M ac hine B uildingA uto mation,Jun 2008,37(3):21～23,33作者简介:马东兴(1982— ),男,江苏省丹阳市人,在读硕士研究生,主要从事虚拟样机和四足机器人技术研究。
新型四足机器人步态仿真与实现马东兴,王延华,岳林(南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016)摘 要:研究一种背部带关节的新型四足机器人,通过三维建模软件Pr o /E 和机械系统动力学仿真分析软件ADAMS 建立了四足机器人虚拟样机,规划了四足机器人的步态,并且利用AD 2AM S 仿真软件对该四足机器人进行了步态仿真,同时利用单个AT89C52单片机成功实现对四足机器人5个舵机的独立控制以及舵机的速度控制。
仿真与实验结果表明四足机器人能够根据设计步态实现直线行走。
关键词:四足机器人;步态仿真;舵机;单片机中图分类号:TP24 文献标识码:A 文章编号:167125276(2008)0320021203Ga it S i m ul a ti on and I m plem en t a ti on of a New Quadruped RobotMA Dong 2xing,WANG Yan 2hua,Y UE L in(Co ll ege o f M echan i ca l and E l ec tri ca l Eng i nee ri ng,N a n ji ng U n i ve rs ity o f Ae r o na u ti c s &A s tr o na u ti c s,N a n ji ng 210016,C h i na )Abstract:A new qua drup e d r obo t w ith w a ist 2j o i nt is d iscu sse d i n this p ap e r .The virtua l p r o t o type o f quad rup ed r obo t is c re a te d byP r o /E a nd ADAM S a nd the ga it o f the r obo t is p l a nne d.The ga it s i m ul a ti o n of the qua drupe d r o bo t is do ne by ADAM S virtua lp r o t o ty 2p i ng so ft w a re.M e a nw hil e ,w e succe s sfull y con tr o l fi ve rudde r se rvo s by a s i ngl e AT89C52SCM a nd a lso rea li ze the ve l o c ity co ntr o l of the rudde r se rvo.The s i m ul a ti o n a nd e xp e ri m e nta l re sults show tha t the qua drup e d r o t w ith w a is t 2j o i n t ca n w a l k s tra i ght s te a dil y thr ough the de s i gned ga it .Key words:qua drup e d r obo t;ga it s i m ul a ti o n;rudde r se rvo;SCM0 引言与轮式机器人或履带式机器人相比,由于足式机器人的立足点是离散的点,可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点,足式机器人对崎岖路面也具有很好的适应能力,因此足式机器人受到各国研究人员的普遍重视,目前已成功开发了多款足式机器人。
例如日本东京工业大学研发的TI T AN 2V III [1]机器人,每个腿具有3个自由度,其中大腿关节具有前后转动和上下转动2个自由度,膝关节具有1个上下转动自由度。
采用新型的电机驱动和绳传动。
上海交通大学马培荪等人研制的JT UWM 2III 四足机器人[2,3],腿为开链式关节型结构,膝关节为一纵摇自由度,髋关节为纵摇和横摇2个自由度。
每一腿有3个自由度,共12个自由度。
机体重心较高,与哺乳类动物相似,适应于动态行走。
华中科技大学研发的“4+2”多足步行机器人[4,5],其腿部件由髖关节、大腿关节、小腿关节和踝关节四部分组成,大、小腿关节之间由线轮传动,每一腿有3个自由度。
但是先前研制的机器人的本体大多是一个刚性整体,没有考虑机器人的背部关节。
因此,在分析卡内基梅隆大学(Carnegie Mell on Uni 2versity )研制的RGR 仿壁虎机器人[628],以及韩国庆北大学(Kyungpook Nati onal University )设计的E L I RO 2II 四足步行机器人的基础上[9,10],研究了一种新型四足机器人。
该机器人与传统的足式机器人相比,其机器人本体不再是一个单一的刚性整体,而是在本体上用一个主动关节将机器人的本体分为前后两个部分,通过背部主动关节的运动来实现四足机器人的直线行走。
通过机械系统动力学仿真分析软件(aut omatic dynam ic analysis of mechanical sys 2te m s,ADAMS )对该四足机器人虚拟样机进行步态仿真,同时利用单个AT89C52单片机成功实现对四足机器人5个舵机的独立控制以及舵机的速度变化,四足机器人的直线行走平均速度达到12.14mm /s 。
1 四足机器人虚拟样机1.1 四足机器人结构传统的四足机器人每个腿有2个或3个自由度,本文研究的四足机器人结构简单,每个腿只有1个自由度,但是在机器人背部增加了1个自由度。
四足机器人的结构如图1所示。
该四足机器人有5个主动关节(图中关节1至关节5)和1个被动关节(6点),各关节的运动方向如图1所示。
主动关节由舵机驱动。
z 轴正方向为四足机器人前进方向。
关节1至关节4四个主动关节可以使各腿在xoy 平面上下摆动。
关节5可以使前后本体在xoz 平面转动。
1.2 四足机器人接触力当足与地面之间发生接触时,这两个物体就在接触的・12・htt p:∥ZZHD.chinaj ournal .net .cn E 2mail:ZZHD@chainaj ournal .net .cn 《机械制造与自动化》图1 四足机器人结构简图位置产生接触力。
足与地面的接触力是一种特殊的力,它们之间是一种时断时续的接触,在这种情况下,足与地面从不接触到接触再到不接触,由于存在相对运动,在接触的位置,足与地面开始出现材料压缩,物体的动能转化成材料的压缩势能,并伴随着能量的损失。
当足与地面的相对速度为零时,足又要开始弹起,势能转化成动能,并伴随着能量的损失。
在ADAMS 软件中有两种计算接触力的方法[11],一种是补偿法(restituti on ),另一种是冲击函数法(i m pact )。
补偿法:接触力根据给出的惩罚参数和归还系数进行计算,其中惩罚系数用来模拟单边约束,归还系数用来控制碰撞时能量的扩散。
冲击函数法:计算碰撞力时,调用ADAM S 函数库中的i m pact 函数来计算相互碰撞的两个物体之间的接触力。
接触力由两个部分组成,一个是由于两个物体之间的相互切入而产生的弹性力,另一个是由相对速度产生的阻尼力。
所以,补偿法适于多次碰撞,而冲击函数法适于单侧碰撞。
四足机器人虚拟样机中,足与地面的碰撞是单侧碰撞,因此选用冲击函数法(i m pact )。
而摩擦力取为库伦摩擦力,接触力的各参数如表1所示。
表1 接触力参数设置接触力参数名称数值大小静态摩擦系数0.8动态摩擦系数0.7刚度/(N /mm )2855力的非线性2.2最大阻尼系/(N ・sec /mm )10最大阻尼时变形深度/mm 0.1摩擦转换速度/(mm /s )10粘质转换速度/(mm /s )0.1 由于ADAMS 软件的建模功能有限,通过功能强大的建模软件Pr o /E 创建四足机器人的三维实体模型,再通过MD I 公司开发的无缝连接Pr o /E 软件与ADAM S 软件间的接口模块M echanis m /Pr o 将模型导入到ADAMS 中添加约束和驱动。
根据机器人的实际运动情况,在腿与本体之间分别添加旋转副(revolute j oint )约束,并且在各腿与地面之间利用实体与实体(s olid t o s olid )接触形式创建了四个接触(contact )。
其虚拟样机如图2所示。
四足机器人基本参数为:长130mm,宽105mm,高65mm,质量约50g。
图2 四足机器人的虚拟样机2 步态原理与仿真对于足式机器人来说,其稳定性主要取决于步态。
步态是步行机器人的一种迈步方式,是步行机器人各腿协调运行的规律,即各腿的抬腿和放腿顺序。
占空系数β是指机器人腿处于支撑状态的时间与一个步态周期的比。
四足动物存在成千上万种步态,而目前比较常见的步态主要有爬行步态(cra wling gait )、对角小跑步态(tr otting gait )、溜蹄步态(pacing gait )、跳跃步态(bounding gait )等。
利用虚拟仿真软件ADAMS 自带的Step 函数规划出四足机器人5个主动关节的驱动函数MOTI O N _1～M I TI O N _5,step 函数利用三次多项式逼近海赛(Heaviside )阶跃函数[5](图3)。
该步态是处于对角线上的两腿先后抬起9°,再同时放下,设置仿真步长为0.1s,仿真8.7s。
图3 四足机器人关节驱动函数四足机器人的行走过程如图4所示。
图4(a )为四足机器人起始状态;图4(b )为四足机器人前左足1与后右足4处于支撑相,关节5正向旋转27°;图4(c )为四足机器人前右足2与后左足3处于支撑相,关节5反向旋转54°;图4(d )为四足机器人前左足1与后右足4处于支撑相,关节5正向旋转54°,此后四足机器人按照“足1—足4—足2—足3”的迈腿顺序,即图4(c )与图4(d )交替前进。
通过ADAMS 步态仿真后处理程序得到四足机器人平均速度是12191mm /s 。
・22・图4 四足机器人行走过程3 实验验证3.1 舵机主要参数及工作原理舵机主要由舵盘、直流电机、减速齿轮组、位置反馈电位计和内部控制电路组成。
本文选择的是质量仅为4.3g的BA2TS24.3型号的舵机。
其主要参数列于表2。
表2 舵机主要参数参数名称参数大小可控转角范围/(°)0～180可控脉宽范围/m s0.5～2.5堵转扭矩/(kg・c m/V)0.7/4.8;0.8/6.0空载速度/[s/(°)]0.12/60总体尺寸/mm19.6×19.6×8 舵机是一种位置伺服的驱动器,适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。