六足步行机器人设计

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1、http://www.paper.edu.cn六足步行机器人的设计侯思雯甘肃农业大学，兰州（730000）E-mail：eleven-kw@163.com摘要：本文设计的多足步行机器人具有冗余驱动、运动拓扑的特点。为实现其步行全方位机动性及作业多功能性，需要解决一系列的技术问题，而步态规划及控制实现是其中的关键之一。为此，本文将围绕多足步行机器人步态生成分析、步态控制实现等问题展开研究。首先，综合分析了现有多足机器人的步行机构。阐述了多足步行机器人的步行运动特点，分析了其运动学特征；接着，分析了多足步行机器人的占空系数，提出了多足步行机器人静态步行的稳定性判定方法，规划了机器人直线

2、行走步态、定点转弯步态，以及跨越障碍物的行走步态。并推导出了能适应不平地面的直线行走步态最大跨步和定点转弯步态最大转角的计算方法；然后，对其机械部分进行了设计计算；最后用PLC实现对步态的控制。关键词：多足步行，步态生成，静态稳定性，PLC中图分类号：TP242.61引言步行机器人是模仿动物的运动形式，采用腿式结构来完成多种移动功能的一类特种机器人。参照工业机器人的标准定义，可以把步行机器人理解为“一种由计算机控制的用足机构推进的地面移动装置”以区别于行走式机械玩具及固定行走模式的机械装置。通常足数多于或等于四的步行机器人称为多足步行机器人，该类机器人能够在不平的路面上稳定地行走，

3、可以取代轮式车完成在一些复杂环境中的运输作业，因此多足步行机器人在军事运输及探测、矿山开采、水下建筑、核工业、星球探测、农业及森林采伐、教育、艺术及娱乐等许多行业有着非常广阔的应用前景。长期以来，多足步行机器人技术一直是国内外机器人领域研究的热点之一。为了探索多足步行机器人技术的研究前沿，给我国多足步行机器人工程实用化开发提供关键技术的支持，开展多足步行机器人相关理论和技术的研究具有十分重要的科学意义和应用价值。2多足步行机器人运动自由度的分析步行机器人的机械部分是机器人所有控制及运动的载体，其结构特点直接决定了机器人[1]的运动学特征，其性能的好坏也直接决定了功能可行性。多足步行

4、机器人的机构系统主要包括机器人腿部件的布局、腿部件的结构形式、腿的数量等，而其中腿部件的结构形式是多足步行机器人机构的重要组成部分，是机械设计的关键之一。因此，从某种意义上说，对多足步行机器人机构的分析主要集中在对其腿机构的分析。一般地，从机器人结构设计要求看，腿机构不能过于复杂，杆件过多的腿机构形式会引起结构和传动的实现产生困难。因此对多足步行机器人腿机构的基本要求可以归纳为：（1）实现运动的要求；（2）承载能力的要求；（3）结构实现和方便控制的要求。本设计采用“3+3”多足步行机器人。-1-http://www.paper.edu.cn自由度表示了机器人运动灵活的程度。自由度越

5、多，机器人运动越灵活，能够完成多功能的可能性就越大。多足步行机器人站立时和地面组成了一个空间闭环机构，该空间机构是一系列构件和运动副连接而成的。根据空间自由度理论，若在三维空间中有n个完全不受约束的物体，并且任选其中的一个为固定参照物，因每个物体相对参照物都有6个运动自由度，则n个物体相对参照物共有6(n-1)个运动自由度，若在所有的物体之间用运动副联接起来，设第i个运动副的约束为ui，如果所有n个物体之间的运动副数目为g，这时的运动自由度应减去所有的约束数的总和，机构的自由度为：gM=−−6(nu1)∑ii=1(1)其中M表示自由度。一般情况下，式中的ui可以用代替，fi为第i个

6、运动副的相对自由度数。则得到KutzbachGrubler公式：gM=−−+6(ng1)∑fii=1(2)一般地，多足步行机器人能实现灵活的行走动作，其腿机构至少必须有两个自由度，即前后的摆动和上下的抬放运动。构成两个自由度地方法可以都采用回转副，或是采用一个回转副和一个可伸缩的移动副，还有就是采用两个移动副，将前后的摆动变为前后滑移。目前，这种两自由度的腿机构多足机器人的研究中以有了较多的应用，但是想利用腿的转动改变前进方向，或是在原地旋转，那腿部机构就至少三个自由度，即在两自由度腿上加一个水平旋转自由度，如图1所示。图1三自由度腿结构示意图3六足步行机器人步态规划多足机器人要体

7、现良好的地面适应能力和行走灵活性，需要规划合理、有效的行走步态。步态不仅是指步行机器人各条腿抬腿、放腿的顺序，还包括机器人占空系数分析、足端轨迹[2-3]的选择等。一般是模仿动物的行走姿态来研究机器人的步态。如有n条腿在步行时，每条腿各自离地和接地不同时发生，按生成顺序所组成的个数为：-2-http://www.paper.edu.cnNn()(21)!=−n(3)本章以自主研制的“3＋3”多足步行机器人为对象，研究多种步态生成算法，避免了死锁现象，并能保证机器人步行