仿生四足机器人的仿真研究.pdf

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1、机械传动2013年文章编号：1004—2539(2013)09—0030—04仿生四足机器人的仿真研究周立炜蔡芸(武汉科技大学机械自动化学院，湖北武汉430081)摘要为了适应复杂多变的山地环境和载重要求，以生物马为原型设计了一种四足仿生步行机器人。首先在虚拟样机软件中建立结构模型，用虚拟样机技术对机器人的运动状态进行仿真和验证，通过改进符合哺乳动物运动规律的驱动函数以提高机器人的运动灵活性，使其达到设计的步速，然后使用有限元分析软件对其在所受最大冲击力处进行分析以验证结构的可靠性。关键词仿生四足机

2、器人虚拟样机仿真有限元分析ResearchontheSimulationofBionicQuadrupedRobotZhouLiweiCaiYun(CollegeofMechanicalandAutomation，WuhanUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430081，China)AbstractInordertoadaptthecomplexandchangeablemountainenvironmentandloadrequirement，aquadr

3、upedbionicwalkingrobotisdesignedbytakingthehorseasprototype．Firstofal1．theconstructionmodelissetupinthevirtualprototypingsoftware，themotionstatesimulationandverificationarecarriedoutbyusingvirtualproto—typingtechnology．Throughimprovingthedrivingfunctio

4、nwhichaccordwiththemovementlawofmammalanimaltoimprovethemovementflexibilityofrobotandreachthedesignspeed，andthen，theanalysisofthemostimpactforcepositioniscarriedoutbyusingfiniteelementanalysissoftwaretoverifytheconstructionreliability．KeywordsBionicqua

5、drupedrobotVirtualprototypingsimulationFiniteelementanalysis生四足步行机器人，以机器人的步行速度和结构强度0引言为目标，最后通过虚拟样机技术和有限元分析验证其相比传统的轮式和履带式机器人，仿生足式机器结果的正确性。人有着明显的技术优势，由于轮式机器人轮子的接近l四足机器人的结构设计角和离去角的限制大大制约了其机动性，其转弯半径也是一大问题，在陡峭的山坡其弱点将制约其活动空1．1四足机器人的腿部机构设计间，研究四足动物的动力学特征非常有利于改

6、进当前从结构设计的要求看，机器人的结构缺陷，提高环境适应能力⋯。根据最近机器人的腿部机构不能过于几十年的足式机器人的研究进展表明，从实用性、机构复杂，杆件太多会导致传动的复杂度、稳定性等方面考虑，四足是足式机器人的比效率低下。足式机器人的腿较理想的结构形式。机构之间的布置形式有4在2005年由BostonDynamics、NASAJetPropulsion种，分别是肘膝式、膝膝式、Laboratory．以及HarvardUniversityCFS共同研制的Big．膝肘式、肘肘式_3J。由于肘Dog被

7、认为是当前最先进的四足机器人l_2j。Bigdog采膝式相对其他几种方式在上下坡时候更有优势，同时也图1机器人的腿部机构简图用一台功率11．25kW，最高转速达到9000转的竞赛水冷发动机驱动，液压系统作为执行机构，它能负载更近似马的骨骼结构，所以将采用肘膝式如图1所示。150kg货物，然后以6．4km／h穿越非常崎岖的地形。腿部机构由髋部关节和膝关节及小腿关节3部分组为了使四足机器人能在特殊和危险环境下的作业，具成，髋关节可以侧向摆动，膝关节和小腿关节在一个平有极高的可靠性和快速运输能力，本文将设

8、计一种仿面运动。第37卷第09期仿生四足机器人的仿真研究31假设四足机器人任意时刻处于支撑相的腿数为An+1(n≤4)，此时模型为具有n个分支的空间多环并联机rC6+1一SOn+lCa+1SOn+1Sa+1‰+1C0+1]构，其自由度可以由下式计算【Jls+lCO+1Ca+1一c+1sa+1Ⅱ+ls+llD￡F=一∑一一F1+0(1)1l0Sa+lCa+ld+1I0001j式子，P为运动副数，P=4n；为第i个运动副具有的(4)自由度数，．=1(i：1～3n)，=3(