基于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)的四足機(jī)器人步態(tài)分析

王 健，賀 鑫，韓 旺

（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）機(jī)械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074）

目前四足步行機(jī)器人的研究主要集中在小型輕便、易于控制等方面。本文設(shè)計(jì)的穩(wěn)步四足機(jī)器人，重點(diǎn)在機(jī)器人足跡的設(shè)計(jì)和分析上，能夠保證機(jī)器人在行走過程中，整個(gè)機(jī)身的平移在一條直線上，而不上下或左右顛簸。

1 穩(wěn)步四足機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)該機(jī)器人主要的目標(biāo)是四足、平穩(wěn)，目的是實(shí)現(xiàn)預(yù)想中的足跡要求，達(dá)到理想的分析結(jié)果。圖1所示的是機(jī)器人半邊身體退步機(jī)構(gòu)簡圖及預(yù)想足跡，包括機(jī)器人“足跡”四桿機(jī)構(gòu)、“銜接處”曲柄搖桿四桿機(jī)構(gòu)、間歇凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖1 機(jī)器人半邊身體退步機(jī)構(gòu)簡及預(yù)想足跡

2 各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其計(jì)算

2.1 機(jī)器人“足跡”四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

這部分在整個(gè)機(jī)構(gòu)中起到最終執(zhí)行的作用，對這部分的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮到穩(wěn)定性的要求。

（1）足端軌跡要求。行走機(jī)構(gòu)在行走過程中，每條腿依次經(jīng)過抬腿，前伸，支撐著地帶動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)等周期性過程，因此其足端軌跡必須滿足如下3個(gè)要求：①支撐著地的時(shí)候足端軌跡必須滿足近似直線要求，抬腿時(shí)的軌跡必須近視圓弧，且為軸對稱曲線；②為減少和消除抬腿和落地產(chǎn)生的沖擊和滑步，足端在抬腿及落地時(shí)的軌跡應(yīng)平滑過渡到圓弧段；③為了使行進(jìn)協(xié)調(diào)，游足時(shí)間（抬腿時(shí)間）應(yīng)小于支撐時(shí)間。據(jù)此，采用的軌跡如圖2所示。取直線段距離ab大于等于35mm，垮高為10mm左右。

圖2 軌跡圖

（2）步態(tài)要求。對于足式機(jī)器人來說,其穩(wěn)定性主要取決于步態(tài)。 步態(tài)是步行機(jī)器人的一種邁步方式,是步行機(jī)器人各腿協(xié)調(diào)運(yùn)行的規(guī)律，即各腿的抬腿和放腿順序。目前比較常見的步態(tài)主要有爬行步態(tài)（crawling gait）、對角小跑步態(tài)（trotting gait）、溜蹄步態(tài)（pacing gait）、跳躍步態(tài)（bounding gait）等。采用對角小跑步態(tài)（trotting gait）。如圖3所示。

圖3 足式機(jī)器人步態(tài)

（3）行走部分的機(jī)構(gòu)選型。四桿機(jī)構(gòu)中能作為機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)的有多種，如埃萬斯機(jī)構(gòu)、切比雪夫連桿機(jī)構(gòu)、羅伯特連桿機(jī)構(gòu)。根據(jù)我們所設(shè)計(jì)機(jī)器人的足跡要求，采用埃萬斯連桿機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡圖如圖4所示。

圖4 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡圖

取BC=CE=CD，在solidworks軟件中建好模進(jìn)行尺寸試定，最終確定尺寸并在matlab軟件中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，得出結(jié)果如圖5所示。

圖5 matlab軟件中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析圖

E點(diǎn)的水平速度有一段內(nèi)凹曲線，內(nèi)凹的弧度很小，變化比較平滑，加之位移曲線在此段也近似為直線運(yùn)動(dòng)，故可近似看為是勻速直線運(yùn)動(dòng)。

2.2 “銜接處”曲柄搖桿四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

此機(jī)構(gòu)為機(jī)器人腿部傳遞動(dòng)力，采用對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)圖

在Matlab軟件中進(jìn)行軌跡分析，得出推桿位移規(guī)律，如圖7所示，近似正弦曲線。

圖7 近似正弦曲線

2.3 間歇凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

凸輪在整個(gè)機(jī)構(gòu)中起到協(xié)調(diào)的作用，用來實(shí)現(xiàn)四足機(jī)器人四條腿的協(xié)調(diào)。

分析：滿足協(xié)調(diào)，則凸輪的一般周期內(nèi)一腿運(yùn)動(dòng)，另一半周期內(nèi)對稱腿運(yùn)動(dòng)。例如：當(dāng)θ=[0，π]時(shí)，左前足和右后足運(yùn)動(dòng)，左后足和右前足間歇；當(dāng) θ=[π，2π]時(shí)，左后足和右前足運(yùn)動(dòng)，左前足和右后足間歇。采用幾何封閉滾子直動(dòng)對心盤形凸輪，機(jī)構(gòu)簡圖如圖8所示。

圖8 幾何封閉滾子直動(dòng)對心盤形凸輪機(jī)構(gòu)簡圖

取基圓半徑=20mm。利用CamTrax，進(jìn)行凸輪設(shè)計(jì)和接觸點(diǎn)速度分析，如圖9所示。

圖9 凸輪設(shè)計(jì)和接觸點(diǎn)速度分析圖

速度滿足間歇性要求。

3 總結(jié)

由機(jī)器人足部的運(yùn)動(dòng)曲線不難看出，邁步近似直線，當(dāng)機(jī)器人前行時(shí)，機(jī)身相對直線移動(dòng)，從而保證了機(jī)身的平穩(wěn)性，避免上下或左右顛簸。

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