表情包简笔画第19卷第5期北华大学学报(自然科学版)Vol.19No.52018年9月JOURNAL OF BEIHUA UNIVERSITY(Natural Science)Sep.2018文章编号:1009-4822(2018)05-0690-07DOI :10.11713/j.issn.1009-4822.2018.05.026
气动柔性关节六足机器人步态设计与实验
刘㊀齐1，耿德旭1，赵云伟2，刘洪波2，刘荣辉1
(1.北华大学机械工程学院，吉林吉林㊀132021;2.北华大学工程训练中心，吉林吉林㊀132021)
开机要按f1摘要：设计三自由度气动柔性关节六足机器人直行㊁原地回转以及定半径回转运动过程的步态实现方法，搭建运动学实验平台，验证所设计步态的合理性，分析最佳运动性能参数.实验结果表明：机器人步态设计合理可行，在动作频率为2Hz，负载500g，直行气压0.20MPa，单次转体回转角度15ʎ，定半径50mm 转弯下，运动性能最佳.
关键词：柔性关节；六足机器人；步态设计；运动性能
关于勤奋学习的成语中图分类号:TH138.5文献标志码:A 收稿日期:2018-06-22
基金项目：吉林省自然科学基金项目(20150101026JC).
作者简介：刘㊀齐(1992-)，男，硕士研究生，主要从事仿生关节及应用研究,E-mail:；通信作者：耿德旭(1964-),
男，博士，教授，主要从事智能精密制造研究,E-mail:Gait Planning and Kinematics of Bionic Hexapod Robot Bad on Pneumatic Flexible Joint
发展的反义词
Liu Qi 1,Geng Dexu 1,Zhao Yunwei 2,Liu Hongbo 2,Liu Ronghui 1
(1.School of Mechanic Engineering ,Beihua University ,Jilin 132021,China ;2.Engineering Training Center of Beihua University ,Jilin 132021,China )
Abstract :The hexapod robot is rearched by using pneumatic flexible joint,its different gaits of motor process is designed,such as walk straight,turn on the spot,turn along the fixed radius.Building the experimental platform of kinematics,testing the gait whether it is reasonable,and analyzing the best kinematic parameter.The result shows
that the gait was reasonable,when robot s motion frequency was 2Hz,load was 500g,air pressure was 0.20MPa,rotation angle every time was 15ʎ,fixed radius was 50mm,the robot has best state of motion.Key words :flexible joint;hexapod robot;gait planning;motion performance 机器人是21世纪的
重要战略支撑之一，在灾害救援㊁星球探测㊁核电站检测等危险以及人类无法到达的场所发挥了巨大作用[1].相比传统的轮式㊁履带式机器人，六足机器人具有高度的灵活性㊁机动性㊁地面适应能力强㊁越障能力突出等特点[2]，得到了国内外学者的广泛关注.目前，六足机器人大多采用电机驱动，结构复杂，柔性不足，控制难度较大[3]，而质量轻㊁柔顺性好㊁灵活度高的六足机器人应用前景广阔.本文研究的基于气动柔性关节的六足机器人，采用自主研发的三肌肉气动柔性关节作为驱动器，具有良好的柔顺性和灵活性.作为六足机器人行走的关键技术，步态规划直接影响机器人的运动性能.根据六足机器人运动过程中支撑腿的数目，可将其运动步态分为三角步态㊁四足步态以及五足步态等[4].本文以气动柔性关节六足机器人为研究对象，对其直行㊁原地回转㊁定半径回转等运动过程中的步态进行规划，并结合运动学实验，研究所规划步态的可行性，分析机器人各运动过程的稳定性.
1㊀六足机器人结构与运动原理
失眠针灸穴位1.1㊀本体结构设计文中所述六足机器人由本体和腿部结构两部分组成.机器人本体为长400mm，宽248mm 的长方形，腿部关节连接位置呈左右对称分布，以保证静态时机器人六条腿的落脚点处于同一椭圆上，以增加其运动稳定性，同时有效避免了腿部之间的干涉(图1).为方便进行机器人运动控制，对机器人进行腿部命名并分组，其中,1,4,5号腿为A 组,2,3,6号腿为B 组
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图1六足机器人结构Fig.1The structure of hexapod robot
1.2㊀腿部结构设计
机器人腿部由自主研发的三自由度气动柔性关节和足部结构组成(图2a).三自由度柔性关节由3根并联的气动人工肌肉及弹簧组成(图2b).通过控制人工肌肉内部压缩气体压力p i (i =1,2,3)，实现关
节在空间任意角度的弯曲和轴向伸长，提高机器人运动的灵活性.图2c 为关节空间运动区域；关节下端装有足部结构，能够有效增加机器人步距，提高运行速度，且防滑层增大了机器人与地面间的摩擦力，提高了运动的稳定性
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图2腿部结构Fig.2The structure of leg
1.3㊀运动原理
利用气压控制系统控制机器人运动.气压控制系统由1台S7-200PLC 控制器和18个电气比例阀组成，控制原理见图3.通过PLC 控制电气比例阀调节柔性驱动器内部人工肌肉气体压力及各肌肉充气时间间隔，实现对柔性关节变形的控制，使其完成设定动作.不同步态中，因柔性关节气路连接方式不同，所需比例阀数目也有差别.
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96第5期刘㊀齐，等：气动柔性关节六足机器人步态设计与实验
1气源;2空气过滤器;3减压阀;4油雾器;5精密减压阀;6电气比例阀;7人工肌肉
图3柔性关节变形控制原理Fig.3Control principle of flexible joint deformation
2㊀步态设计
患病的英文为适应自然界中的不同地形，机器人在运动过程中应具有前进㊁后退㊁平移以及避障等功能[5-6].图4为六足机器人行进路线规划图.机器人沿y 轴正方向直线行走(过程1)，当遇见障碍物时，通过原地回转调整位姿(过程2)，并从右侧避开障碍物(过程3)，此时机器人与原行进方向垂直，通过再次原地回转(过程4)使身体回到正常行进路线，继续前进(过程5).在该行进路线中，共涉及六足机器人前进㊁原地回转以及定半径回转3种运动，因此对六足机器人这3种运动过程中的步态分别进行规划
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图4六足机器人行进路线规划Fig.4Route plan of hexapod robot
2.1㊀直行步态设计
自然界中，六足昆虫的行走均采用三角步态，仿生六足机器人也采用该步态.三角步态具有稳定性好㊁行走效率高等优点，能够保证机器人在运动过程中的稳定性[5-6].结合气动柔性关节变形机理及其特点，机器人直行运动过程采用三角7步步态.
机器人直行运动过程共包含7个动作指令,7个动作指令为1个循环周期，每完成1个循环，可向前产生4个单位步距的位移.图5为该步态的动作细化图，图中黑色实心圆点表示腿部与地面接触，空心圆点表示腿部悬空，箭头表示腿部弯曲变形，且箭头所指方向为变形方向.具体运动过程:A 组腿部关节3根肌肉同时充气，与地面接触呈伸长状态，将机器人本体提升一定高度，防止B 足腿部关节弯曲变形时与地面干涉(动作1);B 组腿部关节后侧肌肉通气，产生向前弯曲变形呈悬空迈腿状态(动作2)；改变A 组腿部关节肌肉内部气体压力，使之产生向后弯曲变形呈蹬腿状态，此时机器人本体高度下降，六条腿同时与地面接触，且由于A 组腿部关节变形产生的驱动力及地面对足部产生的摩擦力共同作用，机器人整体向前移动1个单位的步距S (动作3)；改变B 组腿部关节肌肉内部气体压力，使其由迈腿状态变化为伸长状态，将机器人提升一定高度并支撑，且向前移动1个单位步距S (动作4)；改变A 组腿部关
节肌肉内部气体压力，使其由蹬腿状态变为迈腿状态(动作5)；改变B 组腿部关节肌肉内部气体压力，使之产生向后弯曲变形呈蹬腿状态，机器人本体高度下降，六条腿同时与地面接触，且向前移动1个单位步距S (动作6)；改变A 组腿部关节肌肉内部气体压力，使其由迈腿状态变化为伸长状态，将机器人提升一定高度并支撑,296北华大学学报(自然科学版)第19卷
且向前移动1个单位步距S (动作
7).图5直行步态动作细化Fig.5Detailed diagram of straight gait
2.2㊀原地回转步态设计
六足机器人原地回转功能的实现，能够增加其运动的灵活性，并更好地适应狭小的工作空间.结合气动柔性关节变形机理及其特点，机器人原地回转采用三角4步步态.
机器人原地回转步态共有4个动作指令，依次为支撑㊁迈腿㊁落地和复位，动作指令每循环1次，机器人旋转一定角度(图6).图6中，实心圆点表示腿部与地面接触，空心圆点表示腿部与地面脱离，含有箭头的实心圆点表示腿部弯曲进行迈腿动作，且箭头方向为腿部弯曲方向.为避免机器人迈腿过程中关节弯曲变形与地面产生干涉，首先A 组腿部关节3根肌肉同时充入相同压力气体，关节伸长，抬升机器人本体(动作1)；其次,B 组腿部关节3根肌肉充入不同压力气体，使之产生不同弯曲角度及方向的变形(动作2)；然后,A 组腿部关节同时泄气，机器人本体下降,B 组腿与地面接触,3号腿落在图中标记为R 3的圆上,2,6号腿同时落在标记为R 2(6)的圆上，且B 组腿处于弯曲状态(动作3)；最后,B 组腿部关节3根肌肉充入相同压力气体，由弯曲状态变为伸长状态，利用B 组足部与地面间的摩擦力及关节变化产生的驱动力使机器人转动一定角度γ(动作4).4个动作交替循环，可完成原地回转动作
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图6原地回转步态动作细化Fig.6Detailed diagram of turn on the spot gait
2.3㊀定半径转弯步态设计
六足机器人定半径转弯步态主要用于机器人避障运动过程.与原地回转步态相同，定半径转弯仍采用三角4步步态，共包含4个动作指令，步态动作细化见图7.在这一运动过程中,A 组腿部仍为支撑相,B 组腿部为弯曲相，不同之处为3号腿和2,6号腿始终分别处于R 3,R 2(6)的圆上(动作2,3,4)，即B 组腿部关节空间弯曲方向和角度与原地转弯步态中B 组腿部关节不同，通过控制B 组腿部关节肌肉气体压力组合实现关节弯曲方向的改变，进而使机器人按照设计轨迹运动.动作循环1次，机器人转动角度为β
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图7定半径回转步态动作细化Fig.7Detailed diagram of turn along the fixed radius gait平行四边形有几条高
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3㊀六足机器人运动学实验通过搭建六足机器人运动学实验平台，对六足机器人步态原理进行验证，实验原理见图8.利用气压控制系统对通入六足机器人腿部关节内各肌肉的气体压力进行控制，使机器人完成直行㊁原地回转㊁定半径转弯等不同运动；通过三维动态测量系统对标记点的坐标变化进行实时捕捉，并上传至计算机，分析坐标变化可得到机器人运动过程中的位移㊁速度以及加速度等参数.3.1㊀直行实验
实验装置由气源㊁三维动态测量系统㊁电气比例阀㊁PLC 控制器等组成，见图9.根据所规划的六足机器人直行步态，借助实验平台对影响机器人运动学性能的肌肉充气气压㊁负载㊁迈步动作频率等因素进行研究
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图8六足机器人运动学实验原理Fig.8Experimental principle of hexapod robot
kinematics 图9实验设备Fig.9Experimental installation
㊀㊀根据单一变量原则，首先研究肌肉充气气压对六足机器人运动性能的影响.设定机器人迈步动作频率为1Hz，空载，研究在机器人腿部关节肌肉充气气压分别为0.20,0.25和0.30MPa 时机器人的运动速度以及运动过程中的稳定性，结果见图10.由图10a 可以看出，气压为0.20MPa 时，前进速度为6.25mm /s,0.25MPa 时为10mm /s,0.30MPa 时为14mm /s，即随着气压的增大，前进速度不断增大；由图10b 可以看出，气压为0.20MPa 时，质心最大波动位移为2.2mm,0.25MPa 时为5.1mm,0.30MPa
时为8.1mm，即气压越大，质心位移波动越大，运动稳定性降低.综合考虑，当气压为0.20MPa 时，机器人直行运动性能最好
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图10不同气压下机器人运动性能分析Fig.10Analysis of robot motion performance in different air pressures
设置气压为0.20MPa，空载，研究机器人在迈步动作频率分别为1,1.25和2Hz 时的运动速度以及运动过程中的稳定性，结果见图11.由图11a 可以看出，随着动作频率的增大，机器人前进速度增大.动作频
率为2Hz 时，前进速度为12.5mm /s,1.25Hz 时为6.5mm /s,1Hz 时为6.25mm /s；由图11b 可以看出，机器人迈步动作频率为2Hz 时，质心最大波动位移为2.7mm,1.25Hz 时为2.3mm,1Hz 时为2.25mm.综合考虑，机器人在直行过程中，迈步动作频率对机器人质心波动位移影响较小，对运行速度影响较大，故最佳迈步动作频率为2Hz.496北华大学学报(自然科学版)第19卷
