人形機(jī)器腳設(shè)計(jì)仿真

王夢(mèng)婕

（西南交通大學(xué)峨眉校區(qū) 四川峨眉 614200）

人形機(jī)器腳設(shè)計(jì)仿真

王夢(mèng)婕

（西南交通大學(xué)峨眉校區(qū) 四川峨眉 614200）

人形機(jī)器人一直是機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，它集中了機(jī)械電子工程、計(jì)算機(jī)工程、信息工程、自動(dòng)控制工程以及人工智能和仿生學(xué)等多種學(xué)科.而中間最重要的是機(jī)器腳的設(shè)計(jì)，它關(guān)系到機(jī)器人的穩(wěn)定性，若不穩(wěn)定則不能達(dá)到我們預(yù)期的效果，而在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，步行步態(tài)的研究又至關(guān)重要，故在前人的基礎(chǔ)上，將繼續(xù)研究設(shè)計(jì)機(jī)器腳的行走的步行步態(tài)，以及確定該機(jī)構(gòu)的尺寸結(jié)構(gòu)。

行走步態(tài) 桿長(zhǎng)確定 運(yùn)動(dòng)仿真

一、具體設(shè)計(jì)要求：

可按一般人高度的一定比例確定其原始參數(shù)，如腿高、步幅等，確定整個(gè)機(jī)構(gòu)各個(gè)桿件的具體尺寸和運(yùn)動(dòng)副類型；

二、機(jī)構(gòu)分析

2.1 機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算

如機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖所示，該機(jī)構(gòu)具有六個(gè)活動(dòng)件（BC EH BCE ADF GIJ FHG），具有八個(gè)平面低副，無(wú)高副，故自由度如下：

由上式可知，該機(jī)構(gòu)具有兩個(gè)自由度，若要使運(yùn)動(dòng)單一且確定，故主動(dòng)件應(yīng)需要兩個(gè)，則經(jīng)分析知，AB為機(jī)架，BC為主動(dòng)件，以及需要在鉸G處裝一個(gè)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)GIJ的運(yùn)動(dòng)。

2.2 機(jī)構(gòu)分析

在此機(jī)構(gòu)中，ADF、CDE、FHG、IGJ構(gòu)成桁架，因此固定不動(dòng)。在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，模擬腳踝和膝蓋處的運(yùn)動(dòng)是關(guān)鍵的，IGJ作為桁架只需要研究G和模擬膝蓋為F點(diǎn)，故只需要研究G、F兩點(diǎn)。

在桁架FHG中，G的運(yùn)動(dòng)可由H、F兩點(diǎn)來(lái)確定，而F、H的運(yùn)動(dòng)又由A-D-C-E-H-F這一各部分確定，又因?yàn)锳DF、DCE是兩個(gè)桁架，則F、H的運(yùn)動(dòng)分析可以簡(jiǎn)化為D-E-F-H這一四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的分析。同理，A-B-C-D也可近似地認(rèn)為是一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)，且AB為機(jī)架。并且在分析過(guò)程中，從下至上依次分析，即先分析D-E-F-H，隨即分析A-B-C-D。當(dāng)分析D-E-F-H時(shí)，將桿DE看做機(jī)架，并且此四桿機(jī)構(gòu)應(yīng)為雙搖桿機(jī)構(gòu)。

所以，這個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析就簡(jiǎn)化為了兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)的組合。

三、走形方案與步態(tài)規(guī)劃

1.與步態(tài)規(guī)劃有關(guān)的概念

步長(zhǎng)：在一個(gè)步行周期內(nèi)，擺動(dòng)腿所移動(dòng)的距離。

步行周期：擺動(dòng)腿完成一步所經(jīng)歷的時(shí)間。包括一個(gè)單腳支撐期和一個(gè)雙腳支撐期。

單腳支撐期：在一個(gè)步行周期中，由一只腳對(duì)機(jī)器人進(jìn)行支撐所經(jīng)歷的時(shí)間。

雙腳支撐期：在一個(gè)步行周期中，由兩只腳同時(shí)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行支撐所經(jīng)歷的時(shí)間。

一個(gè)完整的步行過(guò)程應(yīng)該包括起步、加速、穩(wěn)定步行、減速、停止五個(gè)階段。周期性運(yùn)動(dòng)包括左腿步行周期和右腿步行周期，而兩個(gè)步行周期完全對(duì)稱，時(shí)間上相差了一個(gè)步行周期，因此只需要研究一個(gè)步行周期，當(dāng)步行機(jī)器人行走較為緩慢的時(shí)候，則完整的步行過(guò)程可以近似看作只包含起步、周期性運(yùn)動(dòng)、停止三個(gè)步行過(guò)程。

2.步態(tài)規(guī)劃

起動(dòng)階段，機(jī)器人的重心高度將由初始位置降低到合適行走的高度，同時(shí)重心在地面上的投影從兩腿中心位置移動(dòng)到支撐腿上。通過(guò)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)向前邁出半步，重心返回兩腿之間的中心位置。機(jī)器人就由直立的靜止?fàn)顟B(tài)過(guò)渡到了穩(wěn)定步行階段。

穩(wěn)定步行階段，雙腳交替向前邁出，重心在兩腳中間不斷轉(zhuǎn)換，始終保持在支撐腿平面內(nèi)。設(shè)向前邁步的步長(zhǎng)為一個(gè)腳底的長(zhǎng)度。

停止階段，先在重心在地面上的投影從兩腿之間的中心位置移動(dòng)到支撐腳上的同時(shí)，是機(jī)器后腿向前跨出半步，與支撐腳齊平。再移動(dòng)機(jī)器人重心到兩腿之間的中心位置同時(shí)升高重心恢復(fù)到初始位置。

3.主要參數(shù)的設(shè)定與條件假設(shè)

模擬大腿（即AF）長(zhǎng)：480mm.

模擬小腿（即FG）長(zhǎng)：430mm.

桁架CDE為等邊三角形.

因?yàn)樵谛凶哌^(guò)程中腳抬得越高避障能力增強(qiáng)，但是穩(wěn)定性降低，不要求進(jìn)行避障，故行走時(shí)抬腳高度為：15mm.

在行走過(guò)程中，完成一步的時(shí)間為：6s.

在此課題研究下，只研究穩(wěn)定步行階段.

在行走過(guò)程中，腳底始終與地面保持平行。

4.主要構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)軌跡分析與確定

已知可將整個(gè)機(jī)構(gòu)化簡(jiǎn)為兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，故各關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)為兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的疊加。可以對(duì)每個(gè)四桿機(jī)構(gòu)中的各點(diǎn)在完成一步最后假設(shè)其位置。（疊加是指兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)分別獨(dú)立運(yùn)動(dòng)互不干擾，即四連桿D-E-F-G運(yùn)動(dòng)時(shí)，將DE看作是機(jī)架。四連桿A-B-C-D運(yùn)動(dòng)時(shí)，AB為機(jī)架，然后進(jìn)行疊加）

四連桿D-E-F-H的軌跡運(yùn)動(dòng)分析

四連桿D-E-F-H應(yīng)為雙搖桿，故最長(zhǎng)桿與最短桿長(zhǎng)度之和應(yīng)當(dāng)大于其余兩桿長(zhǎng)度之和。即：

桁架ADF在整體運(yùn)動(dòng)時(shí)繞A點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)，故F點(diǎn)速度方向垂直于AF.

四連桿A-B-C-D的軌跡運(yùn)動(dòng)分析

四連桿A-B-C-D為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，其中AB為機(jī)架，BC為曲柄，AD為搖桿。假設(shè)AB為最長(zhǎng)桿，則：

在整體機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)中，點(diǎn)F應(yīng)該繞A點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)。

5.機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)尺寸綜合計(jì)算

5.1 尺寸綜合

因該機(jī)構(gòu)如果完全使用解析法計(jì)算，不確定因素太多，七桿機(jī)構(gòu)的計(jì)算太過(guò)復(fù)雜，所以在此我想先假設(shè)AB、BC、CD、AD四桿的長(zhǎng)度，然后根據(jù)其他條件計(jì)算剩余桿長(zhǎng)，確定具體運(yùn)動(dòng)。

假設(shè)AB=150mm，BC=80mm，CD=120mm，AD=160mm.如下圖所示，是擺桿AD的擺角

在三角形ABD’中，AB=150，BD’=40，AD’=160，由余弦定理知

在三角形D’AD’’中，D’D’’=174.3mm.

在三角形ABD’中，由余弦定理得：