仿壁虎機(jī)器人地壁過渡的步態(tài)規(guī)劃

曹飛祥，孫樹棟，段軍，郜慶市

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

仿壁虎機(jī)器人地壁過渡的步態(tài)規(guī)劃

曹飛祥，孫樹棟，段軍，郜慶市

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

設(shè)計(jì)并研究了一種具有柔性多桿機(jī)構(gòu)腰部和尾巴的仿壁虎機(jī)器人結(jié)構(gòu)，通過對(duì)該機(jī)器人地壁過渡階段研究，規(guī)劃了一種仿壁虎機(jī)器人地壁過渡步態(tài);并利用ADAMS對(duì)仿壁虎機(jī)器人進(jìn)行了地壁過渡步態(tài)規(guī)劃仿真;仿真結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的仿壁虎機(jī)器人結(jié)構(gòu)是合理的，且地壁過渡步態(tài)規(guī)劃方法是可行的。

仿壁虎機(jī)器人;步態(tài)規(guī)劃;地壁過渡

仿壁虎機(jī)器人作為一種能代替人進(jìn)行危險(xiǎn)和艱苦工作的機(jī)電一體化裝置，廣泛應(yīng)用于反恐偵查、高空清洗、核工業(yè)、石化企業(yè)、建筑行業(yè)和造船業(yè)等［1］。斯坦福大學(xué)Mark Cutkosky教授及其研究小組研制成StickyBot類壁虎機(jī)器人［2］;卡耐基梅隆大學(xué)納米機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研制的仿壁虎爬壁機(jī)器人Waalbot用兩個(gè)足式輪子實(shí)現(xiàn)了爬行、轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動(dòng)，還可以實(shí)現(xiàn)墻面過渡［3］;卡耐基梅隆大學(xué)的Metin Sitti和Ozgur Unver最新設(shè)計(jì)的“坦克蟲”機(jī)器人，其移動(dòng)主要依賴于黏性的彈力橡膠，使其適應(yīng)于木料、金屬、玻璃和磚塊等多種表面［4］。北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、中科院和西北工業(yè)大學(xué)等都在仿壁虎機(jī)器人方面做了大量的研究［5－8］。

多足步行機(jī)器人常用的步態(tài)規(guī)劃方法有:MCGHEE［9］根據(jù)靜態(tài)穩(wěn)定裕度分析提出的直線螃蟹步態(tài)生成方法，HIROSE等［10］提出的利用對(duì)角線原理的步態(tài)搜索方法，SONG等［11］提出的曲線路徑步態(tài)生成方法以及基于靜態(tài)平衡的步態(tài)生成方法。針對(duì)步行機(jī)器人相交平面的步態(tài)規(guī)劃，鄭浩峻等［12］提出了一種步行機(jī)在任意夾角相交面上的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，孟偲等人［13］設(shè)計(jì)出了一種地壁過渡仿壁虎機(jī)器人，但是需要調(diào)整機(jī)器人姿勢(shì)橫向過渡、運(yùn)動(dòng)調(diào)整空間過大、時(shí)間過長(zhǎng)和控制系統(tǒng)復(fù)雜［14］。

文中從腰部機(jī)構(gòu)方面來討論如何使機(jī)器人在具有高度靈活性的同時(shí)具有較好的承載能力，同時(shí)可以達(dá)到相對(duì)精確的位姿。仿照生物壁虎設(shè)計(jì)了基于多連桿腰部和尾巴的仿壁虎機(jī)器人結(jié)構(gòu)，分析了其運(yùn)動(dòng)學(xué)，規(guī)劃出合理的地面向壁面過渡的步態(tài)，最后利用仿真軟件ADAMS進(jìn)行步態(tài)仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。

1 仿壁虎機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 仿壁虎機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了一種仿壁虎機(jī)器人，其三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 仿壁虎機(jī)器人三維結(jié)構(gòu)圖

機(jī)器人采用有機(jī)玻璃材料，四足對(duì)稱分布，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;每條腿采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，這樣可以提高機(jī)器人的剛度和可靠性;機(jī)器人共有10個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，Mj_i1實(shí)現(xiàn)抬腿動(dòng)作，Mj_i2驅(qū)動(dòng)并聯(lián)四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)伸縮腿動(dòng)作，單腿具有2個(gè)自由度，Mw和Mt分別實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的腰部和尾巴的彎曲和伸展動(dòng)作。

1.2 仿壁虎機(jī)器人腰部設(shè)計(jì)

仿壁虎機(jī)器人的腰部通常采用單一剛性或者簡(jiǎn)單柔性元件作為身體連接件［5－8］。此類結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小;但是腰部缺少驅(qū)動(dòng)、靈活性低、工作空間小、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)能力相對(duì)不足。為了增加機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力，同時(shí)能夠?qū)Ⅱ?qū)動(dòng)部件放置于機(jī)體上，用以保證系統(tǒng)的剛性和穩(wěn)定性，將多連桿機(jī)構(gòu)用于機(jī)器人腰部的設(shè)計(jì)中，降低對(duì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)能力的要求，提高機(jī)器人的靈活性。

設(shè)計(jì)的仿壁虎機(jī)器人柔性腰部的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。機(jī)器人腰部分為三段1，2，4;點(diǎn)A，B與機(jī)器人下軀干鉸接，點(diǎn)C與機(jī)器人上軀干固結(jié);連桿3，5分別連接桿4和桿2，其中點(diǎn)B放置驅(qū)動(dòng)電機(jī)，輸出的扭矩帶動(dòng)連桿4轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿5牽引桿2轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)連桿3牽引1轉(zhuǎn)動(dòng)以完成腰部的彎曲運(yùn)動(dòng)，可計(jì)算出該機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)為:

式中:n為活動(dòng)構(gòu)件數(shù);

pl為運(yùn)動(dòng)低副數(shù);

ph為運(yùn)動(dòng)高副數(shù)。

圖2 腰部機(jī)構(gòu)原理圖

機(jī)器人處于單一平面時(shí)，其腰部驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)不做運(yùn)動(dòng);當(dāng)機(jī)器人處于相交平面時(shí)，以驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)角度θ作為輸入，將四條腿置于不同平面上。根據(jù)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理，這種狀態(tài)下機(jī)器人的姿態(tài)可以根據(jù)Mw輸入角度精準(zhǔn)確定，且各關(guān)節(jié)之間的空間上相對(duì)獨(dú)立，其運(yùn)動(dòng)之間不會(huì)發(fā)生干涉，有效地避免了機(jī)器人卡死、腳掌懸空及打滑現(xiàn)象的發(fā)生。

1.3 仿壁虎機(jī)器人尾巴設(shè)計(jì)

JUSUFI等［14］研究發(fā)現(xiàn)，壁虎的前腳碰觸到光滑的表面并失去抓握力時(shí)，尾巴緊貼到光滑的壁面上以防止向后翻倒，起第五條腿的作用。柔性靈活的尾巴對(duì)爬壁機(jī)器人動(dòng)平衡和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)健有著重要的意義。圖3是仿壁虎機(jī)器人尾巴機(jī)構(gòu)圖，爬行機(jī)構(gòu)模型是由與腰部相似的多連桿機(jī)構(gòu)組成。尾部機(jī)構(gòu)是由一個(gè)主動(dòng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)桿件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)尾巴的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸出的扭矩帶動(dòng)連桿2轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿1牽引桿3轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)連桿4牽引5轉(zhuǎn)動(dòng)。假設(shè)當(dāng)前電動(dòng)機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)器人的尾巴壓緊地面，尾尖部與地面之間存在摩擦力的作用，調(diào)節(jié)電機(jī)的扭矩可以控制尾巴摩擦力的大小，使機(jī)器人行走更加平穩(wěn)。

圖3 尾巴機(jī)構(gòu)原理圖

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

利用D－H方法［15］建立如圖4所示的坐標(biāo)系。OCxCyCzC表示機(jī)器人連體坐標(biāo)系，其坐標(biāo)原點(diǎn)位于機(jī)器人機(jī)體的中心。以機(jī)器人的右前腿為例，由平行四桿機(jī)構(gòu)的特性可簡(jiǎn)化成串聯(lián)開環(huán)機(jī)構(gòu)，有2個(gè)自由度，每個(gè)關(guān)節(jié)都是一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。1號(hào)電機(jī)、2號(hào)電機(jī)的轉(zhuǎn)角分布是α、β。則足端執(zhí)行器坐標(biāo)系{T}相對(duì)于{C}的變換矩陣為T。其中由平行四桿機(jī)構(gòu)的特性可知:

圖4 機(jī)器人腿部坐標(biāo)系

3 仿壁虎機(jī)器人地壁過渡的步態(tài)規(guī)劃

實(shí)現(xiàn)地－壁過渡的方式有直爬和側(cè)爬，在地壁過渡前身體 (頭部與尾巴連線)在水平面內(nèi)與壁面有一夾角，夾角小于45°時(shí)稱為側(cè)爬，大于45°時(shí)稱為直爬。直爬的主要特點(diǎn)為雙前腿經(jīng)過一次完整的步態(tài)過程，先跨上壁面，后雙腿經(jīng)由第二個(gè)完整的步態(tài)再運(yùn)動(dòng)至壁面;側(cè)爬的主要特點(diǎn)為同側(cè)雙腿經(jīng)過一個(gè)完整的步態(tài)先跨上壁面，異側(cè)雙腿再經(jīng)歷多個(gè)步態(tài)調(diào)整運(yùn)動(dòng)至壁面。側(cè)爬可看成為平面三角步態(tài)的變化形式，對(duì)靈活性要求較低，而直爬是生物界多數(shù)動(dòng)物為適應(yīng)復(fù)雜多變環(huán)境而進(jìn)化的選擇，對(duì)仿生機(jī)器人研究更具有實(shí)際意義。

仿壁虎機(jī)器人從地面過渡到壁面的基本特征為前后足分別支撐于地面和壁面兩個(gè)不同平面，該運(yùn)動(dòng)過程也稱為過渡階段;當(dāng)機(jī)器人的前后足均移動(dòng)到壁面表面且尾巴伸直時(shí)，過渡運(yùn)動(dòng)結(jié)束，該種狀態(tài)稱為過渡運(yùn)動(dòng)終止?fàn)顟B(tài);當(dāng)機(jī)器人開始過渡運(yùn)動(dòng)的前一時(shí)刻，其前后足尚處于過渡前表面，該狀態(tài)稱為過渡運(yùn)動(dòng)初始狀態(tài)。

如圖5所示，機(jī)器人三足吸附步態(tài)調(diào)整為地壁過渡步態(tài)，最后又調(diào)整為三足吸附步態(tài)。其攀爬步驟如下:

(1)機(jī)器人位于初始位置，右前腿向前移動(dòng)，其余三腿支撐機(jī)器人 (圖5(a))。

(2)左后腿和左前腿先后向前移動(dòng) (圖5(b)、5(c))。

(3)左前腿、右前腿和左后腿同時(shí)驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人向前移動(dòng);右后腿向前移動(dòng) (圖5(d))。

(4)機(jī)器人通過三角步態(tài)向壁面移動(dòng) (圖5(e)—5(i))。

(5)機(jī)器人移動(dòng)到離壁面合適的距離，結(jié)束三角步態(tài)，調(diào)整姿勢(shì)為過渡做準(zhǔn)備 (圖5(i)—5(m))。

(6)腰部彎曲90°，同時(shí)左后腿和右后腿驅(qū)動(dòng)機(jī)器人向壁面移動(dòng) (圖5(n))。

(7)前腿吸附壁面與尾巴支撐機(jī)器人，后腿向前移動(dòng) (圖5(o))。

(8)后腿和尾巴支撐機(jī)器人，前腿向上移動(dòng)(圖5(p))。

(9)前腿吸附壁面，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)腰部伸直，尾巴彎曲 (圖5(r))。

(10)機(jī)器人通過三角步態(tài)向上移動(dòng) (圖5(s)—5(t))。

(11)機(jī)器人尾巴伸直，完成地面向壁面的過渡(圖5(u))。

使用直爬步態(tài)規(guī)劃優(yōu)點(diǎn)在于能減少仿壁虎機(jī)器人姿態(tài)的調(diào)整，縮短機(jī)器人過渡時(shí)間，并且減少能量消耗。

4 仿真試驗(yàn)與驗(yàn)證

4.1 運(yùn)動(dòng)仿真

在ADAMS環(huán)境下，對(duì)機(jī)器人從三角步態(tài)向過渡步態(tài)過渡的過程進(jìn)行仿真。根據(jù)各個(gè)關(guān)節(jié)間運(yùn)動(dòng)副情況，賦予各構(gòu)件正確的物理屬性和各個(gè)運(yùn)動(dòng)副施加相關(guān)的運(yùn)動(dòng)約束，在仿真中假設(shè)機(jī)器人自身的摩擦忽略不計(jì)。代入相關(guān)的驅(qū)動(dòng)量的值，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真，如圖6仿真動(dòng)畫所示。

4.2 結(jié)果分析

仿真后通過后處理模塊 (ADAMS/Postprocessor)得到機(jī)器人質(zhì)心在Y方向上的位移曲線，如圖7所示.機(jī)器人能夠沿著規(guī)劃的步態(tài)過渡到壁面，Y方向不存在反復(fù)劇烈的波動(dòng)，能減小能量的消耗，驗(yàn)證了步態(tài)的正確性和機(jī)器人結(jié)構(gòu)的可行性。5 結(jié)論

圖5 過渡步態(tài)

圖6 ADAMS環(huán)境下仿壁虎機(jī)器人攀爬仿真

圖7 仿壁虎機(jī)器人Y方向位移曲線

(1)以壁虎為原型設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人，結(jié)構(gòu)緊湊，適應(yīng)性強(qiáng)，每條腿有2個(gè)自由度，帶有1個(gè)自由度的柔性腰部和尾巴，使機(jī)器人能適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境，并且在爬行時(shí)具有更強(qiáng)的可靠性和適應(yīng)性;

(2)通過對(duì)壁虎壁面爬行運(yùn)動(dòng)的研究，規(guī)劃了

一種仿壁虎的地面向壁面過渡的步態(tài);

(3)仿真分析驗(yàn)證了仿壁虎機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性以及步態(tài)規(guī)劃方法的有效性和可行性。

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Gait Planning of Gecko-like Robot Transition from Ground to W all

CAO Feixiang，SUN Shudong，DUAN Jun，GAO Qingshi
(School of Mechatronics，Northwestern Polytechnical University，Xi'an Shaanxi710072，China)

The structure of gecko-like robot provided with flexible multi-link mechanism waist and tail was designed and researched.Through researching of the phase of transition from ground to wall of the gecko-like robot，its gaitof ground towall transition was planned.Moreover，the gait planning on the gecko robot was simulated by using ADAMS.The simulation results show that the structure of designed robot is reasonable，and themethod of gait planning is feasible.

Gecko-like Robot;Gait planning;Ground to wall transition

TP242

A

1001－3881(2013)9－039－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2013.09.011

2012－04－17

西北工業(yè)大學(xué)創(chuàng)業(yè)種子基金資助項(xiàng)目 (z2012045);西北工業(yè)大學(xué)創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目 (2012006)

曹飛祥 (1986—)，男，碩士，研究領(lǐng)域?yàn)榉律鷻C(jī)器人、CAE技術(shù)。E－mail:caofx0418@163.com。