四足行走机构说明书 - 图文

2013届工程机械专业（机越一班）机械创新设计

2.3四足行走机构稳定性分析

近年来，移动机器人中轮式和履带式移动方式已获得广泛应用。但相比较而言，足式机器人具有轮式和履带式机器人所没有的优点，它可以相对较易地跨过比较大的障碍，并且机器人的足所具有的大量的自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凹凸不平的地形的适应能力更强。其中四足步行机器人由于其比二足步行机器人承载能力强、稳定性好，同时又比六足、八足步行机器人的结构简单，更加受到各国研究人员的重视，已成为机器人学中一个引人注目的研究领域。步态是研究步行机器人的一个很重要的参数，步态规划的好坏直接影响到机器人步行过程中的平稳性、关节所需驱动转矩的大小等因素。

常用的步态生成方法有：Mechee提出的根据静态稳定裕度分析的直线螃蟹步态生成方法，Hirose等提出的利用对角线原理的步态搜索方法，Song等提出的曲线路径的步态生成方法以及基于静态平衡的步态生成方法。本文介绍和分析步行机器人的静态稳定性，根据机器人在步行过程中重心产生的偏移量对静态稳定性的影响，对原有的基于静态平衡的机器人步态生成方法作了一定程度的改进，并绘制了时序图使读者能够更加直观地了解到机器人的整个移动过程。

2.4静态稳定性

2.4.1静态稳定性的一般描述

四足步行机器人在行走的时候，机体相对地面始 终作向前运动，重心始终在移动。四条腿轮流抬跨，相对机体也作向前运动，不断改变立足点位置，只要机器人重心的垂直投影始终被它交替变化的立足点所组成的三角形所包围，则机器人是静态稳定的。机体的运动和腿相对机体的运动必须在任何时刻保证协调一致，才能使机器人重心的垂直投影始终落在三足支撑点构成的三角形区域内，实现稳定行走。

2.4.2重心偏移对静态稳定性的影响

在实际情况中，机器人的重心并不是时刻都保持在机器人的几何中心处，所以要考虑重心偏移对静态稳定性所造成的影响。当初始步态时，机器人的重心偏移处在极限位置，计算此时的影响即可。已知4个足趾相对躯体的位置，可先求出各腿的重心偏移，然后再由如下公式：

量!，其中：

即可求出重心的偏移

为腿重心相对机身坐标系原点的偏移；m1为腿的质量；m为机身的质量。

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小组成员：何燕飞、郑义、陈斌、周鹏、陈海云：机器人的四足行走机构创新设计

由于机器人的腿部结构一般都采用平面连杆机构且使用相同的材料制成，可以把它们看作是均质等截面的细线，忽略驱动关节的质量和长度，利用工程力学中求重心的组合法来求得机器人腿部重心在机身坐标系中的坐标，公式如下：

[17] 式中：分别为腿部各连杆的长度；

分别为腿部各连杆重心在机身坐标系中的坐标。可得出

机器人一条腿的重心在机身坐标系中的坐标

便可求出

值越小，则重心偏移就越小。要使

。 再根据公式：

。可得出结论：

的

的值减小，则应使腿根部的质量大，足趾处

的质量小，即可使腿摆动对重心的影响较小。同样，减小m1的值，也可使重心的偏移减小。实际上重心的偏移主要由m1的质量引起。一般来说，在自然界的四足动物中，躯体的质量远大于腿的质量。但是对机器人来说，各腿的质量和躯体质量几乎相等，所以重心偏移较大，进而对静态稳定性影响较大。

运用上述式子，可以得出重心的偏移程度，和避免重心偏移的方法。我们小组设计的机构腿主要有连杆机构构成，其重量小于机箱的重量，减轻了重心的偏移。而且我们的四足行走机构尺寸小于700mm，可以降低重心，促进平稳行走。

2.5四足机器人的步态规划

2.5.1步态的概念

步态是指在运动过程中，步行者(人、动物或机器)的肢体在时间和空间上的一种协调关系，是移动腿有规律的重复顺序和方式，也就是指步行机器人各腿动作顺序和方式的规律，正是由于这一运动过程实现了机器人的步行运动。步态是研究步行机构的一个非常重要的参数，是确保步行机构稳定运行的重要因素。

四足步行机器人的步行运动由两种步态方式，静态步态和动态步态。静态步态是指机器人在步行过程中始终满足静力学条件，即机器人重心始终落在支持地面几只脚所围成的多边形内。动态步态是机器人在行走过程中重心有时会落在支持地面几只脚

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所围成的多边形外的运动步态，动态步态正是利用这种重心超出多边形面积外而向前产生倾倒的分力作为步行的动力。当前对四足步行机器人步态的研究还主要集中在对静态步态的研究，然而，多足机器人之所以存在很好的应用价值，就在于它能适应非结构环境，可以在崎岖的路面上行走，这是它优于履带式和轮式移动机器人的关键之处。因此，怎样设计多足移动机器人的腿脚能适应复杂地面环境的运动才是步态生成与控制的目标13’l，目前众多研究人员仍在为此目标而努力研究，我们现在的研究目标也是：研究在凹凸不平的路况下可以跨越障碍平稳地行走。

2.5.2步态规划及时序分析

步态规划是步行机器人研究必不可少的内容，对于机构的运动特性及动力特性都有直接的影响。目前，大多数学者公认的步态分类方法是根据占空系数p的取值范围来分类，通常情况下，占空系数日越小，机器人的运动速度越快。移动步行机器人步态描述的相关参数有:支撑相:步行机器人腿部着地的状态。摆动相:步行机器人腿由地面抬起，腿部处于空中的状态。

步态具有一定的周期性：本小组选取马的某一周期进行步态运动状况研究，得出马通用的一个正常步态周期内的抬腿顺序：左前肢—右后肢—右前肢—左后肢或右前肢—左后肢—左前肢—右后肢，马行走时的抬腿顺序（如图 2-4 所示：其中 a、b、c、d 图分别表示右前肢抬起悬空、左后肢抬起悬空、左前肢抬起悬空和右后肢抬起悬空）。 马躯体的前进运动实质上是其重心的不断移动。当马起步时，头部略低前伸，身体前倾，使后肢蹬地产生的驱动力沿脊椎传传导至前方，重心逐渐移至前肢。当前肢前伸迈步时，对角线后肢产生的驱动力则正对着前进方向，例如，左后肢蹬地产生的反作用力沿脊椎传至前方，促使躯体前倾，重心前移，同时脊椎产生的振动力转化为肩胛骨上的压力，这种压力传至与肩胛骨相连的右前肢，致使右前肢必须前伸迈步来承受重量，而单独右前肢不能完全支撑重心，此刻为了使身体及时恢复平衡，左前肢和右后肢也迅速参与运动。这种以体力消耗最低，却使马持续耐久地运动而不疲劳的步态是一种经济步态。随着后肢肌肉收缩形成的伸屈运动，促使后肢踏出。而前肢为了减轻承受的压力和负重不得不迈步。以此方式，马不断反复地作向前迈步运动。在运动中，马为了保持步态的稳定性，大部分时间采取三条腿与地面接触，只是在交换腿运动时，出现短暂的两腿支撑，并且在运动过程中，躯体重心始终落于此三足不断组成的三角形区域内。

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a 右前肢抬起悬空 b 左后肢抬起悬空

c 左前肢抬起悬空 d 右后肢抬起悬空 图2-5

2.5.3步态的稳定性分析

（1）静态稳定性分析

由于四足机器人的静态步态在低速行走时相对稳定性较好，具有负载能力大的特点，有更好的实用性，因此得到了广泛的研究和应用。四足机器人具有对称性，若以直线行走步态为研究对象，需作如下假设:

(1)四足机器人向前行走时，四条腿是沿着两侧的两条平行线前进。

(2)由于机器人腿部质量相对于躯干质量而言比较小，因此忽略迈腿过程中腿的移动引起机器人重心位置的改变。

(3)四条腿的绝对跨距相等。

(4)由于机器人的两边重量分布比较对称，因此在机器人躯干作前后调整的时候，近似的认为机器人的重心只在前后方向上移动。

（2）结果分析

机器人静态稳定的充分必要条件是：稳定裕度dmln>0,但一般为了提高其稳定性,dmin越大越好。已知四足机器人在行走中的三个支撑足在平面内的投影点坐标A1(xl,yl)、A2(XZ,yZ)、A3(x3,y3)和重心在支撑面三角形内的投影坐标G(x4,y4),则可以求得G点到三边的最短距离,即稳定裕度。从迈腿过程稳定裕度的变化分析中可以看出，机器人的每条腿在动作开始或结束时都会有稳定裕度瞬间为0的时刻，此时机器人处于临界稳定状态，但是随着机体重心的前移，稳定裕度又变化为大于O，在运动

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