冗余驱动仿壁虎机器人运动学分析与仿真.pdf

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1、27卷第10期计算机仿真2010年10月文章编号：1006—9348(2010)10—0140—04冗余驱动仿壁虎机器人运动学分析与仿真黄伟峰，孙树栋，李琥(西北工业大学机电学院，陕西西安710072)摘要：研究仿壁虎机器人处于多足吸附支撑状态时，出现冗余驱动问题，机器人驱动难度较大，为协调机器人各关节运动和姿态控制，讨论了一种冗余驱动的仿壁虎四足机器人的自然约束条件，推导了机器人三足吸附状态时冗余驱动变量与独立驱动变量的位置和速度关系，建立r机器人机体正运动学方程，同时建立r机器人的逆运动学方程，用来验证正运动学方

2、程的正确性。机器人正运动学方程是一个高次方程，有16组解，数字仿真结果表明只有一组解满足实际模型要求。逆运动学分析结果及仿真结果验证了正运动学的正确性。关键词：壁虎机器人；正运动学；逆运动学中图分类号：TP242文献标识码：AKinematicsAnalysisandSimulationofaGeckoI沁botunderOver—actuationHUANGWei—feng，SUNShu—dong，LIHu(SchoolofMechatronics，NorthwesternPolytechnicalUniversi

3、ty，Xi’an710072，China)ABSTRACT：ThephenomenonofOver—actuationexistwhenthegeckorobotgraspattheplanewithmulti—leg．thenaturalconstraintconditionisdiscussed，andtherelationshipsbetweentheindependentactuationjointsandre·dundantonesofcrawlgaitfortherobotarederived．SOthe

4、directkinematicssolutionoftherobotispresentedandthemulti—iointCanbeCoorclinated．Furthermoretheinversekinematicsisanalyzed．Itisfoundthatthedirectkinemat．iessolutionneedstosolveasixteen—orderpolynomialequation，butonlyonesolutioniscorrect．Theresultsarever-ifiedbyt

5、heinversekinematicsandsimulations．KEyWoRDS：Geckorobot：Directkinematics；Inversekinematics1引言仿壁虎机器人是能够在地面、壁面及天花板E自由行走的四足机器人，由于壁虎机器人结构采用足式、控制灵活、对壁面的适应能力强、具有很强的越障能力，所以研究一种能够仿壁虎行走的攀爬机器人具有广阔的发展空间。仿壁虎机器人腿部机构处于摆动相时，运动系统为开环串联机构，机构的自由度多，对于这种机构已有很多研究，采用D—H方法即可建立出摆动相腿的运动学模

6、型；而当腿部处于支撑相时，机器人脚掌在目标体上形成稳定的连接，机构演变为闭环并联机构，自由度少，机构处于过约束状态，机器人运动过程中，脚掌的吸附状态变化对机器人的约束状态也产生了影响，为机器人的姿态控制、步态规划及驱动带来了很大难度⋯。从文献[2]可知，为了提高机器人的抗倾覆基金项目：西北工业大学创业种子基金资助项目(W016647)收稿日期：2009—07—09一140一能力，在对仿壁虎机器人进行步态规划时一般采用爬行步态，所以机器人在运动过程中至少有三只脚掌与肇面吸附，此时机器人处于过约束状态，同时在实验过程中发

7、现过约束产生的内力对脚掌的吸附力产生了很大影响，在文献[1]中提出了解决方法，但没有对机器人运动学做更深一步研究，本文推导了机器人冗余驱动量与独立驱动量的关系，建立了机器人机体的运动学方程，为机器人步态规划研究、协调各关节的驱动变量、减少过驱动产生的内力做好准备。2机器人机构仿肇虎机器人结构简图如图1所示，吸附方式采用真空负压吸附。机器人机构采用四足对称分布结构，使机器人结构简单，利于分析。每条腿采用开环机构，具有四个转动关节，其中有三个主动关节屯，纯，y。(i=l，2，3，4表示四条腿的编号)，为了实现机器人每个关

8、节的精确驱动，同时减小机器人重量，减小由重力产生的重力矩对机器人抗倾覆能力的影响，每个主动关节采用一个小型舵机驱动。一个随动关节佛，可以随机构位置的变化而随动，调节机器人机体运动过程中产生的内力，减小内力对吸盘的力作用，使吸盘有效吸附，增强机器人的抗倾覆能力。每个转动关节的布置形式如图1，采用这样布置可以减小机器人重心与壁面之间的距离，减小由重