四足机器人运动学分析及步态研究

３ 逆运 动学计 算
在 研 究 腿 部 的 运 动 轨 迹 时 ，必 须 求 解 出运 动 学 的逆 解 ，并 将 关节 角 度换 算 为 为 液 压 缸 的位 移 变 化 ，其 即为驱 动 系统 的输 入量 。
图２单腿机构简 图
收稿 日期：２０１１－０８—２４ 基金项 目：国防基础科研项 目 （Ｂ２３２０１１０００５） 作者简介：吴振华 （１９８９一），男，江西南 昌人，硕士研究生 ，研究方向为无人机器人系统 。
第３４卷 第１期 ２０１２—０１（１－） 【９】
ｌ 匐 化
在 各杆 件 上 建立 坐 标 系 ，各 坐 标 设 定 腿 部 各
其 中非连 续调 整步态的平均稳定裕度较大。
关键词 ：四足机器人 ；机构设计 ；步态 ；稳定裕度
中图分类号 ：ＴＰ２４２
文献：标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ００９—０１ ３４（２０１ ２）ｏｉ（Ｉ－）一０００９—０３
Ｄｏｉ：１ ０．３９６９／Ｊ．ｉｓｓｎ．１ ００９－０１ ３４．２０１ ２．０１（ｔ－）．Ｏ４
方 向
投影 值分 别为 ：
Ｐ ＝￣１ｃ２３ｆ４ｃ４一ＣｌＳ２３ｆ４ ４＋ｆ３ｃｌｃ２３＋１２ｃｌｃ２＋ｆｌｑ
Ｐｙ＝ｓ１￣２３１４Ｃ４一ＳＩＳ２３１４Ｓ４＋１３Ｓ１Ｃ２３＋ｆ２ ｌｃ２＋ｆｌ １（３）
Ｐｚ＝￥２３１４Ｃ４－－［－Ｃ２３ ４ｓ４＋１３ｓ２３＋１２ｓ２
式 中 ，ｃｉｊ ｃｉｃｊ—ＳｉＳｊ， ＳｉＣｊ＋ＣｉＳｊ，ｌｉ为 各 腿节 长度 ，ｃ ＝ＣＯＳ０ｆ，Ｓｆ＝ｓｉｎ０ 。
Ｃｉ —ｃ０ｃｆｓＯｆ ０【ｆｓＯｆ ａｉｃＯ
其 中 ： ｍ＝Ｚ—Ｌ１ ｃｏｓ０２， ｎ＝ ＋Ｌｌ ｓｉｎ０２，
Ｓ
ｃＯｃｆｃＯｆ
—
０ｃｆｃＯｆ ａｉｓＯｆ
４＝ ＇ｉｔ＝
０ ０ｃ
ｃＯ【ｆ ｄｆ
０
０
wk.baidu.com０
１
ｉ＝Ｌ３＋Ｌ４ｃｏｓ０４，Ｊ：厶 ｓｉｎ０４
４ 步态研 究
不 同 四 足 哺 乳动 物 在 不 同 的运 动 状 态 下 差 异
２ 正运动学计算
机 器 人 通 过 控 制 各缸 的 伸 长 来 调 整 整 个 腿 部
【ａ）
（ｂ）
图 １ 哺 乳 动 物 机体 仿 生 简化 模 型
及 躯 体 的位 置 和 姿 态 ， 以实 现运 动 空 间 内 的运动 ， 笔 者通 过研 究采 用Ｄ—Ｈ法计 算正 运动 学解 。
针 对腿 部 串联开 链 的特 点 ，本文采 用Ｄ—Ｈ法 建 立 腿 部坐 标 系 ，如 图２所 示 ，建立 坐标 系作 出如下 定 义 ： 坐 标 系 ，躯 体 腿 部 连 接 点为 Ｏ点 ，躯 体 前 进 方 向为 Ｚ轴 ，垂 直 向下 为ｘ轴 ， 由右 手法 则 可知 指 向躯体 内侧 为Ｙ轴 】。
１ 平 台机构模 型建 立
本 文 所 研 究 的某 型 四足 机 器 人 是 基 于 仿 生 学 的理 念 进 行设 计 ， 腿 部 结构 的设 计 对机 器 人 整体 灵 活性 和 行走 能 力有 重要影 响 。
针 对 典 型 的犬 类哺 乳动 物 骨骼 进行 分析 ，犬 类 动 物 的腿 部关 节 常 采 用 对 顶 的配 置 方式 ， 如 图 １（ａ）所 示 ，其 主 动 关 节 包 括 髓 关 节 （两 个转 动 自 由 度 ）、膝关 节和 腕关 节 ，可确 定如 图 １（ｂ）中 四个 关 节 自由度配置 方案 ：髋 关节 横摆 、髋 关节 前摆 、膝 关 节 前摆 、腕 关节 前摆 ，另外 末端 为弹 性阻 尼元件 。
为 满 足 简 化 结 构 、紧 凑 布 局 和 承 载 大 瞬 间 负 荷 等要 求 ，腿 部 关 节 选 择 液压 缸 作 为执 行 单 元 ， 并 在 每 个 旋 转 关 节 安 装 有液 压 缸 的位 移 传 感 器 、 力 传 感 器 ， 阀 的压 力 、流 量 传 感 器 等 。腿 部 由各 液 压缸 形成 的 多连杆 机 构能 实现 抬迈 腿运 动 。
摘 要 ：在对典型 哺乳 动物机体结 构分析 基础 上 ，提出一种液压驱动四足机器人的简化结构 ，完成机器
人 腿部结 构的设计 ，并对腿 部机构进 行正逆运 动学求解 ，研究不 同负载因子下 的直行起步调
整到 稳定 行走步态并 计算稳定 裕度 。结 果表明 ：两种步 态均能实现稳 定的起步和 周期行走 ，
０ 引言
在 复 杂 的崎 岖 路 面下 ， 四 足 步 行 式 机 器 人 表 现 出有 较 好 的 稳 定 性 、机 动 性 、 高 效 性 和 地 形 适 应 性 ，其 能 满 足 野 外 作 战 行 动 、 救 灾 探 险 、 运 输 保 障 等 多军事 任 务的 需要 Ⅲ。
本 文 以 四足 机 器 人 为 对 象 ，提 出 了基 于 仿 哺 乳 动 物 结 构 的 平 台 构 型 ，进 行 了 腿 部机 构 的 正 逆 运 动 学 求 解 ，研 究 两 种 负载 因 子 下 的 直 行起 步 到 稳 定 行走 步 态 ，计 算 稳定裕 度 并进 行对 比研 究 。
下面 建 立正 运动 学 方程 ， 由表 １可求 解足 底 末 是 非 常 大 的 ，下 文 针 对 平地 下 两 种 负载 因 子 的 直
端 变 换矩 阵 ：
线行 走步 态进 行 比较 。
［ 三 ］ ２） ＝
·
４ ＝ · · ·
由（４）式 可求 出足 底末 端 在Ｘ轴 、Ｙ轴 、Ｚ轴 上
关 节 点为 （ｉ＝０，１，２，３），利用 其次 变换 描 述其 相对 位
置关 系 ，并 得 出步行 腿 的Ｄ—Ｈ参 数如 表 １所 示 。
Ｚ
表 １机器人腿部Ｄ—Ｈ参数
，囝＜ １
一
从 机 体 坐 标 系到 足 底 末端 坐 标 系 的转 换 矩 阵
图３ 腿 部 个 尺 寸 参 数
为 ：
．ｒ、ｌ遭 ＩＩ》 化
四足机 器人运动学分析及步态研究
Ｋｉｎｅｍ ａｔｉｃｓ ａｎｄ ！Ｂａｉｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｑｕａｄｒｕｐｅｄ ｖｅｈｉｃｌｅ
吴振华，金 毅 ，刘维平，刘西侠
Ｗ Ｕ Ｚｈｅｎ—ｈｕａ，ＪＩＮ Ｙｉ，ＬＩＵ Ｗ ｅｉ—ｐｉｎｇ，ＬＩＵ Ｘｉ。ｘｉａ
（装 甲兵 工程 学院 机 械工程系，北京 １ ０００７２）