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液压四足机器人单腿竖直跳跃步态规划

更新时间：2019-12-30 06:32:12 大小：2M 上传用户：zhiyao6查看TA发布的资源 标签：液压四足机器人运动学分析轨迹规划 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

针对机器人跳跃运动落地时冲击力大的问题,面向竖直跳跃运动,以液压四足机器人单腿为研究对象,建立液压驱动四足机器人单腿运动学模型,并分别对机器人单腿处于起跳相、落地相和腾空相时进行轨迹规划;根据关节参数,通过运动学逆解求得驱动函数,利用仿真软件ADAMS进行竖直跳跃步态仿真;搭建单腿实验平台,进行实验验证,依据得到的动态特性,分析步态规划的准确性及合理性,为后续液压四足机器人动步态的研究提供设计和控制依据。


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仪
器
仪
表
学
报
38  
5
期
Vol. 38 No. 5  
May． 2017  
第
卷
第
Chinese Journal of Scientific Instrument  
2017  
5
月
年
液压四足机器人单腿竖直跳跃步态规划  
， ，  
高炳微 王思凯 高元锋  
(
150080)  
哈尔滨理工大学机械动力工程学院 哈尔滨  
: ， ， ，  
要 针对机器人跳跃运动落地时冲击力大的问题 面向竖直跳跃运动 以液压四足机器人单腿为研究对象 建立液压驱动四  
摘
， 、 ; ，  
足机器人单腿运动学模型 并分别对机器人单腿处于起跳相 落地相和腾空相时进行轨迹规划 根据关节参数 通过运动学逆解  
，
求得驱动函数 利用仿真软件  
ADAMS  
; ， ， ，  
进行竖直跳跃步态仿真 搭建单腿实验平台 进行实验验证 依据得到的动态特性 分析  
，
步态规划的准确性及合理性 为后续液压四足机器人动步态的研究提供设计和控制依据  
。
:
;
;
;
;
关键词 液压四足机器人 单腿 跳跃步态 运动学分析 轨迹规划  
: TH137 : A : 460． 99  
国家标准学科分类代码  
中图分类号  
文献标识码  
Single leg vertical hopping gait planning for hydraulic quadruped robot  
Gao Bingwei，Wang Sikai，Gao Yuanfeng  
( School of Mechanical Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China)  
Abstract: Aiming at the problem of large impact force when the robot falls to the ground in jumping motion，in this paper facing to the  
vertical jumping movement，taking hydraulic quadruped robot single leg as research object，the single leg motion kinematics model of the  
hydraulic quadruped robot is established，and the trajectory planning when the single leg of the robot is in take-off phase，flight phase  
and falling phase is carried out． According to the joint parameters，the driving function is obtained through inverse kinematics solution，  
and the simulation software ADAMS is used to simulate the vertical hopping gait． The experiment platform for single leg was set up and  
experiment verification was carried out． According to the obtained dynamic characteristics，the accuracy and rationality of gait planning  
are analyzed，which provides the design and control basis for the following study of the dynamic gait of hydraulic quadruped robot．  
Keywords: hydraulic quadruped robot; single leg; hopping gait; kinetics analysis; trajectory planning  
，
单足机器人的动步态 并提出了基于弹簧负载倒立摆模  
，
型的简单实用的三分控制方法 即把机器人的状态划分  
1
引
言
、 3 ，  
为跳跃状态 前进运动状态和姿态调整状态 个部分 并  
、
液压四足机器人具有四足动物高灵活性 高适应性  
， ，  
分别进行了控制 取得了很好的效果 实现了平坦地形和  
［4］  
，
和高动态性等特有的品质 能够适应多种复杂环境  
。
; Singh S． P． N．  
等人 设计  
因
斜坡地形下的对角步态行走  
，
此 液压四足机器人因其优良的综合性能成为当前人们  
，
了基于椭圆轨迹的四足机器人足端轨迹 实现了四足机  
［1］  
［5］  
。
; Sorokin S． V．  
研究的主要对象  
器人的跳跃步态  
等人 通过对髋关节力矩  
、
机器人机动性 动态性的优劣则取决于对其动步态  
Bound ; Kim H  
的控制实现了对单腿机器人的  
步态控制  
等人 建立了平面五连杆模型 使用反演控制法实现了  
Bound  
［6］  
， ，  
的规划 跳跃步态作为最为典型的一种动步态 对其进行  
，
。
深入研究无疑具有很重要的意义 国内外众多国家对液  
。
欠驱动四足机器人单腿  
步态的仿真  
，
压四足机器人单腿跳跃步态展开了相关研究 并相继研  
，
在此背景下 我国也提出了研发液压四足仿生机器  
［2］  
［3］  
［7］  
。Marc H． R．  
1986  
，
人的科技计划 山东大学的孟健等人 针对控制四足机  
发出多台物理样机  
于
年研究了  
: 2016-12  
Received Date: 2016-12  
收稿日期  
5
:
高炳微 等 液压四足机器人单腿竖直跳跃步态规划  
1087  
第
期
，
器人的奔跑问题 提出了一种基于跳跃步态的奔跑控制  
1
在图 的单腿  
D-H ，  
坐标系中 腿部相邻坐标系间的  
，
方法 通过腿部的快速小幅度摆动实现四足机器人的跳  
:
关系定义如下  
1) ，  
关节转角 θ 是相邻两关节轴线间的夹角 即相邻  
i
， ，  
跃运动 最终通过仿真和实验验证 证实了该方法的有效  
［8］  
X
两坐标系 轴之间的转角  
;
;
性和正确性 华中科技大学的钟剑锋等人 针对跳跃运  
2)  
L ，  
连杆长度 是相邻两关节轴线之间的距离 即从  
i
，
动冲击大的特点 基于仿生学设计了一种液压驱动四足  
Z
X
X i  
的交点沿 轴到第 坐标系的原点所偏置的距  
i
到
，
3
机器人单腿结构 提出了基于 次曲线轨迹跟踪的跳跃  
MATLAB ADAMS ，  
的联合仿真研究 验  
i－1  
i
;
离
，
方法 并进行了  
和
3)  
与
4)  
，
连杆扭角 α 是相邻两关节公垂线间的夹角 即  
i
;
证了此种跳跃方法的有效性 西北工业大学的张雪峰等  
［9］  
Z
Z
。
间的转角  
i－1  
i
、
针对四足机器人在非结构环境下的高速 高机动性  
人
d
Z
Z
， i-1  
间的距离 即从第 坐  
连杆距离  
是
与
i
i－1  
i
， ，  
的要求 提出了一种液压驱动的单腿结构模式 并采用  
Z
Z
X
轴和 轴交点的距离  
i
。
标系的原点沿  
轴到  
i－1  
i－1  
PD  
迭代学习控制算法对机器人腿部关节进行了轨迹跟  
2． 2  
单腿正运动学建模  
四足机器人单腿正运动学就是根据腿部关节转角和  
， 。  
踪控制 实现了机器人单腿的周期性跳跃 这些研究推  
。 ，  
动了我国四足机器人的快速发展 但是 国内四足机器  
，
结构参数 求出足端坐标系相对于机体坐标系的位姿及  
、 、  
人在负载能力 环境适应性 步态行走及抗冲击等方面还  
［13］  
［10］  
。
相互间变换矩阵  
。
，
因此 我国需要尽快开展相关研究工  
有很大的不足  
［11］  
通过足端和机体之间相邻坐标系变换矩阵相乘可得  
，
作 在相关理论和关键技术方面有所突破  
。
， :  
出足端坐标系相对于机体坐标系的变换矩阵 即  
， ，  
由于四足机器人各条腿结构相同 在研制过程中 往  
A
A
B
C
T
= T · T · T  
C
( 1)  
。
往事先设计出一条腿来进行实验测试 单腿跳跃与四足  
D
B
D
{ O }  
0
{ O }  
相对于机体质心坐标系  
b
横摆关节坐标系  
pronk  
，
步态类似 实现单腿跳跃运动有助于获得一些实测参  
:
的变换矩阵如下所示  
， ，  
数 优化四足机器人腿部机械结构 是研究四足机器人复杂  
［12］  
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
－ a  
，
运动的必备前提 对其整体控制也有一定的参考价值  
。
－ b  
－ c  
1
b
， ，  
因此 本文以液压四足机器人单腿为研究对象 基于  
T
=
( 2)  
0
－ 1  
0
: 2a、2b 2c  
，
单腿模型进行了正运动学的推导和逆运动学的求解 并  
。
对单腿跳跃步态进行了轨迹规划 同时通过  
ADAMS  
对
。
式中  
及
分别表示躯干的长宽高  
根据所建模型结构参数及转换关系可知 坐 标 系  
{ O } ，  
。
机器人的跳跃步态进行了仿真分析 并搭建机器人单腿  
， 。  
实验平台 对跳跃步态进行实验验证 为后续高性能液  
{ O }  
1
Z ，  
经过了绕 轴转动 θ 角 转  
1
相对于坐标系  
0
压驱动四足机器人的步态规划及控制提供了一定的方法  
:
换矩阵如下  
。
和理论指导  
c
－ s  
0
0
0
1
1
s
c
0
0
1
0
0
1
2
机器人单腿运动学建模  
T
=
( 3)  
1
0
0
1
0
0
1
2． 1  
D-H  
单腿  
坐标系建立  
法对液压驱动四足机器人单腿进行运动  
D-H  
{ O }  
2
{ O } ，  
1
髋关节坐标系  
相对于横摆关节坐标系  
D-H  
采用  
Y ， X  
经过了绕 轴转动 θ 角 然后沿 轴平移  
2
L ，  
转换矩阵  
1
，
1
。
学分析 其建立的单腿  
坐标系如图 所示  
:
如下  
c
－ s  
1
L
2
2
1
0
1
0
0
0
1
T
=
( 4)  
2
－ s  
－ c  
0
2
2
0
0
0
1
{ O }  
3
{ O } ，  
经
2
膝关节坐标系  
相对于髋关节坐标系  
Z ， X  
过了绕 轴转动 θ 角 然后沿 轴平移  
3
L ，  
转换矩阵如  
2
:
下
c
－ s  
1
0
L
3
3
2
s
c
0
2
3
0
0
3
T
=
( 5)  
3
0
0
1
0
0
1
图
单腿运动学模型  
1
Fig． 1 Single leg kinematics model  

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