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气动柔性关节仿生六足机器人步态规划与运动性能研究

更新时间：2019-12-30 02:20:05 大小：3M 上传用户：IC老兵查看TA发布的资源 标签：六足机器人步态规划 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

采用自主研发的气动多向弯曲柔性关节设计了一种仿生六足机器人。该机器人外形类似蜘蛛,利用腿部柔性关节在气压下的形变进行驱动。针对机器人腿部运动的特点,采用三角步态法,规划了机器人的行进和转弯步态,进行了仿真和实验。依据关节形变机理,建立了机器人运动学模型,确定了本体和足部位置关系,分析了机器人的步距、转角和整体速度,并通过实验加以验证。利用3D运动捕捉系统进行了机器人运动学实验,获得了机器人足部工作空间,分析了在不同气压、步频和负载条件下机器人的运动性能。实验结果表明,按照规划步态,通过气压控制系统协调腿部运动,机器人可实现前进、平移和转弯等功能。该机器人最大运动速度为100 mm/s,可负载能力为0.5 kg。


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2 0 1 8  
2
农 业 机 械 学 报  
49  
2
卷 第 期  
年
月
第
doi: 10． 6041 /j． issn． 1000-1298． 2018． 02． 050  
气动柔性关节仿生六足机器人步态规划与运动性能研究  
1
1
1
2
2
赵云伟 耿德旭 刘晓敏 刘荣辉 刘 齐  
( 1．  
，
北华大学工程训练中心 吉林  
132021; 2．  
，
北华大学机械工程学院 吉林  
132021)  
: 。 ，  
摘要 采用自主研发的气动多向弯曲柔性关节设计了一种仿生六足机器人 该机器人外形类似蜘蛛 利用腿部柔  
。 ， ，  
性关节在气压下的形变进行驱动 针对机器人腿部运动的特点 采用三角步态法 规划了机器人的行进和转弯步  
， 。 ， ， ，  
态 进行了仿真和实验 依据关节形变机理 建立了机器人运动学模型 确定了本体和足部位置关系 分析了机器  
、 ， 。  
人的步距 转角和整体速度 并通过实验加以验证 利用  
3D  
，
运动捕捉系统进行了机器人运动学实验 获得了机器  
， 、 。 ， ，  
人足部工作空间 分析了在不同气压 步频和负载条件下机器人的运动性能 实验结果表明 按照规划步态 通过  
， 、 。  
气压控制系统协调腿部运动 机器人可实现前进 平移和转弯等功能 该机器人最大运动速度为  
100 mm/s，  
可负载  
0. 5 kg。  
能力为  
: ; ; ;  
关键词 气动柔性关节 六足机器人 步态规划 运动性能  
: TH138. 5 : A : 1000-1298( 2018) 02-0385-10  
文献标识码 文章编号  
中图分类号  
Gait Planning and Kinematics of Bionic Hexapod Robot Based on  
Pneumatic Flexible Joint  
1
1
1
2
2
ZHAO Yunwei GENG Dexu LIU Xiaomin LIU Ronghui LIU Qi  
( 1． Engineering Training Center，Beihua University，Jilin 132021，China  
2． College of Mechanical Engineering，Beihua University，Jilin 132021，China)  
Abstract: A pneumatic bionic hexapod robot employing independent-developed multidirectional bending  
pneumatic joints was presented． The configuration of hexapod robot was similar to the spider，and the  
flexible joints of legs of robot were driven by the deformation at different air pressures． By investigating  
the characteristics of leg movement of robot，the gait of the hexapod robot was planned based on the tripod  
gait，including the straight walking gait and the turning gait． In addition，the simulation and experiments  
on walking gait of robot were done，respectively． The kinematics model of hexapod robot was set up  
according to the mechanism of joint deformation，and the relation between the center mass of robot and  
foot positions was got． The step，rotation angle and speed of hexapod robot were analyzed，which were  
verified by the experiments subsequently． The kinematics experiments of hexapod robot were completed  
and the workspace of the foot was studied on 3D motion capture system． Meanwhile，the movement  
performances of the hexapod robot on different loads were investigated with each stride frequency under  
different pressures． The experiments showed that the hexapod robot can stride forward，move horizontally  
or make a turn with the movement of each leg cooperated in harmony by controlling the pressure control  
system in accordance with the gait planned． The maximum speed of hexapod robot was 100 mm/s，and  
the load capacity was 0. 5 kg． The research result laid the foundation for the application of pneumatic  
bionic hexapod robot in the complex agricultural environment．  
Key words: pneumatic flexible joint; bionic hexapod robot; gait planning; kinematics performance  
，
足部与地面点接触的方式运动 具有更好的灵活性  
0
引言  
［1 － 3］  
，
和机动性 适于在农田等复杂地面行走  
，
可用于  
，
与轮式和履带式机器人相比 足式机器人采用  
、 。  
农作物的采摘 托运和检测等 常见的足式机器人  
: 2017-11-30  
: 2017-12-25  
修回日期  
收稿日期  
:
基金项目 国家自然科学基金项目  
( 51275004) 、 ( 20150101026JC)  
吉林省自然科学基金项目  
和北华大学青年教师提升计划项目  
:
作者简介 赵云伟  
( 1978—) ， ， ， ，  
男 副教授 博士 主要从事智能精密制造和机器人技术研究  
，E-mail: jluzyw@ 163． com  
:
通信作者 耿德旭  
( 1964—) ， ， ， ， 、 ，E-mail: gengdx64@ 163． com  
男 教授 博士 主要从事智能精密制造 机械系统动力学和机器人技术研究  
386  
2 0 1 8  
年
农
业
机
械
学
报
、 ，  
多采用四足 六足和多足形式 以电动机和液压驱动  
［4 － 6］  
［7］  
。FRED  
为主  
等
研制了一种类似昆虫的仿生  
， ，  
六足机器人 该机器人仿照美洲螳螂外形 采用类似  
。
螳螂的腿部结构 印度国家技术研究所针对六足地  
，
面移动机器人中建立了静力学和动力学模型 进行  
、
了行走稳定性和能量消耗 转向步态规划及实时控  
［8 － 11］  
。
制策略研究  
韩国成均馆大学研制了带有视  
、
觉传 感 系 统 可 在 复 杂 环 境 下 行 走 的 四 足 机 器  
［12］  
［13 － 14］  
1
图
六足机器人结构  
。
，
将并联机构用于腿部结构 设  
人
荣誉等  
Fig． 1 Structure of bionic hexapod robot  
、
计了一种用于山地 林地和丘陵等环境的农业六足  
4
( 2) 。  
根伸长型人工肌肉并联组成 图 人工肌肉  
由
， ，  
机器人 并对该机构进行了静力学和运动学分析 建  
，
内部为弹性橡胶气囊 外部设有圆柱螺旋弹簧可束  
。
立了位置逆解模型与速度映射方程 文献  
［15］  
阐
。 ，  
缚胶囊径向变形 通入压缩气体后 人工肌肉内壁  
，
述了一种中心对称的六足机器人 并依据螺旋理论和  
，
受压膨胀 压力气体在驱动器端盖部产生作用力驱  
，
指数乘积方程建立了动力学模型 进行了运动性能分  
。
动关节变形 通过控制关节内不同肌肉的内腔压  
。
析
哈尔滨工业大学研制了大尺度重载液压驱动六足  
， 。  
力 柔性关节可向空间多方向弯曲和轴向伸长  
，
机器人 研究了腿长比例对步行速度和关节速度的影  
，
响 并提出一种减小足地接触冲击的足端轨迹规  
［16 －17］  
。
划
上述国内外学者研制的足式机器人的腿部结构  
，
多采用分段刚性结构或并联结构 缺乏类似生物肌  
［18］  
。
肉的柔顺性和灵活性  
而气动人工肌肉在柔顺  
，
性方面具有生物肌肉特性 适于作为仿生机器人的  
［19］  
。
关节和执行机构  
目前气动人工肌肉驱动的足  
，
式机器人研究和应用较少 尚无采用柔性关节直接  
。
驱动的六足机器人 为扩展人工肌肉在地面移动机  
，
器人中的应用 本文采用自主研发的气动多向弯曲  
，
柔性关节设计一种六足地面移动机器人 关节直接  
， 。  
应用于机器人腿部 驱动机器人运动 为实现机器  
2
图
多向弯曲柔性关节结构  
， 。  
人的自由移动 需要合理地规划其步态 针对该机  
Fig． 2 Structure of multidirectional bending joints  
， “  
器人的腿部柔性关节的形变特性 采用 三角步态  
”
p = p，i = 1、2、3、4  
i
人工肌肉通入气压  
为人工肌  
， ，  
原理规划行进和转弯步态 并建立其运动学模型 采  
(
肉编号 图  
2) 。  
，
根据关节的变形 机器人腿部的动  
3D  
。
运动捕捉系统测试机器人的运动性能  
用
4
: p = p，p = p = p = 0  
1 2 3 4  
作模式  
曲摆动  
p = 0  
种
时的斜侧向弯  
p = p = p，p =  
1
六足机器人结构与关节建模  
; p = p = p，p = p = 0  
1 2 3 4  
或
1
4
2
; p = p = p = p，p =  
1 2 3 4  
时的外展或正屈运动  
3
1. 1  
结构与运动原理  
0
; p = p = p = p = p  
1 2 4 3  
时的斜侧向弯曲摆动  
时的  
文中研制的气动六足机器人主要由本体和腿部  
。
轴向伸展运动  
4
机器人腿部气压控制系统由 个电磁换向阀控  
， 1 。  
组成 其结构如图 所示 该机器人本体仿照爬行  
( ) ， 。  
类昆虫 蜘蛛 外形 腿部对称分布于身体两侧 机  
1 ， 3  
制和 个电气比例阀组成 其控制原理如图 所示  
。
( ) 、  
器人的腿部由气动多向弯曲柔性关节 大腿 小腿  
PLC  
通过  
控制电气比例阀调整关节内肌肉的充气  
， ，  
和足部组成 其中柔性关节在气压下产生变形 可模  
， ;  
压力 控制关节形变量 通过控制各个电磁换向阀的  
。
拟昆虫腿部伸展和弯曲动作 该机器人采用外置控  
18 12 ，  
个机动度 负载能力  
，
通断控制关节内肌肉的充气状态 完成设定工作模  
，
制系统 具有  
个自由度和  
。
式下的动作  
0. 5 kg。  
，
通过气压控制系统协调腿部运动 实现  
为
，
在关节内肌肉不同通气组合方式下 机器人腿  
、
。
前进 平移和转弯等功能  
1. 2  
1. 2. 1  
多向弯曲柔性关节属于气动复合弹性体 主要  
， 4 。  
部的动作模式 如图 所示 在柔性关节的驱动下  
，
柔性关节模型  
结构与功能  
、 、  
机器人的腿部可实现迈腿 蹬腿 平移和抬腿等  
，
。
动作  

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