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)值列表，表2位動(dòng)力學(xué)參數(shù)值列表。

表1 四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)表

表2 四足機(jī)器人動(dòng)力學(xué)參數(shù)表

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)際機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中，關(guān)節(jié)扭矩與能耗難以有效測(cè)量，對(duì)地面反沖擊力與摩擦狀況建模也較為復(fù)雜，因此本文采用仿真的方法進(jìn)行研究，采用Adams與Matlab聯(lián)合仿真的方式進(jìn)行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)仿真以及相關(guān)參數(shù)的測(cè)定。在Simulink環(huán)境下進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，將步長(zhǎng)L與步頻f進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，根據(jù)對(duì)角步態(tài)的多關(guān)節(jié)耦合關(guān)系進(jìn)行相位與相序的調(diào)制，依托Adams動(dòng)力學(xué)模塊進(jìn)行交互式仿真。仿真交互示意如圖2所示。

圖2 聯(lián)合仿真環(huán)境示意圖

為研究采用不同步頻、步幅對(duì)關(guān)節(jié)扭矩、能量消耗等參數(shù)的影響，本文以速度作為比較指標(biāo)，將步頻與步幅折算為速度，以速度為基準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的比較。其中縱向比較單一步頻或步幅提高而另一值保持不變的情況下，引起的速度提升對(duì)關(guān)節(jié)扭矩與能耗等參數(shù)的影響。橫向比較不同步頻或步幅下，其中一值變化引起速度提升對(duì)關(guān)節(jié)扭矩與能耗等參數(shù)的影響。由于四足機(jī)器人步長(zhǎng)變化范圍要大于步頻變化范圍，因此本文特別地對(duì)小步幅、中步幅、大步幅三種特定情況下，步頻提高造成速度增加對(duì)關(guān)節(jié)扭矩與能耗等參數(shù)的影響進(jìn)行橫向比較。

3 步行規(guī)劃設(shè)計(jì)

由于四足動(dòng)物在對(duì)角步行中運(yùn)動(dòng)速度基本保持恒定，且身體高度基本固定，因此設(shè)計(jì)機(jī)器人在步行時(shí)以恒定的速度V前進(jìn)，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示，以右前足為設(shè)計(jì)對(duì)象，設(shè)計(jì)其足點(diǎn)軌跡線由上半橢圓與直線構(gòu)成，且在兩端采用圓弧過(guò)渡，以使機(jī)器人的步行軌跡具有柔滑性。機(jī)器人整體運(yùn)動(dòng)均依照此軌跡按照對(duì)角步態(tài)相序相位進(jìn)行協(xié)調(diào)。

設(shè)計(jì)步頻f(周期T)，機(jī)身高度H，步高H1，過(guò)渡圓弧半徑r、步幅L可調(diào)，由于本文主要研究步頻與步幅的關(guān)系，因此在軌跡規(guī)劃中對(duì)其余參數(shù)采用固定值，初始狀態(tài)下足點(diǎn)位置處于髖關(guān)節(jié)點(diǎn)的正下方，且步幅相對(duì)于初始狀態(tài)點(diǎn)前后對(duì)稱，其中支撐相與擺動(dòng)相時(shí)間各占0.5T。

4 仿真試驗(yàn)與分析

在Adams與Matlab環(huán)境下進(jìn)行四足機(jī)器人交互式運(yùn)動(dòng)仿真，設(shè)計(jì)Adams環(huán)境下四足機(jī)器人與地面的接觸參數(shù)如表3所示，采用固定步長(zhǎng)求解器，定義仿真步長(zhǎng)0.002s，仿真交互時(shí)間間隔為0.002s，設(shè)計(jì)四足機(jī)器人僅作直線步行運(yùn)動(dòng)，并設(shè)置傳感器:當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)距離達(dá)到1m時(shí)，停止仿真。

圖3 右前足行走足軌跡規(guī)劃模型

設(shè)計(jì)機(jī)器人初始運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)0.03m，同時(shí)為保證機(jī)器人動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，設(shè)計(jì)最小初始步頻為1.667Hz(周期T=0.6s)。研究步長(zhǎng)和步頻分別提高的狀態(tài)下所引起的速度增加對(duì)關(guān)節(jié)扭矩、能量消耗的影響。同時(shí)，為保證多組數(shù)據(jù)有共同的比較標(biāo)準(zhǔn)，將運(yùn)動(dòng)速度限制在6m/min～19m/min之間。由于機(jī)器人設(shè)計(jì)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)減速后，電機(jī)的持續(xù)輸出力矩為10Nm，最大堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為75Nm，最大輸出速度為90rpm，將此參數(shù)作為機(jī)器人能否可靠實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。由于機(jī)器人采用對(duì)稱方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，因此僅研究一組對(duì)角腿的扭矩與功耗即可反映機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，本文選取右前腿與左后腿作為研究對(duì)象，其中每條腿包含兩個(gè)關(guān)節(jié)，其中右前小腿關(guān)節(jié)為肘關(guān)節(jié)，左后小腿關(guān)節(jié)為膝關(guān)節(jié)。

設(shè)計(jì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)環(huán)境為平整地面，機(jī)器人機(jī)身高度為初始狀態(tài)，步高為0.03m，仿真第一個(gè)周期為初始狀態(tài)準(zhǔn)備，機(jī)器人不運(yùn)動(dòng)，第二個(gè)周期與第三個(gè)周期為步態(tài)調(diào)整期，機(jī)器人做原地踏步運(yùn)動(dòng)，第四個(gè)周期開(kāi)始機(jī)器人按照對(duì)角步態(tài)步行規(guī)劃開(kāi)始直線前進(jìn)。仿真試驗(yàn)環(huán)境如圖4所示。

表3 Adams接觸參數(shù)表

圖4 四足機(jī)器人仿真環(huán)境

4.1 步頻固定步幅提高

設(shè)定四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步頻1.667Hz(對(duì)應(yīng)步行周期T為0.6S)不變，步幅由0.03m逐步增加到0.095m(平均分布14個(gè)節(jié)點(diǎn))，對(duì)應(yīng)速度從6m/min提高到19m/min。對(duì)應(yīng)所需研究的參數(shù)，將節(jié)點(diǎn)值用spline線進(jìn)行連接。圖5為該步頻下，單獨(dú)提高步幅對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響趨勢(shì)。a圖為所研究的一組對(duì)角腿系在支撐相階段穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)所需扭矩的最大值變化趨勢(shì);b圖為腿系進(jìn)入支撐相瞬間，足點(diǎn)受地面沖擊力作用，引起驅(qū)動(dòng)器的瞬間輸出，其最大允許值為驅(qū)動(dòng)器末端的堵轉(zhuǎn)輸出;c圖為所研究的一組對(duì)角腿系四個(gè)關(guān)節(jié)在1m的運(yùn)動(dòng)間隔內(nèi)所消耗的功與功之和。

圖5 步頻固定步幅提高對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響

由上圖可以看出隨著步幅的增加，關(guān)節(jié)扭矩與功耗都在增加，由于驅(qū)動(dòng)器輸出極限參數(shù)的限制，在步長(zhǎng)為0.095m處，最大持續(xù)關(guān)節(jié)扭矩輸出值與抗沖擊力瞬間爆發(fā)值均已達(dá)到最大要求，此種情況下其允許極限速度是19m/min。其中功耗在后期有一定的波動(dòng)跟機(jī)器人步行周期相關(guān)，研究表明功率的提升主要是在對(duì)抗沖擊力方面，因此在1m距離限制內(nèi)，步行終止時(shí)間在支撐相0時(shí)刻的前后能夠造成功耗的較大不同，同時(shí)步行速度的提高引起地面接觸情況變化，會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)功率輸出的改變，但整體上各參數(shù)均呈上升的趨勢(shì)。

從a圖和b圖可以看出在步幅增大到一定程度后(s=0.08m)，髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)輸出力矩會(huì)以較大的幅度增加，這與落足點(diǎn)位置以及地面沖擊力大小和方向相關(guān)，因此在這種情況下，隨著步長(zhǎng)的再度提高，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效果會(huì)變差。

4.2 步幅固定步頻提高

分別研究步幅為0.03m、0.05m、0.07m情況下，步頻從穩(wěn)定步頻1.667Hz逐步提高，研究速度提高所引起的扭矩與能耗的變化。

4.2.1 小步幅情況

設(shè)定四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步幅0.03m，步頻由1.667Hz增大到5Hz(對(duì)應(yīng)步行周期T變化為0.6S～0.2S)(分布9個(gè)節(jié)點(diǎn))，對(duì)應(yīng)速度從6m/min提高到18m/min。對(duì)應(yīng)所需研究的參數(shù)，將節(jié)點(diǎn)值用spline線進(jìn)行連接。圖6為該步幅下，單獨(dú)提高步頻對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響趨勢(shì)。a、b、c圖描述與前述相同。

圖6 步幅固定步頻提高對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響

由上圖可以看出隨著步頻的增加，運(yùn)動(dòng)中的穩(wěn)態(tài)最大持續(xù)關(guān)節(jié)扭矩增加幅度較平緩，但是在步頻提高至2.8Hz以后，驅(qū)動(dòng)抵抗沖擊力的瞬間爆發(fā)值以較大幅度提高，步頻提高至3Hz時(shí)已經(jīng)難以滿足所需提供的瞬間輸出力矩。同時(shí)能量消耗也以較大的幅度提高，相對(duì)于單獨(dú)提高步幅，折算為相同的運(yùn)動(dòng)速度比較，其能耗相差2倍，因此可以看出，小步幅下單純的步頻提高對(duì)沖擊扭矩與能耗影響較大，可以得出小步幅下的高步頻，增加了腿系的往復(fù)擺動(dòng)次數(shù)，受系統(tǒng)慣量的影響，過(guò)多的擺動(dòng)動(dòng)作增加了能量的消耗，同時(shí)步頻提高也使足點(diǎn)與地面的接觸狀態(tài)變得更惡劣。此種情況下其允許極限速度是10.3m/min。

4.2.2 中步幅情況

設(shè)定四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步幅0.05m，步頻由1.667Hz增大到3.13Hz(對(duì)應(yīng)步行周期T變化為0.6S～0.32S)(分布8個(gè)節(jié)點(diǎn))，對(duì)應(yīng)速度從10m/min提高到18.75m/min。對(duì)應(yīng)所需研究的參數(shù)，將節(jié)點(diǎn)值用spline線進(jìn)行連接。圖7為該步幅下，單獨(dú)提高步頻對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響趨勢(shì)。a、b、c圖描述與前述相同。

圖7 步幅固定步頻提高對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響

由上圖可以看出隨著步頻的增加，運(yùn)動(dòng)中的穩(wěn)態(tài)最大持續(xù)關(guān)節(jié)扭矩增加幅度較平緩，在步頻提高至2.8Hz以后，驅(qū)動(dòng)抵抗沖擊力的瞬間爆發(fā)值以較大幅度提高，步頻提高至2.92Hz時(shí)已經(jīng)難以滿足所需提供的瞬間輸出力矩，同時(shí)能量消耗也以較大的幅度提高，，此種情況下其允許極限速度是17.2m/min，相對(duì)于單獨(dú)提高步幅，折算為相同的運(yùn)動(dòng)速度比較，其能耗基本相同，但是穩(wěn)態(tài)最大持續(xù)關(guān)節(jié)扭矩要稍小一些?？梢缘贸鲋胁椒碌倪^(guò)高步頻，同樣會(huì)使運(yùn)動(dòng)質(zhì)量變壞。

在此種情況下有一個(gè)特殊現(xiàn)象，即是右前腿肘關(guān)節(jié)的最大持續(xù)關(guān)節(jié)扭矩輸出值隨著速度的提高其輸出值呈下降趨勢(shì)，其參數(shù)值也要遠(yuǎn)小于其與機(jī)體各關(guān)節(jié)的值，這是由地面摩擦力、支持力與小腿的位姿特征決定的，從一個(gè)側(cè)面說(shuō)明采用肘式關(guān)節(jié)的機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中所需提供的扭矩較小，肘關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)器選取可以采用較小的功率參數(shù)。

4.2.3 大步幅情況

設(shè)定四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步幅0.07m，步頻由1.667Hz增大到2.174Hz(對(duì)應(yīng)步行周期T變化為0.6S～0.46S)(分布5個(gè)節(jié)點(diǎn))，對(duì)應(yīng)速度從14m/min提高到18.26m/min。對(duì)應(yīng)所需研究的參數(shù)，將節(jié)點(diǎn)值用spline線進(jìn)行連接。圖8為該步幅下，單獨(dú)提高步頻對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響趨勢(shì)。a、b、c圖描述與前述相同。

圖8 步幅固定步頻提高對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響

由上圖可以看出隨著步頻的增加，運(yùn)動(dòng)中的穩(wěn)態(tài)最大持續(xù)關(guān)節(jié)扭矩增加幅度較平緩，而驅(qū)動(dòng)抵抗沖擊力的瞬間爆發(fā)值提升幅度較大，到1.86Hz就已經(jīng)超過(guò)了允許范圍，此種情況下其允許極限速度是15.6m/min。相對(duì)于單獨(dú)提高步幅，折算為相同的運(yùn)動(dòng)速度比較，其能耗基本相同，穩(wěn)態(tài)最大持續(xù)關(guān)節(jié)扭矩也基本相同?？梢缘贸龃蟛椒逻\(yùn)動(dòng)質(zhì)量對(duì)步頻更為敏感，小幅度地增大步頻就會(huì)加劇運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致足點(diǎn)與地面的接觸狀態(tài)變得更惡劣，增大抗沖擊扭矩。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)以上參數(shù)的圖示與分析，可以得出以下結(jié)論。

(1)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中，單獨(dú)提高步頻比單獨(dú)增大步長(zhǎng)使速度提升造成的能量消耗更多，證明多數(shù)的能量消耗在擺動(dòng)相以及抵抗地面沖擊力上。腿系往復(fù)頻率較大的情況下，增大了足點(diǎn)與地面的接觸次數(shù)，同時(shí)腿系的慣量也是高頻擺動(dòng)下的扭矩輸出增大的一個(gè)影響因素。

(2)運(yùn)動(dòng)步頻過(guò)大會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向惡劣的方向發(fā)展，使機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輸出力矩過(guò)快增長(zhǎng)，能耗加大。

(3)對(duì)于膝肘式結(jié)構(gòu)的四足機(jī)器人，在直線水平運(yùn)動(dòng)中其肘關(guān)節(jié)處所需提供的穩(wěn)態(tài)最大持續(xù)扭矩要小于膝式關(guān)節(jié)所需提供的扭矩，在某些特殊情況下，地面摩擦力與支持力的耦合作用下，隨著速度增大其所需提供的扭矩有變小的趨勢(shì)。而膝式關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)中因位姿約束，在一定階段內(nèi)所需的瞬間抗沖擊輸出扭矩較小。因此在機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)情況合理設(shè)計(jì)構(gòu)型形式。

(4)較大的步幅與較小的步幅對(duì)機(jī)器人的最大允許速度有一定的限制，在橫向比較中，受驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出特性的影響，中等步幅能夠在耦合適宜的步頻時(shí)達(dá)到較高的運(yùn)動(dòng)速度，大步幅下則能夠?qū)崿F(xiàn)較低的能量消耗，最差的運(yùn)動(dòng)效果是小步幅高步頻。

(5)縱向比較來(lái)看，大步幅(受機(jī)器人自由度限制)與低步頻(須保證一定的穩(wěn)定性)耦合能夠?qū)崿F(xiàn)較高的運(yùn)動(dòng)速度與較小的能量消耗，從另一個(gè)側(cè)面反映運(yùn)動(dòng)質(zhì)量對(duì)步頻較為敏感，因此如果僅考慮驅(qū)動(dòng)器輸出能力(低功率密度驅(qū)動(dòng))，應(yīng)選取中步幅與中步頻耦合，如果僅考慮系統(tǒng)能耗(高功率密度驅(qū)動(dòng))，則采用大步幅與低步頻耦合。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)比較與分析步頻與步幅增加引起速度提高對(duì)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)扭矩與能耗的影響狀態(tài)，得出不同評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下的參數(shù)優(yōu)化耦合關(guān)系，為四足機(jī)器人設(shè)計(jì)與優(yōu)化控制提供了參考依據(jù)。

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The Research on Effect of Stride Frequency and Stride Length on Joint Torque and Energy Cost in Trotting of Quadruped Robot

LI Jun，MIAO Xin-cong，ZHANG Xiao-yu
(School of Eectromechanics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China)

Stride frequency and stride length are main elements affecting the speed of quadruped robot.In this paper，we study the effect of these two independent variables on the joint torque and energy consumption according to the coupling between them.Furthermore，we analyze and compare the effect of the increase of the speed，which is caused by the frequency with multiple stride lengths，on the locomotion behavior.From the simulation results，we observe that the energy consumption is more sensitive to the increase of the frequency，the joint torque is directly related to the change of stride length，and the driving torque required by the elbow-styled joint is less than that by the knee-styled joint.In addition，we figure out the optimal range of coupling between stride frequency and stride length based on various frame of references.This research might benefit to the structure design and motion optimization of quadruped robots.

quadruped robot;stride frequency;stride length;energy cost

TP242

A

1001-2265(2012)12-0010-05

2012-06-12

國(guó)家863計(jì)劃主題項(xiàng)目(2011AA041001)

李軍(1981—)，男，河南駐馬店人，西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院博士研究生，主要研究方向?yàn)橹悄芊律鷻C(jī)器人，(E-mail)lijun956@yahoo.com.cn。

(編輯 趙蓉)