蘇金文

（滁州學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 滁州 239000）

四足仿生機(jī)器人混聯(lián)腿構(gòu)型設(shè)計及比較分析

蘇金文

（滁州學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 滁州 239000）

在機(jī)器人能研究領(lǐng)域當(dāng)中，四足仿生機(jī)器人是一個十分重要部分.在此類機(jī)器人的研發(fā)當(dāng)中，混聯(lián)腿構(gòu)型是一種較為常用的結(jié)構(gòu)，其中對串聯(lián)、并聯(lián)等機(jī)構(gòu)的特點進(jìn)行融合，對于機(jī)器人的運動性能有著十分良好的提升.從自由度不同的角度，主要采用三種不同的構(gòu)型，各自具有不同的特點.基于此，本文對四足仿生機(jī)器人混聯(lián)腿構(gòu)型的特點進(jìn)行了分析，并且對不同構(gòu)型進(jìn)行了比較.

四足仿生機(jī)器人；混聯(lián)腿構(gòu)型設(shè)計；比較分析

在很多復(fù)雜的環(huán)境當(dāng)中，人類難以確保安全的作業(yè)，因此通常利用四足仿生機(jī)器人替代人類進(jìn)行工作.例如示教娛樂、農(nóng)林采伐、建筑業(yè)、消防營救、星球表面探索、核能工業(yè)、礦山開采、軍事等諸多方面，能夠取得更為良好的效果.在四足仿生機(jī)器人的研究發(fā)展中，自帶動力源、低能耗、高承載、高速等是主要的發(fā)展方向.其中，混聯(lián)腿構(gòu)型是最主要的設(shè)計類型之一，對于機(jī)器人的整體性能有著重要的影響.

1 四足仿生機(jī)器人混聯(lián)腿構(gòu)型設(shè)計

1.1 設(shè)計原則

以四腳動物為例，為了實現(xiàn)對角小跑、三組行走等動作，需要每條腿具有三自由度以上.腿的矢狀面復(fù)雜完成起立、下蹲、后退等動作，在快速奔跑、負(fù)重等狀態(tài)下，腿的矢狀面也承受主要荷載.轉(zhuǎn)彎、平衡等，是依靠髖部左右搖擺.動物如果受到?jīng)_擊，應(yīng)迅速左右移動，維持動態(tài)平衡.對于四足機(jī)器人來說，在設(shè)計當(dāng)中對二自由度平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)、單自由度四桿串聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型進(jìn)行應(yīng)用.機(jī)器人腿矢狀面運行承載力，可由二自由度平面并聯(lián)結(jié)構(gòu)提供，對于單個驅(qū)動器的驅(qū)動力能夠節(jié)省[1].機(jī)器人腿部側(cè)擺是由四桿機(jī)構(gòu)提供，能夠解耦機(jī)器人腿矢狀面并聯(lián)機(jī)構(gòu)運動、髖部旋轉(zhuǎn)，從而使機(jī)器人的控制難度降低、穩(wěn)態(tài)響應(yīng)能力提高.

1.2 建模方法

對四足機(jī)器人進(jìn)行建模，在人體，腿部等位置建立坐標(biāo)系.在身體、腿部坐標(biāo)系當(dāng)中，分別設(shè)定一個點.機(jī)器人具有兩兩對稱的腿，能夠得出三個腿部坐標(biāo)系的原點位置.可對腿部坐標(biāo)系和身體坐標(biāo)系之間的關(guān)系進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換.在相互對稱的位置安裝機(jī)器人的腿，如果存在相同的輸入條件，根據(jù)第一條腿的足部在坐標(biāo)系當(dāng)中的位置，就能夠得到其它三條腿的足部在坐標(biāo)系中的相應(yīng)位置.在各個腿上，也存在著能夠相互轉(zhuǎn)換關(guān)系的對應(yīng)點位置.據(jù)此，就能夠?qū)φ麄€機(jī)器人的速度雅克比關(guān)系進(jìn)行建立.

圖1 四足機(jī)器人坐標(biāo)系建模

1.3 三種設(shè)計

在第一中混聯(lián)腿構(gòu)型設(shè)計中，兩兩對稱布置四條腿，利用電動機(jī)帶動絲杠、兩個伺服電機(jī)，為其提供運動輸出.在這種構(gòu)型設(shè)計當(dāng)中，腿部矢狀面伺服電動機(jī)，會產(chǎn)生閉合曲線的足端軌跡，在機(jī)器人對角行走中，可通過該電動機(jī)單獨進(jìn)行驅(qū)動，控制起來較為簡單[2].不過，在腿部偏下的位置，安裝了具有較大質(zhì)量的驅(qū)動器連接絲杠，因而在機(jī)器人運動中，慣性力會在較大程度上影響穩(wěn)定性.通過對機(jī)構(gòu)位置方程的建立，能夠在輸入、輸出之間，獲取相應(yīng)的速度關(guān)系矩陣.

在第二種混聯(lián)腿構(gòu)型設(shè)計中，同樣采用兩兩對稱的方式對四條腿進(jìn)行布置，利用電動機(jī)帶動的絲杠進(jìn)行運動輸入.在這種構(gòu)型設(shè)計中，在機(jī)器人身體上，安裝了全部的驅(qū)動器，能夠更加集中整個機(jī)器人的質(zhì)量，使得腿部慣性得到了下降，因而能夠提升其運動中的穩(wěn)定性.通過對機(jī)構(gòu)位置方程的建立，能夠?qū)斎搿⑤敵鲋g的速度關(guān)系矩陣進(jìn)行獲取.

在第三種混聯(lián)腿構(gòu)型設(shè)計中，采用兩兩對稱的方式布置四條腿，采用直線驅(qū)動器進(jìn)行運動輸入，驅(qū)動系統(tǒng)中，對電動機(jī)液壓混合系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用.在這種構(gòu)型設(shè)計當(dāng)中，采用對稱放大機(jī)構(gòu)作為平面機(jī)構(gòu)，在大范圍運動中，只需要小行程驅(qū)動即可[3].在保持恒定轉(zhuǎn)動慣量的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人腿的伸縮運動，腿部慣性因素，也不會影響到機(jī)器人運動的穩(wěn)定性.通過對機(jī)構(gòu)位置方程的建立，能夠在輸入、輸出之間，獲取相應(yīng)的速度關(guān)系矩陣.

2 四足仿生機(jī)器人混聯(lián)腿構(gòu)型比較

2.1 承載空間

在四足仿生機(jī)器人混聯(lián)腿構(gòu)型設(shè)計當(dāng)中，機(jī)構(gòu)承載能力具有極大的意義，對于機(jī)構(gòu)的特性，可以通過承載空間的形狀、大小等加以體現(xiàn).在不同位姿情況下，可以對承受末端力的范圍進(jìn)行觀察.對于末端速度，可以利用機(jī)構(gòu)驅(qū)動速度和機(jī)構(gòu)雅克比矩陣進(jìn)行計算得出.同時利用雅克比矩陣和驅(qū)動力，基于虛位移原理，能夠?qū)敵隽M(jìn)行計算.用橢圓能夠代表平面輸出承載能力.模擬四足機(jī)器人對角小跑的運動，以此比較和分析不同混聯(lián)腿構(gòu)型設(shè)計的承載能力.在機(jī)構(gòu)末端軌跡曲線上，對間隔時間點進(jìn)行選取，對承載空間的變化進(jìn)行對比.經(jīng)過對比能夠得出，具有最大承載力的是第三種設(shè)計.在機(jī)器人的運動當(dāng)中，前兩種設(shè)計會隨著位置而改變承載空間，而第三種設(shè)計在不同的位置下，承載空間基本上不會發(fā)生太大的變化[4].

2.2 工作空間

由于是兩兩對稱對機(jī)器人腿部進(jìn)行安裝，因此其形狀對稱性會對腿部矢狀面工作空間產(chǎn)生影響.如果機(jī)器人具有相同高度的髖部，第一種設(shè)計具有較短的步長，工作空間較為不足，也會影響行進(jìn)速度.第二種設(shè)計能夠相應(yīng)增加步長和工作空間，不過在不對稱的工作空間上，機(jī)器人并不具有良好的靈活性.而第三種設(shè)計具有對稱的腿部工作空間，前后左右的運動能力相同，并且在步長、工作空間、靈活性等方面都較為良好.

表1 三種構(gòu)型設(shè)計的工作空間對比（單位：mm）

2.3 各向同性度

在四足機(jī)器人的運動過程中，在前進(jìn)方向和左右側(cè)向的移動能力，是考察機(jī)器人運動情況的重要因素.機(jī)器人在不同方向中的運動能力，可以用各向同性度進(jìn)行判斷和分析，從而得出機(jī)器人的靈活性能否滿足實際應(yīng)用需求.對于整個機(jī)器人能來說，通過雅克比奇異值矩陣的最小值和最大值的比值，就能夠計算出其各向同性度[5].在第一種混聯(lián)腿構(gòu)型設(shè)計中，在前進(jìn)方向和左右側(cè)移動中，其承載能力、運動能力等存在著很大的不同.在第二種混聯(lián)腿構(gòu)型設(shè)計中，在前進(jìn)方向和左右側(cè)向移動中，其承載能力、運動能力等會產(chǎn)生更大的不同.而在第三種混聯(lián)腿構(gòu)型設(shè)計中，在前進(jìn)方向和左右側(cè)向移動中，其承載能力、運動能力之間的不同較小，因而具有較為良好的各向同性度.

2.4 驅(qū)動力矩比較

經(jīng)過以上的對比研究能夠看出，第三種四足仿生機(jī)器人的混聯(lián)腿構(gòu)型設(shè)計具有較為良好的性能.與經(jīng)典串聯(lián)構(gòu)型設(shè)計相比，這種混聯(lián)腿構(gòu)型設(shè)計具有二自由度并聯(lián)結(jié)構(gòu)的腿部矢狀面結(jié)構(gòu).而在經(jīng)典串聯(lián)構(gòu)型設(shè)計中，則具有二自由度串聯(lián)結(jié)構(gòu)的腿部矢狀面結(jié)構(gòu).由此能夠看出，矢狀面不同的機(jī)構(gòu)，使得二者之間擁有不同的性能和特點.在四足仿生機(jī)器人的設(shè)計當(dāng)中，其能耗水平、設(shè)計成本等，都是由機(jī)器人的具體驅(qū)動力矩所決定的.利用足部受到的切向外力和徑向外力、第三種混聯(lián)腿構(gòu)型設(shè)計矢狀面的驅(qū)動力矩、串聯(lián)腿構(gòu)型設(shè)計矢狀面的驅(qū)動力矩、髖角、大腿連線夾角、小腿程度和大腿長度等因素，能夠?qū)Φ谌N混聯(lián)腿構(gòu)型設(shè)計矢狀面的驅(qū)動力矩、機(jī)構(gòu)外載之間的關(guān)系，以及串聯(lián)腿構(gòu)型設(shè)計矢狀面的驅(qū)動力矩、機(jī)構(gòu)外載之間的關(guān)系加以明確[6].在這一過程中，忽略腿部的慣性、重量，同時默認(rèn)為小腿和大腿的長度相同.如果機(jī)器人的腿部只受到切向力或徑向力，對其驅(qū)動力矩進(jìn)行比較分析，能夠得知，如果只有切向力作用于混聯(lián)腿的并聯(lián)部分，對比相同情況下的串聯(lián)腿，具有更小的驅(qū)動力矩最大值.由此可知，相比于傳統(tǒng)的串聯(lián)腿結(jié)構(gòu)，在應(yīng)用當(dāng)中，混聯(lián)腿結(jié)構(gòu)只需要更少的驅(qū)動力矩就能夠?qū)崿F(xiàn)良好的運動狀態(tài)，因此對于能耗的降低有著較大的意義.

3 研究結(jié)果分析

經(jīng)過前面的研究和對比能夠看出，在各向同性度、承載能力、工作空間等方面，顯然第三種混聯(lián)腿構(gòu)型設(shè)計具有更為良好的性能和狀態(tài)，所以，采用這種方案，對機(jī)器人整機(jī)的試驗樣機(jī)進(jìn)行制作[7].采用高強度鋁合金作為材料制作試驗樣機(jī)，具體參數(shù)為100千克以上的設(shè)計負(fù)重、130千克以下的包括驅(qū)動模塊和動力源條件下的自重、1000毫米的高度、500毫米的寬度、1200毫米的長度.在100千克負(fù)重的情況下，讓試驗機(jī)器人采用對角步態(tài)穩(wěn)定的行走.試驗結(jié)果表明，這種混聯(lián)腿構(gòu)型設(shè)計具有能夠滿足要求的良好的工作空間和承載能力，對于四足仿生機(jī)器人的研究和改進(jìn)提供了充足的依據(jù)和參考.

在四足仿生機(jī)器人的研究當(dāng)中，為了滿足高承載、高速的要求，分別提出了三種不同的三自由度混聯(lián)腿構(gòu)型設(shè)計方案，通過對四桿機(jī)構(gòu)串聯(lián)、平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用，能夠?qū)Υ?lián)機(jī)構(gòu)中的工作空間建大、機(jī)構(gòu)靈活性較高的優(yōu)勢，以及并聯(lián)機(jī)構(gòu)中具備的載重自重比高的優(yōu)勢進(jìn)行充分的融合與發(fā)揮，從而在各種不同的復(fù)雜環(huán)境中，都能夠確保機(jī)器人具有良好的適應(yīng)能力，安全、穩(wěn)定的開展工作.分別研究和比較三種不同混聯(lián)腿構(gòu)型設(shè)計的前后左右方向運動的各向同性度、承載能力、工作空間等性能，得出第三種混聯(lián)腿構(gòu)型設(shè)計方案具有最為理想的性能[8].將傳統(tǒng)的串聯(lián)腿構(gòu)型設(shè)計與第三種混聯(lián)腿構(gòu)型設(shè)計方案進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)混聯(lián)腿構(gòu)型設(shè)計方案中的機(jī)器人只需要更小的驅(qū)動力矩就能驅(qū)動，因而能夠節(jié)省較多的能源和成本.最終利用這種混聯(lián)腿構(gòu)型設(shè)計方案，制作機(jī)器人樣機(jī)并進(jìn)行了相關(guān)實驗，結(jié)果證明其具有十分良好的性能和優(yōu)勢，對于四足仿生機(jī)器人整體性能的提升，以及其未來的研究發(fā)展提供了良好的參考.

4 結(jié)論

在當(dāng)前的社會當(dāng)中，隨著科技的不斷發(fā)展，很多先進(jìn)的技術(shù)被逐漸應(yīng)用在各個領(lǐng)域當(dāng)中，也取得了較為良好的應(yīng)用效果.在很多復(fù)雜、不穩(wěn)定、惡劣的工作環(huán)境下，人類難以有效的進(jìn)行應(yīng)對，因此可以利用四足仿生機(jī)器人進(jìn)行工作.在機(jī)器人當(dāng)中，混聯(lián)腿構(gòu)型是一種十分有效的設(shè)計方式，經(jīng)過比較具有十分良好的性能，因此能夠得到非常良好的應(yīng)用.

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TP241

A

1673-260X（2016）11-0028-03

2016-06-09

滁州學(xué)院校級規(guī)劃項目：動態(tài)環(huán)境下機(jī)器人SLAM技術(shù)研究（2014GH21)