王 鵬，徐曉希，李吉祥，郝煥瑞，辛景雷

（哈爾濱理工大學(xué) 機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

0 引 言

在2011年3月日本發(fā)生的災(zāi)難破壞之大，造成的影響之深遠(yuǎn)，在歷史上實(shí)屬罕見(jiàn)，震級(jí)甚至達(dá)到了里氏9.0級(jí)。該地震的中心位置位于西太平洋內(nèi)東經(jīng)142.3°、北緯38.2°的地區(qū)，其震源深度非常大，超過(guò)18 km。經(jīng)后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)表明，由地震引發(fā)的海嘯最大的峰值達(dá)到23 m之高。日本部分地區(qū)在地震及海嘯的災(zāi)難中遭受了非常大的沖擊，并有大量的人員傷亡［1］。地震發(fā)生在該月的11日，列舉隨后三天的傷亡報(bào)告:12日，在日本的東北部地區(qū)，死亡及失蹤人數(shù)超過(guò)1 500名；13日，該項(xiàng)的統(tǒng)計(jì)人數(shù)超過(guò)3 000名，14日，人數(shù)急劇升到超過(guò)10 000名。而截至該月20日，死亡及失蹤人數(shù)超過(guò)20 000名，數(shù)字觸目驚心！同時(shí)災(zāi)難也造成了大量的建筑倒塌。

而災(zāi)難過(guò)后最主要的問(wèn)題就是如何快速搜索在極其危險(xiǎn)情況下的幸存人員［2-5］。經(jīng)相關(guān)專(zhuān)家調(diào)查研究后發(fā)現(xiàn)，假如在搜索最佳時(shí)間72 h之內(nèi)找不到幸存者，那么他們將因不能夠得到及時(shí)的救助而極有可能死亡［6-9］。上述事實(shí)已經(jīng)用血的教訓(xùn)來(lái)證明了這一點(diǎn)。

因此，用于災(zāi)后快速搜索特定目標(biāo)的小型四足機(jī)器人開(kāi)發(fā)將會(huì)是非常重要且十分必要的［10］。四足機(jī)器人既有優(yōu)于兩足機(jī)器人的平穩(wěn)性，又可避免六足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的冗余和復(fù)雜性，此項(xiàng)研究工作具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

因此，本研究首先進(jìn)行該小型化四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，這其中包括控制系統(tǒng)、減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、分解傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、間歇分配機(jī)構(gòu)和腿部機(jī)構(gòu)；然后，建立四足機(jī)器人簡(jiǎn)化模型的單腿D-H坐標(biāo)系，并完成其運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；最后應(yīng)用ADAMS軟件進(jìn)行其步態(tài)切換的仿真及分析。

1 小型化四足機(jī)器人設(shè)計(jì)方案

該小型化機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式是首先由動(dòng)力機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，經(jīng)減速機(jī)構(gòu)將運(yùn)轉(zhuǎn)的速度減下來(lái)，從而提高了輸出轉(zhuǎn)矩，通過(guò)計(jì)算使轉(zhuǎn)矩滿足所有機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的要求，再由前、后身運(yùn)動(dòng)分配機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)將運(yùn)動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，成為周期、間歇性運(yùn)動(dòng)進(jìn)行輸出，最后分別傳遞到前身及后身行走機(jī)構(gòu)上，執(zhí)行行走功能，從而使得該小型化機(jī)器人實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走運(yùn)動(dòng)。

本研究將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分為左、右側(cè)兩腿同時(shí)運(yùn)動(dòng)，而且精簡(jiǎn)所有不需要的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使機(jī)體盡可能減小質(zhì)量，運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)體非常輕便，在滿足相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)都使用高性能材料及高要求的加工工藝，保證其強(qiáng)度和剛度，進(jìn)一步提高其運(yùn)動(dòng)時(shí)的平穩(wěn)性。

其主要組成單元為:

（1）控制系統(tǒng)。由于機(jī)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜化，從而減輕了控制系統(tǒng)的工作量。該控制系統(tǒng)只控制位于機(jī)身中間位置的步進(jìn)電機(jī)，給機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)力，該系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，嵌入式集成電路控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)作為控制中樞，通過(guò)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)送脈沖指令，來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度及轉(zhuǎn)向，憑借步進(jìn)電機(jī)把動(dòng)力傳遞給蝸桿，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的第一次傳遞。

（2）減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。由蝸輪、蝸桿、蝸桿支撐架、齒輪支撐架及相應(yīng)輔助件（軸承、聯(lián)軸器、螺栓、限位擋圈等）組成。通過(guò)聯(lián)軸器接受步進(jìn)電機(jī)傳遞過(guò)來(lái)的速度和扭轉(zhuǎn)力，經(jīng)過(guò)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)減速后，大幅度降低輸出速度、增大輸出力矩，使該速度達(dá)到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的安全角速度的要求，有效增加了運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和安全性。

（3）分解傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。由主動(dòng)齒輪、前肢被動(dòng)齒輪、后肢被動(dòng)齒輪、齒輪支撐架及相應(yīng)輔助件（軸承、限位擋圈等）組成。因主動(dòng)齒輪和蝸輪系同軸傳動(dòng)，故其角速度在數(shù)值上近似相等，蝸輪將速度和扭轉(zhuǎn)力經(jīng)過(guò)心軸傳遞給主動(dòng)齒輪，主動(dòng)齒輪分別與前肢被動(dòng)齒輪、后肢被動(dòng)齒輪嚙合傳動(dòng)，將運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分解到這兩個(gè)齒輪上，由于該速度值已經(jīng)適合機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，該傳動(dòng)單元不需要再減速，屬于等速傳動(dòng)，主要是將運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分解。由于齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有傳動(dòng)平穩(wěn)的特點(diǎn)，機(jī)構(gòu)進(jìn)一步增加了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

（4）間歇分配機(jī)構(gòu)。以前肢為例，由前肢曲柄、前肢曲柄連接桿、前肢大腿及相應(yīng)輔助件（螺栓、限位擋圈、限位銷(xiāo)等）組成。前肢被動(dòng)齒輪經(jīng)主動(dòng)齒輪傳遞給的動(dòng)力，進(jìn)行再次分配，分配對(duì)象為兩側(cè)的曲柄機(jī)構(gòu)，此分配機(jī)構(gòu)，原理以曲柄擺桿機(jī)構(gòu)為依托，結(jié)合機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案需要的尺寸和運(yùn)動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，確定符合要求的尺寸數(shù)值，使兩側(cè)的前肢腿部形成規(guī)律性、合理性且交替運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。

（5）前身腿部機(jī)構(gòu)。前肢足部、前肢小腿、前肢大腿、前肢小腿連接通銷(xiāo)及相應(yīng)輔助件（限位擋圈、限位銷(xiāo)等）組成。間歇分配機(jī)構(gòu)將運(yùn)動(dòng)傳給曲柄，曲柄連接桿，大腿接受曲柄連接桿傳遞過(guò)來(lái)的運(yùn)動(dòng)，將運(yùn)動(dòng)再傳遞給小腿，小腿連接足部，進(jìn)行擺腿運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)減速后，傳到足部的速度已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)行走。腿部是最后一級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，足部與地面相接觸，承受地面產(chǎn)生的反作用力，對(duì)腿部結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，能夠?qū)υ撟饔昧M(jìn)行緩沖，從而減小了該作用力對(duì)其他機(jī)構(gòu)的沖擊作用。

2 小型化四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

本研究對(duì)機(jī)器人簡(jiǎn)化模型進(jìn)行正向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 小型化四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖1中，機(jī)體為箱狀剛體，每條腿有3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，桿件1是360°旋轉(zhuǎn)，桿件2是小范圍移動(dòng)，桿件3是最后執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)相互配合，達(dá)到向前行走的要求。

因機(jī)器人的每條腿結(jié)構(gòu)相同，對(duì)其一腿進(jìn)行研究即可，本研究將每一個(gè)桿件建立一個(gè)坐標(biāo)系，并用齊次變換矩陣來(lái)描述相應(yīng)的位置和姿態(tài)，建立機(jī)體的坐標(biāo)系(Xb,Yb,Zb)，規(guī)定Xb正向?yàn)闄C(jī)器人前進(jìn)的方向，Zb軸正向與重力方向相反，由右手定則推出Yb軸，(Xb,Yb,Zb)的原點(diǎn)在機(jī)坐標(biāo)系中為(a,b,c)。四足機(jī)器人單腿桿件及關(guān)節(jié)參數(shù)如表1所示。

表1 四足搜救機(jī)器人單腿桿件及關(guān)節(jié)參數(shù)

將表1參數(shù)代入式（1）中，可得如下矩陣:

式中:si=sinθi，ci=cosθi(i=1,2,3)。

足端在坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)軌跡和始末點(diǎn)已知，設(shè)末端位姿矩陣為:

總變換矩陣經(jīng)過(guò)整理得Tb3可表示為:

由式（5，6）可得:

式中:t1=t4=c1c2-s1s2；t2=-t3=-c1s2-s1c2；R—足部末端姿態(tài)矩陣；Px，Py，Pz—足部末端在X，Y，Z軸上的坐標(biāo)。

為了核對(duì)結(jié)果的正確性，將此位置關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的初始值代入Tb3，則:

這一結(jié)果與圖示位姿完全一致，證明上述推導(dǎo)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的正確性。

3 小型化四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真

小型化四足機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)動(dòng)的試驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)體的各部件頻繁運(yùn)動(dòng)，對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行分析是十分必要的，仿真分析在驗(yàn)證其方案正確性與可靠性方面都將起到至關(guān)重要的作用。因此借助成熟的仿真軟件對(duì)該機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析就顯得非常重要。

ADAMS軟件為其使用者提供了相應(yīng)的建模和仿真環(huán)境，能夠使用戶對(duì)各種機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)性的建模、仿真及分析。與其他相關(guān)機(jī)械仿真軟件相比，該軟件具有了強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析功能。本研究運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)小型化四足機(jī)器人進(jìn)行了相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)分析。

本研究將運(yùn)用Pro/E軟件建立好的小型化四足機(jī)器人模型導(dǎo)入ADAMS軟件中，利用Pro/E軟件所做的裝配模型如圖2所示。

導(dǎo)入ADAMS后的小型化四足機(jī)器人模型如圖3所示。

筆者將Pro/E文件轉(zhuǎn)化成為ADAMS軟件所支持的格式文件，并導(dǎo)入ADAMS軟件后添加相應(yīng)約束及所需動(dòng)力進(jìn)行處理。

圖2 Pro/E軟件中的小型化四足機(jī)器人模型

圖3 導(dǎo)入ADAMS后的小型化四足機(jī)器人模型

該仿真的主要內(nèi)容是通過(guò)對(duì)一側(cè)腿部與對(duì)側(cè)腿部進(jìn)行步態(tài)切換時(shí)狀態(tài)的分析，從而判斷小型化四足機(jī)器人在行走時(shí)的穩(wěn)定性與可靠性，一側(cè)前腿速度曲線如圖4所示。

圖4 一側(cè)前腿速度曲線

對(duì)側(cè)前腿速度曲線如圖5所示。此處尖點(diǎn)的產(chǎn)生是由于一側(cè)與二側(cè)腿部在承載交換時(shí)所產(chǎn)生的，而圖4、圖5中兩波谷沒(méi)有接觸底線，是由相應(yīng)部件的傳動(dòng)誤差所引起的。

通過(guò)圖4、圖5所描述的內(nèi)容可知，除上述提及兩個(gè)不可避免的問(wèn)題外，分析結(jié)果表明該小型化四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是可靠且穩(wěn)定的。

圖5 對(duì)側(cè)前腿速度曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

在完成機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)上，本研究提出的一種小型化四足機(jī)器人的穩(wěn)定步態(tài)切換設(shè)計(jì)得到了仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案可以實(shí)現(xiàn)小型化四足機(jī)器人的協(xié)調(diào)行走功能，并為以后的優(yōu)化四足機(jī)器人樣機(jī)的研制提供了重要的技術(shù)參考和理論依據(jù)。

后續(xù)的研究工作中，本研究將考慮地形條件的變化，通過(guò)實(shí)際樣機(jī)的行走實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并深入研究小型化四足機(jī)器人穩(wěn)定步態(tài)的控制方法。

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