一種彈性足式機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

曹鈺，秦建軍 ，邵派，江磊，蘇波，孟圓

(1． 北京建筑大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，北京 100044；2． 北京市建筑安全監(jiān)測工程技術(shù)研究中心，北京 100044；3． 中國北方車輛研究所，北京 100072)

0 前言

足式機(jī)器人相較于輪式和履帶式機(jī)器人具有更好的地面適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)靈活性，它可以通過調(diào)整自身運(yùn)動(dòng)學(xué)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)奔跑、跳躍等極限運(yùn)動(dòng)，穿越極端非結(jié)構(gòu)化地形，進(jìn)而完成野外軍事活動(dòng)、復(fù)雜環(huán)境探索、城市排險(xiǎn)救災(zāi)等任務(wù)目標(biāo)[1]。

腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是提高足式機(jī)器人性能的關(guān)鍵問題，它可以決定機(jī)器人系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)效率和控制策略[2]。針對(duì)足式機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的平順性問題，研究學(xué)者往往會(huì)從仿生學(xué)的角度入手，對(duì)足式機(jī)器人的腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

仿生學(xué)在機(jī)器人腿部設(shè)計(jì)的應(yīng)用可分類兩大類，一類是通過模仿自然界生物的運(yùn)動(dòng)原理和行為模式，對(duì)腿部機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)合理自然的目的。例如：LIU等[3]通過研究成年人上樓梯時(shí)髖關(guān)節(jié)和足端的運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)Jansen連桿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，制作出了一種可以上下樓梯的單自由度足式機(jī)器人；LIANG等[4]研究人類行進(jìn)運(yùn)動(dòng)的步態(tài)，對(duì)Chebyshev機(jī)構(gòu)進(jìn)行減自由度設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了雙足機(jī)器人高效的行進(jìn)運(yùn)動(dòng)；伊利諾伊理工大學(xué)研究人員對(duì)生物攀爬行為觀察總結(jié)，設(shè)計(jì)了可以在垂直墻面自由移動(dòng)的六足機(jī)器人RiSE[5]。這類設(shè)計(jì)方法均是以生物系統(tǒng)的原理為仿生對(duì)象，需要對(duì)自然界生物的行為進(jìn)行細(xì)致深入的觀察和研究，系統(tǒng)建模較為復(fù)雜。另一類是直接模仿生物腿部骨骼肌結(jié)構(gòu)，合理運(yùn)用被動(dòng)動(dòng)力學(xué)和彈性元件，有效提高足式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效率和平順性[6]。例如：BigDog模仿哺乳動(dòng)物韌帶系統(tǒng)，在腿部安裝減震彈性元件以減少運(yùn)動(dòng)時(shí)觸地沖擊力[7]；MIT的研究人員對(duì)羚羊等動(dòng)物的腿部進(jìn)行分析，解決了足式機(jī)器人高度移動(dòng)狀態(tài)下腿部慣量與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之間的平衡性問題[8]；姚燕安等[9]以獵豹為仿生對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種單自由度閉鏈彈性仿生腿，利用彈性元件有效儲(chǔ)存釋放運(yùn)動(dòng)過程中的能量，提高機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性。這類設(shè)計(jì)方法一般直接采用線性彈簧，達(dá)到腿部彈性化的目的。

自然界生物的骨骼肌系統(tǒng)的剛度往往是變化的，其可以在關(guān)節(jié)位置沒有發(fā)生變化的條件下，增加肌肉張力，從而增加系統(tǒng)剛度[10]。相較于直接采用線性彈簧，變剛度結(jié)構(gòu)具有更好的環(huán)境適應(yīng)性，在應(yīng)對(duì)較大的沖擊力作用時(shí)能夠吸收儲(chǔ)存更多能量，可以更有效提高系統(tǒng)的安全性。

日本東京大學(xué)團(tuán)隊(duì)制作的仿生機(jī)器人Kojiro中，使用了一種利用滑輪系統(tǒng)改變機(jī)構(gòu)剛度的非線性彈性拉力部件，通過驅(qū)動(dòng)器改變動(dòng)滑輪位置進(jìn)而改變結(jié)構(gòu)剛度[11]。南洋理工大學(xué)研究人員在機(jī)械手CDM的設(shè)計(jì)中采用了一種具有繩子和扭簧的機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)器拉動(dòng)繩子時(shí)會(huì)帶動(dòng)扭簧扭轉(zhuǎn)，改變機(jī)械手的剛度[12]。上述變剛度機(jī)構(gòu)需要一個(gè)單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)器，在足式機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中增加電機(jī)等驅(qū)動(dòng)器，會(huì)提高腿部機(jī)構(gòu)的質(zhì)量，增加腿部機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的慣量，導(dǎo)致關(guān)節(jié)電機(jī)負(fù)載提高，影響機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)效率。

針對(duì)上述問題，本文作者結(jié)合機(jī)械原理和動(dòng)物骨骼肌系統(tǒng)的特性，提出一種利用圓錐螺旋彈簧的特性被動(dòng)改變足式機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)剛度的機(jī)構(gòu)，進(jìn)而設(shè)計(jì)變剛度彈性足式機(jī)器人腿，能夠有效儲(chǔ)存足式機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中受到的地面反向沖擊力。利用閉環(huán)矢量法對(duì)腿部結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，進(jìn)一步對(duì)其虛擬樣機(jī)進(jìn)行建模仿真分析，最后通過實(shí)物樣機(jī)驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的合理性和可行性。

1 腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

貓科動(dòng)物在演化過程中始終處于自然界食物鏈頂端，這得益于其優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)能力，它們不僅具有極快的奔跑速度，還擁有高超的跳躍能力，可以輕松跳出自身5倍的高度，并且在下落時(shí)不會(huì)受傷。研究貓科動(dòng)物腿部骨骼肌系統(tǒng)，有助于足式機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究[13]。

圖1所示為仿生貓腿結(jié)構(gòu)簡圖，貓的腿部骨骼肌系統(tǒng)由大腿骨(股骨)、小腿骨(脛骨)、軟骨、肌肉、肌腱及韌帶構(gòu)成。貓?jiān)谶M(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以通過肌肉的收縮控制骨骼位置變化，同時(shí)在肌肉-肌腱-韌帶組織的作用下儲(chǔ)存釋放能量，減少運(yùn)動(dòng)所需能量。遇到地面環(huán)境突變或從高處落下時(shí)，貓的腿部肌肉組織會(huì)快速收縮，同時(shí)腿部整體剛度增加，有效地吸收地面給腿部的反向沖擊力。在足式機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，減輕腿部受到的沖擊力是需要考慮的重要因素[14]。

圖1 仿生貓腿結(jié)構(gòu)簡圖

根據(jù)貓的腿部骨骼肌系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)的足式機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)如圖2所示，為確保腿部結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下不會(huì)產(chǎn)生較大慣量，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在機(jī)架位置上。電機(jī)的扭矩經(jīng)過減速齒輪組傳遞，通過同軸機(jī)構(gòu)輸出，使腿部機(jī)構(gòu)更加緊湊。為降低腿部負(fù)載慣量，提高輸出轉(zhuǎn)矩，減速齒輪組減速比設(shè)計(jì)為1∶6。同軸機(jī)構(gòu)由空心軸和實(shí)心軸嵌套而成，兩軸之間用滾動(dòng)軸承隔離，減少輸出軸在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的磨損，同時(shí)保證兩軸輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)相互無干涉。

圖2 腿部結(jié)構(gòu)

腿部連桿如圖3所示，驅(qū)動(dòng)桿1和驅(qū)動(dòng)桿2分別帶動(dòng)彈性桿和剛性桿運(yùn)動(dòng)，桿件之間用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。

圖3 腿部桿件示意

足式機(jī)器人在行進(jìn)過程中腿部的運(yùn)動(dòng)可分為支撐階段和擺動(dòng)階段。支撐階段驅(qū)動(dòng)桿1和驅(qū)動(dòng)桿2逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，剛性桿觸地并受到地面的反向作用力，產(chǎn)生的沖擊傳遞到彈性桿下端連接頭上，驅(qū)動(dòng)桿2保持扭矩持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，在彈性桿上端產(chǎn)生向下的力，在二力的共同作用下，彈簧受壓縮并且提高剛度，同時(shí)儲(chǔ)存能量；結(jié)束支撐階段進(jìn)入擺動(dòng)階段后，驅(qū)動(dòng)桿1繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)桿2變?yōu)轫槙r(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)彈性桿伸長并釋放儲(chǔ)存的能量，產(chǎn)生沿彈性桿件方向向上的力，減少驅(qū)動(dòng)桿2順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)所需能量。分析上述過程發(fā)現(xiàn)，彈性桿件在伸長壓縮的過程中，同時(shí)減少了支撐階段地面給腿部機(jī)構(gòu)的反向沖擊力和擺動(dòng)階段驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)所需能量。

2 彈性桿件剛度分析

彈性桿由2個(gè)連接頭、2個(gè)限位環(huán)、一對(duì)圓錐螺旋彈簧和一根花鍵軸組成，如圖4所示。2個(gè)連接頭分別與驅(qū)動(dòng)桿和剛性桿鉸接。連接頭內(nèi)部有花鍵套，與花鍵軸形成滑動(dòng)副，保證彈簧只產(chǎn)生沿桿件方向的位移，同時(shí)桿件不會(huì)產(chǎn)生周向轉(zhuǎn)動(dòng)。限位環(huán)與連接頭底部卡槽形成過盈配合，其功能是限制花鍵軸向下滑動(dòng)脫離連接頭。圓錐螺旋彈簧的大徑一端安裝在連接件底部，小徑一端安裝在花鍵軸的軸肩上。彈性桿在受到兩端的拉力時(shí)保持長度不變，只有受到兩端壓力時(shí)才會(huì)產(chǎn)生形變縮短長度，可視為一根壓簧。

圖4 變剛度彈性桿件

圓錐螺旋彈簧不同于一般線性彈簧，其剛度會(huì)隨著力的變化而變化，即：

(1)

當(dāng)圓錐螺旋彈簧的受力超過一定數(shù)值時(shí)，其大徑一端的彈簧圈會(huì)開始逐圈接觸，從而導(dǎo)致工作圈數(shù)逐漸遞減，直至完全壓縮。彈簧圈接觸前彈簧形變量l與受力F的關(guān)系為

(2)

其中：n為彈簧工作圈數(shù)；G為彈簧材料的剪切模量；d為彈簧直徑；RA為彈簧小端半徑；RB為彈簧大端半徑。

彈簧圈開始接觸后，形變量li與受力Fi的關(guān)系為

(3)

(4)

(5)

其中：Fi為彈簧接觸i圈后的工作載荷；Ri為彈簧第i圈的半徑；p為彈簧的節(jié)距；p′為壓并后彈簧的節(jié)距。

以彈性桿實(shí)物實(shí)驗(yàn)中采用的圓錐螺旋彈簧為例，繪制該彈簧的載荷-位移特性曲線，如圖5所示。

圖5 載荷-位移特性曲線

可以看到：當(dāng)彈簧形變量l≤lB時(shí)，圓錐螺旋彈簧的剛度保持不變；當(dāng)l>lB時(shí)，彈簧剛度逐漸增大。根據(jù)這一特性設(shè)計(jì)出更貼近動(dòng)物骨骼肌系統(tǒng)的彈性結(jié)構(gòu)。根據(jù)公式(2)(3)及彈簧串聯(lián)剛度計(jì)算公式，可以計(jì)算出彈性桿的整體剛度k：

(6)

根據(jù)公式(6)，繪制該彈簧的剛度曲線如圖6所示。

圖6 剛度-位移曲線

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

腿部連桿機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)簡圖如圖7所示，腿部機(jī)構(gòu)由OA(驅(qū)動(dòng)桿1)、OC(驅(qū)動(dòng)桿2)、CB(彈性桿)3根二副桿以及一個(gè)三副桿ABD(剛性桿)構(gòu)成。

圖7 機(jī)構(gòu)簡圖

為方便進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，將連桿機(jī)構(gòu)分為2個(gè)閉環(huán)回路，由此建立下列矢量方程：

r1+r2+r3+r4=0

(7)

r2+r5+r6=0

(8)

式(7)(8)可以通過歐拉公式分解得到：

(9)

其中：θ1、θ2、θ3、θ4分別為r1、r2、r3、r4相對(duì)于圖8坐標(biāo)系中x軸方向的夾角，其中r1、r2、r3、r4以及驅(qū)動(dòng)桿件OA、OC的轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ1、θ4為已知量。

圖8 機(jī)構(gòu)矢量回路

令k1=r1cosθ1+r4cosθ4，k2=r1sinθ1+r4sinθ4，可以得到：

(10)

求解方程(10)可以得到θ2的值：

(11)

同理，也可以得到θ3的值：

(12)

于是，可以得到閉環(huán)回路r1→r2→r3→r4中任意一個(gè)矢量ri與x軸對(duì)應(yīng)的夾角θi。進(jìn)一步地，使用矢量法進(jìn)行坐標(biāo)變換，可以求出回路中任意一點(diǎn)的坐標(biāo)值，即：

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

通過上述分析過程，最終建立了驅(qū)動(dòng)桿OA、OC與構(gòu)型中足端坐標(biāo)點(diǎn)D運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的關(guān)系可以定量地分析解釋該機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中的行為動(dòng)作，同時(shí)可以采用構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的方法設(shè)計(jì)該結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制框架。

4 仿真分析

4.1 虛擬樣機(jī)控制系統(tǒng)搭建

根據(jù)第3章中構(gòu)型的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及一般足式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方法的思路，設(shè)計(jì)虛擬樣機(jī)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)由軌跡發(fā)生器、運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解模塊、仿真環(huán)境以及狀態(tài)控制器組成。

軌跡發(fā)生器負(fù)責(zé)產(chǎn)生腿部機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中足端期望的運(yùn)動(dòng)軌跡，即xD、yD關(guān)于時(shí)間t的參數(shù)方程。為方便后續(xù)實(shí)驗(yàn)工作，設(shè)計(jì)用于足式機(jī)器人跳躍和行走2種模式的軌跡。

跳躍模式下軌跡發(fā)生器輸出的數(shù)據(jù)可以分為儲(chǔ)能階段、跳躍階段、緩沖階段3個(gè)階段。跳躍模式軌跡發(fā)生器產(chǎn)生的參數(shù)方程可以表示為

(18)

如圖9所示，h0表示機(jī)架坐標(biāo)系O與足端點(diǎn)D坐標(biāo)系O′的距離。

圖9 跳躍模式示意

儲(chǔ)能階段虛擬樣機(jī)重心yO下移，即yD向上移動(dòng)。此階段參數(shù)a始終為0，不產(chǎn)生加速度，參數(shù)b控制足端抬升高度；跳躍階段樣機(jī)的驅(qū)動(dòng)桿OA逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，OC順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，此階段參數(shù)b的值為0，參數(shù)a用以控制足端點(diǎn)D產(chǎn)生向下的加速度，使地面給虛擬樣機(jī)相對(duì)的沖擊力，帶動(dòng)機(jī)架向上躍起；緩沖階段與儲(chǔ)能階段參數(shù)作用相同，參數(shù)a保持為0，參數(shù)b控制足端抬至初始位置，即O′坐標(biāo)系原點(diǎn)。

行走模式采用一般擺線軌跡。一般擺線會(huì)使足式機(jī)器人在行進(jìn)過程中產(chǎn)生y方向上的瞬時(shí)沖擊力[15]。采用一般擺線作為運(yùn)動(dòng)軌跡，能夠在一定程度上模擬真實(shí)運(yùn)動(dòng)中由地面不平整等客觀因素產(chǎn)生的對(duì)足式機(jī)器人腿部運(yùn)動(dòng)的擾動(dòng)。

圖10所示為行走模式示意，擺動(dòng)相周期內(nèi)，腿部結(jié)構(gòu)的足端點(diǎn)D離開地面，在空中沿?cái)[線運(yùn)動(dòng)；當(dāng)點(diǎn)D再次接觸地面時(shí)，腿部結(jié)構(gòu)進(jìn)入支撐相運(yùn)動(dòng)，點(diǎn)D沿地面直線運(yùn)動(dòng)。

圖10 行走模式示意

一般擺線軌跡可以用參數(shù)方程表示為

(19)

(20)

其中：S表示足端軌跡跨度；H表示足端軌跡跨高。式(19)表示行走模式擺動(dòng)相運(yùn)動(dòng)軌跡，式(20)表示行走模式支撐相運(yùn)動(dòng)軌跡。Tm表示擺動(dòng)相周期；Ts表示支撐相周期；T表示行進(jìn)一步的周期。

由式(19)(20)可以得到樣機(jī)在運(yùn)動(dòng)時(shí)足端軌跡曲線，如圖11所示。

圖11 足端軌跡曲線

將軌跡發(fā)生器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)輸入到逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解模塊進(jìn)行處理，足端點(diǎn)D的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)桿OA、OC的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，最終輸入到仿真環(huán)境中的虛擬樣機(jī)上，樣機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行動(dòng)作。同時(shí)，虛擬樣機(jī)在仿真環(huán)境中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的觸地信號(hào)(地面接觸力)會(huì)傳入狀態(tài)控制器。狀態(tài)控制器負(fù)責(zé)判定運(yùn)動(dòng)是否可以進(jìn)入下一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期，再將判定結(jié)果傳回軌跡發(fā)生器，發(fā)送下一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)任務(wù)指令。

4.2 仿真分析

設(shè)計(jì)無彈簧虛擬樣機(jī)作為對(duì)照組，采用MATLAB-ADAMS聯(lián)合仿真的方法對(duì)2種虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，如圖12所示，彈簧剛度如圖6所示。

圖12 MATLAB-ADAMS聯(lián)合仿真控制系統(tǒng)

以相同的輸入?yún)?shù)(驅(qū)動(dòng)桿件轉(zhuǎn)動(dòng)角度)控制2種虛擬樣機(jī)進(jìn)行跳躍實(shí)驗(yàn)，如圖13所示。由于設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為單腿實(shí)驗(yàn)，為保證腿部結(jié)構(gòu)平衡性以及腿部運(yùn)動(dòng)方向始終豎直向上，添加使機(jī)架始終保持與地面平行的平行約束，仿真結(jié)果如圖14、圖15所示。

圖13 跳躍模式主動(dòng)桿輸入角度

圖14 具有彈性桿的跳躍仿真

圖15 無彈性桿的跳躍仿真

2種樣機(jī)在豎直方向位移及接觸力如圖16和圖17所示。可知：跳躍前初始位置為125 mm，有彈簧元件的虛擬樣機(jī)在豎直方向平均最大位移為145.31 mm，即平均躍起高度為20.31 mm，平均最大接觸力為76.33 N；無彈簧元件的虛擬樣機(jī)在豎直方向平均最大位移為134.69 mm，躍起平均高度為9.69 mm，平均最大接觸力為144.79 N。

圖16 跳躍模式位移-時(shí)間曲線

圖17 跳躍模式接觸力-時(shí)間曲線

具有彈簧元件的虛擬樣機(jī)在輸入?yún)?shù)相同時(shí)，跳躍能力更強(qiáng)且落地時(shí)接觸力更小，彈性元件可以有效儲(chǔ)存沖擊產(chǎn)生的能量并轉(zhuǎn)化為下一次跳躍所需的動(dòng)能。

同理，輸入相同的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行行走實(shí)驗(yàn)仿真，如圖18所示，添加約束限制虛擬樣機(jī)最大向下位移，同時(shí)使機(jī)架始終保持與地面平行的狀態(tài)，保證單腿樣機(jī)行走運(yùn)動(dòng)仿真過程中的平衡性。行走模式仿真結(jié)果如圖19、圖20所示。

圖18 行走模式主動(dòng)桿輸入角度

圖19 具有彈性桿的行走仿真

圖20 無彈性桿的行走仿真

2種樣機(jī)在豎直方向上的接觸力如圖21所示。

圖21 行走模式接觸力-時(shí)間曲線

可知：具有彈性元件的虛擬樣機(jī)在行走過程中，觸地桿件的接觸力明顯低于無彈性桿件樣機(jī)。該仿真可以證明，變剛度彈性桿件在樣機(jī)行進(jìn)過程中可以有效抵消地面的反向沖擊力，與第1章中腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析結(jié)論相符。

5 實(shí)物實(shí)驗(yàn)

5.1 彈性桿剛度實(shí)驗(yàn)

為保證仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性，需要對(duì)變剛度彈性桿件進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證理論結(jié)果。彈簧的參數(shù)如表1所示。

表1 圓錐螺旋彈簧參數(shù)

根據(jù)上述內(nèi)容制作彈性桿件實(shí)物，如圖22所示，并設(shè)計(jì)剛度測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，如圖23所示。

圖22 彈性桿件實(shí)物 圖23 彈性桿件實(shí)驗(yàn)臺(tái)安裝示意

滑軌與型材連接固定，將彈性桿件的一端固定在由型材搭建的實(shí)驗(yàn)架上，另一端安裝在滑塊上。拉力計(jì)拉動(dòng)安裝在彈性桿件滑動(dòng)端的延伸軸，彈性桿件受到拉力開始?jí)嚎s如圖24所示。

圖24 彈性桿件實(shí)物剛度測試

最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果與第2章中理論結(jié)果相近，圖6中的剛度曲線可以直接作為仿真實(shí)驗(yàn)中彈簧剛度參數(shù)。

5.2 單腿實(shí)驗(yàn)

根據(jù)虛擬樣機(jī)模型及仿真結(jié)果設(shè)計(jì)制作物理樣機(jī)，如圖25所示，并進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)。物理樣機(jī)腿部桿件尺寸如表2所示。

表2 物理樣機(jī)桿件尺寸

圖25 單腿實(shí)物樣機(jī)

根據(jù)第4.1節(jié)中的控制系統(tǒng)制作實(shí)物樣機(jī)控制器，如圖26所示，所述觸地信號(hào)由薄膜壓力傳感器產(chǎn)生。

圖26 實(shí)物樣機(jī)控制系統(tǒng)

實(shí)物控制系統(tǒng)由控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、薄膜壓力傳感器、AD模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、腿部機(jī)構(gòu)及電源組成，如圖27所示。圖中元件的規(guī)格型號(hào)在表3中給出。

表3 控制系統(tǒng)元件

圖27 控制系統(tǒng)示意

設(shè)計(jì)實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)樣機(jī)的跳躍性能測試，在垂直于地面方向設(shè)置滑軌，限制樣機(jī)的水平方向位移，使它只產(chǎn)生豎直向上的運(yùn)動(dòng)；針對(duì)樣機(jī)的行走性能測試，可參照文獻(xiàn)[7]中的方法，采用在水平方向設(shè)置滑軌的方案，使樣機(jī)始終沿滑軌方向移動(dòng)，同時(shí)滑軌還能提供給樣機(jī)豎直方向上的支持力，模擬四足機(jī)器人行進(jìn)過程中由其他腿產(chǎn)生的支持力，防止機(jī)身產(chǎn)生傾倒。

樣機(jī)性能測試如圖28所示，樣機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)效果與仿真結(jié)果相近，與理論計(jì)算結(jié)果的誤差在可接受范圍內(nèi)，并且能夠穩(wěn)定執(zhí)行控制器的指令。

圖28 單腿實(shí)物性能測試實(shí)驗(yàn)

6 結(jié)論

(1)基于仿生學(xué)設(shè)計(jì)理論，以貓的腿部骨骼肌系統(tǒng)為仿生目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種具有變剛度彈性元件的足式機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)，使該結(jié)構(gòu)在行走、跳躍運(yùn)動(dòng)時(shí)能有效吸收儲(chǔ)存地面產(chǎn)生的反向沖擊力，并轉(zhuǎn)化為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)效率。

(2)對(duì)變剛度彈簧(圓錐螺旋彈簧)的剛度特性進(jìn)行定量分析 ，設(shè)計(jì)并制作彈性桿件。使用回路矢量法分析腿部連桿的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)該腿部構(gòu)型的控制系統(tǒng)，以MATLAB-ADAMS聯(lián)合仿真的方式對(duì)該腿部構(gòu)型的虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真分析，測試其運(yùn)動(dòng)性能，實(shí)現(xiàn)該腿部構(gòu)型的多種模式運(yùn)動(dòng)。

(3)設(shè)計(jì)制作了該腿部構(gòu)型的實(shí)物樣機(jī)及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)其行走、跳躍運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證，驗(yàn)證了該腿部構(gòu)型的可行性，同時(shí)證明了其在多種模式下運(yùn)動(dòng)時(shí)均具有良好的抗沖擊能力。