双足机器人稳定性研究

收稿日期:20200518;修回日期:20200605
基金项目:河南省高等学校重点科研项目 掘进机截割头齿群与硬岩耦合系统非线性动力学机理研究 (21B 440004)作者简介:陈艳娟(1990-)
,女,河南开封人,助教,主要研究方向:机械控制.第38卷第2期周口师范学院学报
2021年3月
V o l .38N o .2
J o u r n a l o f Z h o u k o u N o r m a l U n i v e r s i t y
M a r .2021
双足机器人稳定性研究
陈艳娟,押晨阳
(周口师范学院机械与电气工程学院,河南周口466001
)摘 要:大多数的双足机器人局限于平面行走,而在特殊的步行环境(例如楼梯),其自身的稳定性会受到很大影响,因此,对双足机器人稳定性进行研究具有一定的现实意义.为了研究双足机器人的稳定性,对双足机器人进行了结构设计,并基于A u t o d e s k I n v e n t o r 软件绘制了三维模型,
然后对其运动步态进行分析.结果发现双足机器人运动过程的稳定性与重心的位置㊁舵机的转速㊁舵机之间的配合有很大关系.关键词:双足机器人;稳定性;三维模型;运动步态
中图分类号:T P 242 文献标志码:A 文章编号:16719476(2021)02003104
D O I :10.13450/j .c n k i .j
z k n u .2021.02.008 机器人学是近年发展起来的一门综合性较强的新学科,它是诸如计算机工程㊁人工智能系统㊁电子工程以及生物仿生学等多门学科交叉的前沿技
术[1]
.
众所周知,直立行走是人类所特有的行走方式,也是生物界经过长时间的进化所演变出来的最方便的行走方式.双足机器人步行表现出与人相似的㊁节能的步态,比其他机器人具有更高的灵活
性[2]
.
由于这个特有的优点,直立行走的机器人特别适合在人们的生活中或工作环境中与人们相配合工作,且不需要特地为了给该机器人创造适应的
环境,而对原本的环境进行大规模改造[3]
.
双足步行机器人属于仿人型机器人,它最突出
的特点是机器人的腿部是以刚性零件通过驱动机构连接,效仿人类的两条腿和各个关节(例如髋关节㊁膝关节和踝关节),从而能够支撑身体并进行协调的运动,各个关节之间通过驱动机构(例如舵机)实现相对转动.与其他步行机器人相比,仿人机器人还具有以下优点:1)类人机器人对行走环境需求不高,可以在各种各样的地面行走,而且拥有一定的避开障碍物的功能,因此它的行走限制比较小.
2
)类人机器人拥有很大的工作前景,因为类人机器人是通过两条腿进行移动,所以脚板的占地面积和活动的局限性很小,如果有需要还可在类人机器人
上安装特定的机械臂,其即可拥有更大的活动和工作空间,当然机械臂的大小和长短要依据该机器人服务对象的需求来设计.3)双足机器人直立行走是困难程度最大的行走方式,但是它的优势却是其他
类型机器人无发比拟的[4]
.
就目前情况来看,大多数的仿人机器人还只能在平整的地面上行走和工作,若行走时遇到楼梯等复杂的环境其自身很难保
持稳定[5]
.
针对这一问题进行研究,主要是基于在平地行走的基础上,对双足机器人的结构进行了适当地调整,然后对其行走步态进行分析,旨在为双足机器人稳定性的研究提供理论基础.
1 双足机器人整体结构
双足机器人的三维结构设计模型如图1所
示[6,7
].
包含双足机器人的头部㊁机器人的左右腿㊁机器人的左右脚板.该双足机器人的头部空间较大,可以用来放控制系统的电路板或者放置需要运
输的物品.支架 f 和舵机连接成为机器人的大腿,连接件 g 与舵机的舵盘连接成为机器人的小腿.脚板前端的缓冲轮可提高爬楼时的稳定性.双足机器人左右两条腿之间留有50mm 左右的缝隙,
实现两腿不碰撞稳定运行.
d表示头部;e表示髋关节;f表示支架;g表示膝㊁踝关
节连接件;h表示组合脚板;i表示舵机;j表示髋关节连接
件;k表示头部连接件
图1双足机器人的结构
2双足机器人步态稳定性分析
众所周知,双足机器人在一些比较特殊的步行
环境中,例如楼梯等保持稳定行走仍然是一大难
题.与水平面行走相比,在爬楼行走时机器人抬腿
的幅度要大,会使双足机器人的稳定性受到影响.
因此机器人大腿与小腿长度比例㊁小腿与楼梯高度
比例很重要.在查阅分析人类身体结构特点后,通
过不断测试和计算,结果显示双足机器人大腿和小
腿的长度比例为1ʒ1时机器人的形态较为稳定,
机器人小腿长度与楼梯的高度比例为3ʒ1的情况
下双足机器人上楼梯最为稳定[8,9].
如图2所示,1号㊁2号㊁3号分别代表左腿的
髋关节㊁膝关节㊁踝关节,4号㊁5号㊁6号则分别代
表右腿的髋关节㊁膝关节㊁踝关节.髋关节的舵机可
以使整条腿向前运动,同时还可以随时调节头部的
位置从而保持身体的平衡.膝关节的舵机作用则是
摆动机器人小腿的高度让机器人的脚板离开地面,
达到与地面相适应的位置.踝关节的功能是与髋关
节配合使用,从而实现支撑腿部和头部的运动.另
外踝关节的舵机还可用来调整脚板的运动状态,当
机器人的腿落下时使脚板与地面实现软着陆,减缓
来自地面的反作用力.无论哪个关节的舵机它们运
动都需要其他关节的舵机相互配合,机器人能平稳
行走的核心就是这两条腿上6个舵机之间的配合.
例如要使机器人左腿抬起,则需要其他5个舵机根
据不同的转速和延迟时间配合工作,可以让右腿髋
关节㊁膝关节及踝关节保持立正状态,而左腿的髋
关节和膝关节以同样的转速同时运动,踝关节保持
不动,注意此时髋关节和膝关节的舵机转速不宜过
快,否则会使机器人不稳定甚至摔倒[10].
2.1双足机器人水平稳定行走分析
由以上述分析可知,打开双足机器人的电源后
1号㊁2号㊁3号,4号㊁5号㊁6号六个舵机会自动调
整位置,使机器人处于立正状态如图2所示.机器
人要实现水平稳定行走,须有以下动作:抬右腿㊁迈
右腿㊁落右腿㊁抬左腿㊁迈左腿㊁落左腿㊁抬右腿
依次循环,从而实现机器人步行过程.这里截取核
心动作抬腿㊁迈腿㊁落腿进行分析.
图2立正
首先抬右腿,此时需要调节4号㊁5号㊁6号这
三个舵机的位置使机器人的大腿抬起的同时屈起
小腿,与此同时为了防止脚板前端撞到地面,应使
4号舵机的转动速度与5号转动速度同步,而6号
舵机的转动速度略微比其他两个舵机慢.4号㊁5号
舵机工作的目的是为了屈起右腿,6号舵机运动的
目的是调整脚板的位置使脚板依然处于水平状态,
与此过程中左腿的1~3号舵机保持锁定状态不
动,如图3所示.迈右腿,此时4号舵机不转动,5
号和6号舵机转动使小腿和脚板踢出,在这个过程
中为保证机器人的稳定性,5㊁6号舵机的转动速度
要保持一样,如图4所示.落右腿则需要六个舵机
相互配合工作,在右腿落下过程中小腿继续缓慢向
前踢出(即脚板保持与地面平行向前移动).同时左
腿的2号舵机转动使机器人上半部分前倾,从而使
右腿脚板在向前移动的同时缓慢靠近地面,在此过
程中1号和3号舵机需要配合2号舵机同时工作,
以调节左腿的状态.整个落脚过程中2号舵机的转
动速度不宜过快,否则会使机器人前倾过快导致右
腿小腿及脚板没有到达规定的位置就落地(没有到
达规定的位置舵机不会停止工作,只有达到规定位
置后舵机才能停止工作从而使连接的部件处于锁
定状态),这样会使地面与右腿脚板产生摩擦和相
互作用力导致机器人侧翻,甚至有可能会烧毁舵23周口师范学院学报2021年3月
机.因此,在落腿时,5号和6号舵机应在右腿落地前完成工作并停止转动,如图5所示.
图3抬右腿
图4迈右腿
图5落右腿
图6抬左腿(收左腿)
由图6可以看出,此时双足机器人的右腿直立左腿抬起并屈起,在这过程中要注意5号舵机运行的速度要相对快一点,这样防止脚板打地保证机器人的稳定性.机器人水平面行走就是不断循环以上的过程.
在机器人行走过程中,其重心也在不断的变化,当机器人抬右腿,此时的重心在左腿上,左腿支撑起整个机器人,而迈右腿㊁落右腿的过程中机器人的重心从左腿慢慢向两条腿中间移动,当右腿落下后重心落在两条腿之间.而当机器人抬左腿时其重心又慢慢向右腿转移,左腿抬起后重心就位于右腿,此时右腿支撑起整个机器人.机器人向前运动的过程就是机器人的重心向前运动的过程,在研究机器人稳定行走时,要时刻注意重心的位置,因为机器人运动过程是否稳定很大程度上取决于该机器人的重心是否发生偏移.一般情况下机器人的重心基本都在两条腿之间,只有当机器人抬脚时重心才会移动到某条腿上.重心所在的那条腿需要支撑起整个机器人,所以这条腿的舵机要保持锁定状态.
2.2双足机器人稳定爬楼分析
下面对双足机器人稳定爬楼步态进行分析.图7为机器人抬右腿,此时舵机的运动状态与步行类似,不过此时机器人右腿抬起的高度要高于步行时,右腿抬起后机器人的重心移向左腿,左腿的1号㊁2号㊁3号舵机处于锁死状态,用来支撑起整个机器人的身体.图8所示为机器人迈右腿,右腿的4号和5号舵机同步运动使右腿的大腿再次抬高同时让小腿慢慢踢出,6号舵机也开始工作调整脚板的位置,使脚板前端的缓冲轮微微接触地面.在此过程中要特别注意,6号舵机的速度要远小于4号和5号舵机的速度,如果6号舵机速度过快,腿部踢出的运动还没完成,脚板就倾斜从而导致脚板与楼梯碰撞,造成机器人侧翻,情况严重的话有可能会烧毁舵机.在踢出右腿的过程中机器人的重心仍然在左腿,因此左腿的1号㊁2号㊁3号舵机仍保持锁死状态.
图7抬右腿
图9所示为双足机器人落右脚状态.双足机器人的右腿缓缓向前,脚板前端的缓冲轮慢慢滚动使脚板缓缓向前滑落,直到脚板与地面完全接触.在此过程中机器人的重心从左腿慢慢向两腿中间移动,当脚板与地面完全接触时,重心再次落到两腿之间.图10所示双足机器人收左脚时1号和4号
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第38卷第2期陈艳娟,等:双足机器人稳定性研究
舵机运动使头部前倾即重心前移,同时6号舵机(右腿踝关节)快速保持直立,直立后变为锁死状态,此时机器人的重心在右腿上.左脚抬起后是需要快速收回的,因此需要5号舵机(右腿膝关节)迅速工作,使右腿大腿直立的同时牵引左腿往前.最后当右腿站直后,左腿缓缓放下,在此同时1号和4号舵机转动使头部直立,重心回到两腿之间.图11为收回左腿后的立正状态.
图8迈右腿
图9落右腿
图10抬左腿
图11立正
3结论
对双足机器人步行和爬楼两种状态进行了详细的步态分析,通过分析双足机器人运动过程的稳定性与重心的位置㊁舵机的转速㊁舵机之间的配合有很大关系.
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(责任编辑闫建军)
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