創(chuàng)新研修課：-足式機(jī)器人足部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、創(chuàng)新研修課：-足式機(jī)器人足部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)器人足部構(gòu)型研究報(bào)告姓名： 學(xué)號(hào)：聯(lián)系電話：電子郵箱：院系及專業(yè)： 指導(dǎo)老師： 一足式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)足式運(yùn)動(dòng)在不平地面和松散地面上的運(yùn)動(dòng)速度較高，而能耗較少。對(duì)環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，既可以進(jìn)入相對(duì)狹窄的空間，也可以跨越障礙，與其它各種移動(dòng)方式相比，具有更廣闊的應(yīng)用前景。 1.足式機(jī)器人對(duì)步行環(huán)境要求很低，能適應(yīng)各種地面且具有較高的逾越障礙的能力，不僅能夠在平面行走，而且能夠方便的上下臺(tái)階及通過不平整、不規(guī)則或較窄的路面，它的移動(dòng)“盲區(qū)”很小。2足式機(jī)器人具有廣闊的工作空間，由于行走系統(tǒng)占地面積小，活動(dòng)范圍很大，其上配置的機(jī)械手具有更大的活動(dòng)空間，也可使機(jī)械手

2、臂設(shè)計(jì)得較為短小緊湊。二幾種足部設(shè)計(jì)與構(gòu)型1.足一地接觸力 行走時(shí)，足部所受到的地面的反作用力分為垂直、前后和左右方向。由于在垂直方向上的反作用力的分力最大，在每個(gè)步態(tài)的周期轉(zhuǎn)折點(diǎn)處出現(xiàn)極值，在腳跟著地時(shí)出現(xiàn)一極大值，隨著腳部逐漸放平，受力面積也逐漸增大，受力則減小，當(dāng)腳部完全放平時(shí)，受力最小，到腳跟離地，腳趾登地時(shí)出現(xiàn)另一個(gè)極大值，在整個(gè)步行周期中，在垂直方向上受力曲線呈現(xiàn)對(duì)稱雙峰性質(zhì)，如圖1所示。 圖1：腳部受力雙峰曲線2.平行四邊形腳部機(jī)構(gòu)圖2所示是一個(gè)用平行四邊形機(jī)構(gòu)作為腳趾的腳部機(jī)構(gòu)，此種機(jī)構(gòu)保證了著地時(shí)腳部與地面的多點(diǎn)接觸，類似人類行走時(shí)腳部著地的情況。平行四邊形依靠彈簧c施加作用

3、于地面的扭力矩從而保證a、b兩點(diǎn)同時(shí)觸地，并幫助行走時(shí)彈性起步，減少行走中能量得到消耗。 圖2：平行四邊形腳部機(jī)構(gòu) 圖3：典型的足部機(jī)構(gòu)3. lola腳部結(jié)構(gòu)幾乎所有機(jī)器人的腳部都是一個(gè)整體，所以很難保證行走時(shí)的穩(wěn)定性。不易實(shí)現(xiàn)行走過程中腳跟著地腳尖離地的行走方式，并且即使行走地面，只是稍微不平，就可能造成腳掌與地面接觸不規(guī)律，影響仿人機(jī)器人的穩(wěn)定性。 為了緩解上述問題，由德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)研制的仿人機(jī)器人lola增加了一個(gè)腳趾自由度，行走速度有了很大的提高。 lola仿人機(jī)器人的腳部結(jié)構(gòu)如圖所示，由圖可以看出，lola機(jī)器人的腳部增加了主動(dòng)趾關(guān)節(jié)，通過控制腳趾轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，來完成類人的行走方式

4、“腳跟著地一腳尖離地”，并且能更好的適應(yīng)地面。 圖4：lola的踝關(guān)節(jié)及腳步機(jī)構(gòu)。4.腳跟沖擊吸收機(jī)構(gòu)腳跟沖擊吸收機(jī)構(gòu)是一個(gè)四桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下b, c處的鉸鏈固定在腳掌上，腳跟著地受到地面的沖擊力時(shí)，減震器將動(dòng)能一部分轉(zhuǎn)換成熱能，再通過四桿機(jī)構(gòu)將一部分轉(zhuǎn)換成勢(shì)能，從而降低了傳遞到踩關(guān)節(jié)的力與力矩。 圖5：腳跟沖擊吸收機(jī)構(gòu) 二足部構(gòu)型設(shè)計(jì)安裝在內(nèi)盤上的舵機(jī)通過控制轉(zhuǎn)動(dòng)軸，將舵機(jī)轉(zhuǎn)過的角度值傳遞給變形輪的輪轂，以實(shí)現(xiàn)用單片機(jī)控制舵機(jī)角度來控制變形輪的變形與恢復(fù)。當(dāng)車體在平地運(yùn)行時(shí)，車輪為圓形，通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)使機(jī)器人前進(jìn)或停止或后退。當(dāng)遇到障礙物或軟質(zhì)地爬坡時(shí)，時(shí)車輪變形為由三個(gè)120度的圓

5、弧組成的三角形，此外輪胎采用質(zhì)地軟的材料，這樣可以盡可能大的增大與地面的接觸面積，從而達(dá)到增大摩擦的效果。其次，車輪外圈布滿凸出的橡膠顆粒，可以更好的增大摩擦。圖6：整體效果圖 圖7：變形構(gòu)造圖三步態(tài)規(guī)劃我們?cè)诹愕臋C(jī)器人的基礎(chǔ)上使其采用四足步態(tài)行走，并將足改為輪型，在硬地上用輪型足進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，當(dāng)遇到軟地時(shí)，將變形為足型進(jìn)行行走，其足型步態(tài)規(guī)劃參照于六足昆蟲的四足態(tài)行走。步態(tài)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)步行的關(guān)鍵之一, 為達(dá)到較為理想的步行,考慮下列要求: ( 步行平穩(wěn)、協(xié)調(diào) ,進(jìn)退自如, 無左右搖晃及前后沖擊; ) 機(jī)體和關(guān)節(jié)間沒有較大的沖擊。 六足昆蟲在進(jìn)行四足步態(tài)行走時(shí)，任一時(shí)刻保證有 4條腿處于支撐相，而

6、且是每一側(cè)分別有兩條腿處于支撐相，另外一條腿處于擺動(dòng)相。假定六條腿中，左邊三條腿按順序分別為l l 、l 2 、l 3，右邊三條腿按順序分 別為r 1 、r 2 、r 3。典型四足步態(tài)的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期 分為三個(gè)階段，每階段所有腿的組合狀態(tài)有所差異，分別是：1、 當(dāng) rl 、r 2、l l 、l 3處于支撐相時(shí)，r3、l 2處于擺動(dòng)相；2、 當(dāng)r1、r 3、l 2、l 3處于支撐相時(shí)，r2、ll處于擺動(dòng)相；3、 當(dāng)r2、r 3、l 1、l 2處于支撐相時(shí)r1、l 3處于擺動(dòng)相。如此交替實(shí)現(xiàn)六足昆蟲 的直行前進(jìn)。一般情況下仿生六足昆蟲機(jī)器人是從離散著地點(diǎn)多自由度的腿的結(jié)構(gòu)，采用典型的四足步態(tài)就能實(shí)現(xiàn)

7、六足機(jī)器人的直行。以下是整體圖： 其步態(tài)示意圖如下：四：發(fā)展展望1. 目前足部設(shè)計(jì)雖然實(shí)現(xiàn)了部分仿生，但腳趾和腳跟的長(zhǎng)度和弧度的大小、腳趾的個(gè)數(shù)以及怎樣實(shí)現(xiàn)足弓的功能還需要進(jìn)一步的研究。2、柔性鉸鏈設(shè)計(jì)對(duì)不規(guī)則路面有較強(qiáng)適應(yīng)性，但若想實(shí)現(xiàn)自然的行走方式“腳跟著地一腳尖離地”還有段差距3、仿人機(jī)器人在行走時(shí)，腳趾與腳跟偏轉(zhuǎn)角度對(duì)行走穩(wěn)定性的影響，如何行走最有利和所 受地面的反作用力最小，有待進(jìn)一步的研究。4、傳感系統(tǒng)的改進(jìn)問題。理想的步行機(jī)器人，應(yīng)該能夠根據(jù)不同的環(huán)境，自動(dòng)進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃。因此機(jī)器人的內(nèi)部也需要安裝多種傳感器，如：力傳感器、陀螺儀來收集信息進(jìn)行精確控制。五參考文獻(xiàn).【1】雷靜桃，高峰，崔瑩.多足步行機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及展望d.北京: 北京航空航天大學(xué)汽車工程系,200609. 【2】 竹 中 透 ， 五 味 洋 ， 重 見 聰 史 ， 松 本 隆 志 . 步 行 式 移 動(dòng) 機(jī) 器 人 ： 日 本 ，【3】 馬培蓀,竇小紅,劉臻.全方位四足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究j.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),1994,28(2):36-39【4】 6bares j e,whittaker w of autonomous walkers for extreme terrainj.the international journal of robotics rese