轮腿可切换机器人步态切换动作设计及其机体位姿测量仿真

摘
要： 轮 腿 可 切 换 机 器 人 在 不 同 的环 境 下 具 有 不 同 的运 动 性 能 ， 研 制 一 款 新 型 轮 腿 可 切 换 机 器 人 。该 机 器 人 可 实 现 轮 式 步 态 和 腿 式 步 态 的 切 换 以 适 应
不同环境 ． 最大限度提高机器人运动性能 。本文研究 了机器人进行 步态切换 时， 机器人机体 位姿变化及 机器人机体 质心在空 间的位移及 机器人腿 各个 关 节的旋转角度的变化的测量方法 ， 为机器人稳定性研究提供依据 。通过 对机 器人步态切 换动作进行仿 真 ， 测量机 器人质心在空 间的变化 量及 关节角度 变
问题设 计一 种 机器 人轮 腿转 换方 式 。假设 机 器人 由平 坦
成， 机 体采 用相 对 称 的 方式 配 置 。机 体 内驱 动 电 源 及 控
制模 块 沿 中心 线 对称放 置 。 ２ 轮 式步 态 到腿 式步 态 的切换 分 析 ２ ． １ 轮 式 步态 切换 为腿 式 步态 动作 如 图 １所 示 为 机 器人 在 轮 式 步 态 。前 轮 板 、 中轮 板
化调 节 机体 姿态 ， 左 后腿 与 右后 腿 中 的 中轮 板 与 末端 轮 板绕 端 轮板 与地 面接 触线 旋转 至 中轮 板与末 端 轮板 完 全 站立 。机器 人完 成 由轮式 步 态转化 为腿 式 步态 。
基金项 目： 上海市 自然科学基金项 目Ｉ １ ４ Ｚ Ｒ１ ４ １ ５ ７ ０ ０ ） 和上 海 市 教 育 委 员 会 科研 创 新 项 目 （ １ ４ Ｙ Ｚ ０ ０ ９）
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ７一Ｏ ｌ 一２ ０
计量 与剜试 技术》 ２ ０ １ ７丰 第４ ４卷 第５腐
相接 ， 以此 可 以构 成一 个 完整 的轮 缘 面 。
图 ２ 平 坦 路 面 到 崎 岖 路 面 机 器 人 运 动 不 惫 图
机器 人 由轮式 步 态转 化为腿 式 步态 的过 程 如 图 ３所 示： 第一 步 ， 左 前 腿与 右前 腿 中的末 端轮 板 反 向旋转 与 中轮 板保 持平 行 ； 第 二步 ， 左 前
ＤＯｌ ： １ ０． １ ５ ９ ８ ８ ／ｉ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． １ ０ Ｏ ４ —６ ９ ４１ ． ２ ０１ ７． ０ ５． ０ ０３
Ｗ ｈ ｅ ｅ ｌ— — Ｌｅ ｇ Ｒｏ ｂ ｏ ｔ Ｓ ｗｉ ｔ ｃ ｈ ｉ ｎｇ Ｇａ ｉ ｔ ａ ｎ ｄ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｒｏ ｂ ｏ ｔ Ｍｅ ａ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｐｏ ｓ ｅ
季 洪超 等： 轮腿 可切换机 器人 步态切换动作设计及其机体住姿驯 量仿 真
轮 腿 可 切 换 机 器 人步 态切 换 动 作 设 计 及 其 机 体 位 姿 测 量 仿 真
季 洪 超 刘 吉 成 杨 金 帅
（ 上 海 大 学 机 电 工 程 与 自动 化 学 院 ， 上海 ２ ０ ０ ０ ７ ２ ）
Ｊ ｉ Ｈｏ ｎ ｇ ｃ ｈ ａ ｏ Ｌ ｉ ｕ Ｊ ｉ ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ Ｙａ ｎ ｇ Ｊ ｉ ｎ ｓ ｈ ｕ ａ ｉ
１ 轮腿 可切 换 机器 人 结构 设计 轮 腿可 切换 机 器人 由机体 和 ４个轮 腿切 换 子 系统 组
为腿式 步态 。轮腿 可切 换机 器人 由轮 式步 态转 为腿 式 步 态时 ， 显 著问题 就 是悬 空轮板 与 地面 障碍 接触 ， 针对 这 种
换， 分 析 测 量 结 果 表 明机 器 人 位 姿 变 换 平 稳 ， 证 明机 器人 步 态切 换 动作 的 合理 性 。 关键词 ： 轮 腿 可 切换 机 器 人 ； 步态切换 ； 建模仿真 ； 位姿测量
中图分类号 ： Ｔ Ｈ １ ２ ２ ／ Ｔ Ｐ ２ ４ ２ 文 献标 识 码 ： Ａ 国家 标 准 学 科 分 类 代 码 ： ４ ６ ０ ． ４ ０ ２ ５
腿 与右前 腿 中 的中轮 板 与 末 端 轮 板 反 向旋 转 ， 至 末 端 轮
图 １ 轮腿 ｑ 】 切 换 机 器 人 轮式 步 态 结 构
板弧 面一 侧 与地 面接 触 ； 第 步 ， 左后腿 与 右后 腿保 持 轮
当机 器人 在 平坦 路 面 或 稍 许 崎 岖 的路 面 上 运 动 时 ，
路 面 进入 崎 岖路 面 ， 路 面 障 碍 会 阻碍 轮 式 步态 运 动 如 有
一
定 高度 的障碍 ， 会 触碰 悬 空轮 板 ， 造 成 轮式 步 态无法 运
行， 如 图 ２所 示 。在 机 器 人 由 平坦 路 面进 入非 结 构 化 环 境， 轮 式 步态 运动 性 能较 差 ， 机器 人需 要 由轮 式步 态切 换
因为 轮径 较 大而 具有 较好 的运动 性 能 。当机 器人 由平 坦
式状 态 ， 配合 左 前腿 与右 前腿 调节 机体 姿态 ， 左 前腿 与 右
前腿 中的 中轮 板与末 端 轮板绕 末 端轮 板 与地 面接触 线 旋 转， 推动 后轮 反 向前进 至 中轮 板与 末端 轮板 完 全站 立 ； 第 四步 ， 左 后腿 与 右后 腿 中 的末 端 轮 板 旋 转 至 与 中轮 板 平 行， 中轮 板 与末 端轮 板旋 转 至末 端 轮 板 弧 面 一 侧 与 地 面 接触 ； 第 五步 ， 已站立 的左 前腿 与 右前 腿各 关节 角旋 转 变
路 面 进入崎 岖 路 面时前 轮 板 与地 面 接 触 ， 中轮 板 与末 端 轮 板 为悬 空轮 板 ， 其 中末 端 轮板 与地 面 障 碍 接 触 如 图 ２
所示。
及 末端 轮 板并 列排 放 ， 前 轮 板 两 侧 弧 面 与 中轮 板 两 侧 弧
面 依 次相 接 ， 中轮 板两 侧 弧 面 与末 端 轮 板 两 侧 弧 面 依 次