蠕动式步行机器人研究

　第36卷第8期　2002年8月

上海交通大学学报

JOU RNAL O F SHAN GHA I J I AO TON G UN I V ER S IT Y

V o l .36N o.8　

A ug .2002　

收稿日期:2001209228

作者简介:全　勇(19762),男,黑龙江虎林市人,博士生,从事计

算机视觉研究.

文章编号:100622467(2002)0821181203

蠕动式步行机器人研究

全　勇,　杨　杰,　邓志鹏

(上海交通大学图像处理与模式识别研究所,上海200030)

摘　要:提出了一种可在复杂地面环境下行走的蠕动式步行机器人本体结构.该结构采用一种地面被动适应技术,使得腿部可根据地面情况自动调整伸缩长度,以获得较为稳定的支撑.机器人依靠本体变形及被动适应地面的方法产生步行,在很大程度上简化了步行过程中复杂的动作协调控制问题.根据机器人的结构特点,给出了两种步态规划方式.仿真试验表明,该机器人控制简单,运动灵活,具有较广的应用前景.

关键词:蠕动式步行机器人;本体结构;步态模式规划中图分类号:T P 241 文献标识码:A

Re s e a rch on C re e p 2W a lking Robo t

QUA N Y ong ,　YA N G J ie ,　D EN G Z h i 2p eng

(In st .of I m age P rocessing &Pattern R ecogn iti on ,Shanghai J iao tong U n iv .,Shanghai 200030,Ch ina )

Abs tra c t :A k ind of body con structi on fo r creep 2w alk ing robo t w as p ropo sed .T he con structi on of the legs

of the robo t adop ts a techno logy of p assive terrain adap tati on ,w h ich m akes the legs adju st their length au tom atically in acco rdance w ith the conditi on of terrain .T hu s the robo t can gain a relative stab le b race .D ep ending on the robo t body defo rm ati on and its p assive terrain adap tati on ,the creep 2w alk ing robo t real 2izes the om n idirecti onal w alk ing w ith great si m p licity in coo rdinati on con tro l .A cco rding to the con struc 2ti on of the robo t ,tw o k inds of w alk ing m ode p lan s w ere p ropo sed under the con siderati on of the requ ire 2m en t to velocity and stab ility fo r p ractical w o rk environm en t .T he i m itati on show s that the robo t is con 2tro lled easily and m oves agilely .

Ke y w o rds :creep 2w alk ing robo t ;body con structi on ;w alk ing m ode p lan

随着工业用机器人技术的飞速发展,不仅工业

制造部门需要越来越多的机器人,非工业制造部门也对机器人表现了极大兴趣[1].在诸如农业、原子能利用及宇宙开发[2]和海洋开发事业中,迫切需要一种能在复杂地面上行走的机器人.传统的多关节式步行机器人虽具有较强的地面适应能力,然而在现有车载能源及驱动装置的条件下,固有的复杂性影响了它的实用化.

本文探讨一种可在较为复杂地面行走的蠕动式

步行机器人的本体结构.该机器人可实现平地和不平地面行走、上下斜坡及原地回转运动.用少量的驱动单元获得较强的行走能力,因此更容易投入使用.

1　行走机构设计

1.1　步行机构

该机器人由本体和控制器两部分组成.本体为一台8条腿的腿式机器人,它能通过调节腿的长短而不间断地与地面接触并避开不良的立足点.机器人的8条腿排成两组,每4条腿构成一个框架,框架上的驱动电动机和传动装置交替驱动每个框架上的4条腿,产生步进运动.腿部采用地面被动适应性结

构.每个框架上的4条腿用特殊的装置相互连接,协调运动,可自动根据地面状况调整相对伸缩距离,以适应地面不平性.这种机械连接减少了外框架的压力,并能使规划的步伐仅有一种运动形式.

1.2　步行方式

机器人采用蠕动式步态步行.令安装于上、下框架的4条腿分别为腿组 和 ,两腿组交替支撑,完

成步行过程.一个完整的步行过程分为4拍:

抬起非

支撑腿组;本体变形推进;非支撑腿下落,适应地面;改换支撑腿组.对于平坦地面,为提高步行速度,前两拍可同时进行;而当地形复杂,存在障碍时,则只有将非支撑腿组抬到足够高时才能进行本体变形推进,以避免地面与非支撑腿组的干涉.

1.3　腿部的结构设计

由于机器人腿部根据地面情况被动调节自身的伸缩量,以获得稳定支撑.因此,腿部结构的设计尤为重要[3].

机器人本体的8条腿,由一个电动机驱动.每条腿(见图1)的末端装有一个气缸,同一框架上的气缸用导管相连接,协调运动.每组气缸预先打入一定压力的气体,以承受机器人自身的重力.在不平地面行走时,控制方法和平地行走时一样,通过足端气缸间的相对运动适应地面.这种机械连接减少了主动控制的复杂性,并使相应机械结构得到简化.

图1　腿部结构简图

F ig.1　Sketch of the leg m echan is m

2　机器人步态模式规划

2.1　变形模型

根据蠕动式机器人结构及步行原理[4],两框架相对移动和转动产生本体变形.当其中任何一个框架与其所属腿组处于支撑状态时,另一基板可沿平面作沿x轴方向的运动,可移动的最大距离定义为在x方向上移动基板的变形裕量.根据机器人轴向变形模型,取下框架前、后两边中点及上框架前边中点分别为(x1,y1),(x3,y3)和(x2,y2),则可以定义移动距离:

l1=(x1-x2)2+(y1-y2)2

l2=(x2-x3)2+(y

2-y3)2

机器人本体运动模型在x轴方向上的移动距离可由l1、l2定量表述,且满足:

l1+l2=L

其中,L为常量.

上式表示步行机器人移动机构尺寸(行程L)的约束.

当指令方向与行进方向不一致时,机器人首先通过复位使两框架形心重合,再在原地转过相应角度,以转到指令方向.

2.2　步态模式规划I

根据蠕动式步行机器人运动模型,确定支撑腿组的变更和本体变形时的移动方向与距离.由于机器人采用蠕动式行进方式,使得本体行进与腿适应地面两组动作相互独立.在此,规划的目标是使两框架按规定条件移动相应距离,产生所需的行进运动.

2.2.1　规划原则

(1)蠕动式步行机器人行走时的步态可分为上下框架间的相对移动和转动.由于机器人先复位,再转动方向,故转动较为简单.在此主要是对两框架间的相对移动做出规划.

(2)根据机器人特定的本体结构,两框架间的相对变形方向主要发生在轴线方向,设为±x方向.根据两框架形心当前位置与目标位置的相互关系,决定其变形移动方向.

(3)为使规划简单,机器人每一个步行周期结束时都回到初始状态,如图2所示.

图2　步行模式I

F ig.2　W alk ing mode I

(4)每步变形量受框架尺寸和机器人到终点距离的限制.

(5)当下框架运动到上框架的边缘或上框架运动到两形心重合时,即更换支撑腿组.

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2.2.2　规划I 的特点

(1)算法简单,且只要求一个横向移动驱动器

以恒定速度或一个转向驱动器驱动.

(2)采用半步式行进方式,虽未完全利用机构行程,但在每步结束时均回复到初始状态,使得控制简便.

2.3　步态模式规划II 2.

3.1　规划原则

(1)由于在行走过程中,当遇到行进方向与指令方向有一定的夹角时,机器人通过复位、交替变更支撑足来转过相应的角度,调整行进方向,使之与指令方向一致.故当目的地不位于x 轴时,可通过简单变换调整.因而,在讨论步行规划时,只讨论目的地与x

轴方向相一致的情况.为此重新定义l 1和l 2:

l 1=x 1-x 2,　l 2=x 2-x 3

(2)为使机器人以最快速度运动,在恒定步行运动状态时,上框架由支撑状态转变为运动状态后,向前持续运动到上框架最大伸长位置,如图3所示.

图3　步行模式II

F ig .3　W alk ing mode II

(3)

蠕动式移动机器人上、下框架的相互位置

关系,即l 1和l

2,是影响下一步步行的重要因素.2.3.2　规划II 的特点

(1)采用全步式行进方式,充分利用了机构行

程,运动速度快;

(2)由于机器人在运动过程中框架间的伸缩量较大,且运动速度快,降低了其运动稳定性,特别是在斜坡运动时的稳定性.

3　仿真计算

经仿真得机器人足部位移曲线如图4、5所示.

由图4、5可以看出,在一个完整的步行周期内,下框架纵向位移最大值为250mm ,上框架纵向位移最大值为200mm .因此,机器人跨越台阶的极限高度为200mm .

图4　下框架足部纵向位移

F ig .4　Po rtrait disp lacem en t of the in side fram e

图5　上框架足部纵向位移

F ig .5　Po rtrait disp lacem en t of the ou tside

fram e

通过仿真,对机器人在复杂地面环境下,如平地、不平地面及斜坡等的行走能力进行了验证.仿真结果表明,蠕动式步行机器人能够较好地适应复杂地面环境.相对多关节式步行机器人,蠕动式步行机器人具有控制简单、步行灵活的特点.

4　结　语

由于采用了腿部的地面被动适应技术,机器人的整体机构得以大为简化,同时又能最大限度地减少主动控制的自由度数目,使得机器人的控制更为简单.仿真结果表明,虽然与多关节式步行机器人相比,蠕动式步行机器人在适应地面的能力上有一定的损失,但其结构简单,控制灵活,能在一定地面条件稳定行进,更易在实际工作中应用.参考文献:

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全　勇,等:蠕动式步行机器人研究