仿壁虎機器人地壁過渡的步態規劃

曹飛祥，孫樹棟，段軍，郜慶市

(西北工業大學機電學院，陜西西安 710072)

仿壁虎機器人地壁過渡的步態規劃

曹飛祥，孫樹棟，段軍，郜慶市

(西北工業大學機電學院，陜西西安 710072)

設計并研究了一種具有柔性多桿機構腰部和尾巴的仿壁虎機器人結構，通過對該機器人地壁過渡階段研究，規劃了一種仿壁虎機器人地壁過渡步態;并利用ADAMS對仿壁虎機器人進行了地壁過渡步態規劃仿真;仿真結果表明:所設計的仿壁虎機器人結構是合理的，且地壁過渡步態規劃方法是可行的。

仿壁虎機器人;步態規劃;地壁過渡

仿壁虎機器人作為一種能代替人進行危險和艱苦工作的機電一體化裝置，廣泛應用于反恐偵查、高空清洗、核工業、石化企業、建筑行業和造船業等［1］。斯坦福大學Mark Cutkosky教授及其研究小組研制成StickyBot類壁虎機器人［2］;卡耐基梅隆大學納米機器人實驗室研制的仿壁虎爬壁機器人Waalbot用兩個足式輪子實現了爬行、轉彎等運動，還可以實現墻面過渡［3］;卡耐基梅隆大學的Metin Sitti和Ozgur Unver最新設計的“坦克蟲”機器人，其移動主要依賴于黏性的彈力橡膠，使其適應于木料、金屬、玻璃和磚塊等多種表面［4］。北京航空航天大學、南京航空航天大學、中科院和西北工業大學等都在仿壁虎機器人方面做了大量的研究［5－8］。

多足步行機器人常用的步態規劃方法有:MCGHEE［9］根據靜態穩定裕度分析提出的直線螃蟹步態生成方法，HIROSE等［10］提出的利用對角線原理的步態搜索方法，SONG等［11］提出的曲線路徑步態生成方法以及基于靜態平衡的步態生成方法。針對步行機器人相交平面的步態規劃，鄭浩峻等［12］提出了一種步行機在任意夾角相交面上的運動規劃，孟偲等人［13］設計出了一種地壁過渡仿壁虎機器人，但是需要調整機器人姿勢橫向過渡、運動調整空間過大、時間過長和控制系統復雜［14］。

文中從腰部機構方面來討論如何使機器人在具有高度靈活性的同時具有較好的承載能力，同時可以達到相對精確的位姿。仿照生物壁虎設計了基于多連桿腰部和尾巴的仿壁虎機器人結構，分析了其運動學，規劃出合理的地面向壁面過渡的步態，最后利用仿真軟件ADAMS進行步態仿真，驗證了設計的合理性。

1 仿壁虎機器人結構設計

1.1 仿壁虎機器人行走機構設計

設計了一種仿壁虎機器人，其三維結構如圖1所示。

圖1 仿壁虎機器人三維結構圖

機器人采用有機玻璃材料，四足對稱分布，使結構簡單;每條腿采用并聯結構，這樣可以提高機器人的剛度和可靠性;機器人共有10個驅動關節，Mj_i1實現抬腿動作，Mj_i2驅動并聯四桿機構實現伸縮腿動作，單腿具有2個自由度，Mw和Mt分別實現機器人的腰部和尾巴的彎曲和伸展動作。

1.2 仿壁虎機器人腰部設計

仿壁虎機器人的腰部通常采用單一剛性或者簡單柔性元件作為身體連接件［5－8］。此類結構簡單、質量輕、轉動慣量小;但是腰部缺少驅動、靈活性低、工作空間小、機器人運動能力相對不足。為了增加機器人的運動能力，同時能夠將驅動部件放置于機體上，用以保證系統的剛性和穩定性，將多連桿機構用于機器人腰部的設計中，降低對電動機驅動能力的要求，提高機器人的靈活性。

設計的仿壁虎機器人柔性腰部的機構簡圖如圖2所示。機器人腰部分為三段1，2，4;點A，B與機器人下軀干鉸接，點C與機器人上軀干固結;連桿3，5分別連接桿4和桿2，其中點B放置驅動電機，輸出的扭矩帶動連桿4轉動，連桿5牽引桿2轉動，同時連桿3牽引1轉動以完成腰部的彎曲運動，可計算出該機構的自由度數為:

式中:n為活動構件數;

pl為運動低副數;

ph為運動高副數。

圖2 腰部機構原理圖

機器人處于單一平面時，其腰部驅動關節不做運動;當機器人處于相交平面時，以驅動關節角度θ作為輸入，將四條腿置于不同平面上。根據機構的設計原理，這種狀態下機器人的姿態可以根據Mw輸入角度精準確定，且各關節之間的空間上相對獨立，其運動之間不會發生干涉，有效地避免了機器人卡死、腳掌懸空及打滑現象的發生。

1.3 仿壁虎機器人尾巴設計

JUSUFI等［14］研究發現，壁虎的前腳碰觸到光滑的表面并失去抓握力時，尾巴緊貼到光滑的壁面上以防止向后翻倒，起第五條腿的作用。柔性靈活的尾巴對爬壁機器人動平衡和運動穩健有著重要的意義。圖3是仿壁虎機器人尾巴機構圖，爬行機構模型是由與腰部相似的多連桿機構組成。尾部機構是由一個主動驅動電動機驅動桿件作旋轉運動。當驅動尾巴的電動機轉動時，輸出的扭矩帶動連桿2轉動，連桿1牽引桿3轉動，同時連桿4牽引5轉動。假設當前電動機逆時針轉動，使機器人的尾巴壓緊地面，尾尖部與地面之間存在摩擦力的作用，調節電機的扭矩可以控制尾巴摩擦力的大小，使機器人行走更加平穩。

圖3 尾巴機構原理圖

2 運動學分析

利用D－H方法［15］建立如圖4所示的坐標系。OCxCyCzC表示機器人連體坐標系，其坐標原點位于機器人機體的中心。以機器人的右前腿為例，由平行四桿機構的特性可簡化成串聯開環機構，有2個自由度，每個關節都是一個轉動副。1號電機、2號電機的轉角分布是α、β。則足端執行器坐標系{T}相對于{C}的變換矩陣為T。其中由平行四桿機構的特性可知:

圖4 機器人腿部坐標系

3 仿壁虎機器人地壁過渡的步態規劃

實現地－壁過渡的方式有直爬和側爬，在地壁過渡前身體 (頭部與尾巴連線)在水平面內與壁面有一夾角，夾角小于45°時稱為側爬，大于45°時稱為直爬。直爬的主要特點為雙前腿經過一次完整的步態過程，先跨上壁面，后雙腿經由第二個完整的步態再運動至壁面;側爬的主要特點為同側雙腿經過一個完整的步態先跨上壁面，異側雙腿再經歷多個步態調整運動至壁面。側爬可看成為平面三角步態的變化形式，對靈活性要求較低，而直爬是生物界多數動物為適應復雜多變環境而進化的選擇，對仿生機器人研究更具有實際意義。

仿壁虎機器人從地面過渡到壁面的基本特征為前后足分別支撐于地面和壁面兩個不同平面，該運動過程也稱為過渡階段;當機器人的前后足均移動到壁面表面且尾巴伸直時，過渡運動結束，該種狀態稱為過渡運動終止狀態;當機器人開始過渡運動的前一時刻，其前后足尚處于過渡前表面，該狀態稱為過渡運動初始狀態。

如圖5所示，機器人三足吸附步態調整為地壁過渡步態，最后又調整為三足吸附步態。其攀爬步驟如下:

(1)機器人位于初始位置，右前腿向前移動，其余三腿支撐機器人 (圖5(a))。

(2)左后腿和左前腿先后向前移動 (圖5(b)、5(c))。

(3)左前腿、右前腿和左后腿同時驅動，機器人向前移動;右后腿向前移動 (圖5(d))。

(4)機器人通過三角步態向壁面移動 (圖5(e)—5(i))。

(5)機器人移動到離壁面合適的距離，結束三角步態，調整姿勢為過渡做準備 (圖5(i)—5(m))。

(6)腰部彎曲90°，同時左后腿和右后腿驅動機器人向壁面移動 (圖5(n))。

(7)前腿吸附壁面與尾巴支撐機器人，后腿向前移動 (圖5(o))。

(8)后腿和尾巴支撐機器人，前腿向上移動(圖5(p))。

(9)前腿吸附壁面，驅動機器人向上運動，同時腰部伸直，尾巴彎曲 (圖5(r))。

(10)機器人通過三角步態向上移動 (圖5(s)—5(t))。

(11)機器人尾巴伸直，完成地面向壁面的過渡(圖5(u))。

使用直爬步態規劃優點在于能減少仿壁虎機器人姿態的調整，縮短機器人過渡時間，并且減少能量消耗。

4 仿真試驗與驗證

4.1 運動仿真

在ADAMS環境下，對機器人從三角步態向過渡步態過渡的過程進行仿真。根據各個關節間運動副情況，賦予各構件正確的物理屬性和各個運動副施加相關的運動約束，在仿真中假設機器人自身的摩擦忽略不計。代入相關的驅動量的值，實現機器人的運動仿真，如圖6仿真動畫所示。

4.2 結果分析

仿真后通過后處理模塊 (ADAMS/Postprocessor)得到機器人質心在Y方向上的位移曲線，如圖7所示.機器人能夠沿著規劃的步態過渡到壁面，Y方向不存在反復劇烈的波動，能減小能量的消耗，驗證了步態的正確性和機器人結構的可行性。5 結論

圖5 過渡步態

圖6 ADAMS環境下仿壁虎機器人攀爬仿真

圖7 仿壁虎機器人Y方向位移曲線

(1)以壁虎為原型設計的爬壁機器人，結構緊湊，適應性強，每條腿有2個自由度，帶有1個自由度的柔性腰部和尾巴，使機器人能適應復雜的環境，并且在爬行時具有更強的可靠性和適應性;

(2)通過對壁虎壁面爬行運動的研究，規劃了

一種仿壁虎的地面向壁面過渡的步態;

(3)仿真分析驗證了仿壁虎機器人結構設計的合理性以及步態規劃方法的有效性和可行性。

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Gait Planning of Gecko-like Robot Transition from Ground to W all

CAO Feixiang，SUN Shudong，DUAN Jun，GAO Qingshi
(School of Mechatronics，Northwestern Polytechnical University，Xi'an Shaanxi710072，China)

The structure of gecko-like robot provided with flexible multi-link mechanism waist and tail was designed and researched.Through researching of the phase of transition from ground to wall of the gecko-like robot，its gaitof ground towall transition was planned.Moreover，the gait planning on the gecko robot was simulated by using ADAMS.The simulation results show that the structure of designed robot is reasonable，and themethod of gait planning is feasible.

Gecko-like Robot;Gait planning;Ground to wall transition

TP242

A

1001－3881(2013)9－039－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2013.09.011

2012－04－17

西北工業大學創業種子基金資助項目 (z2012045);西北工業大學創新基金資助項目 (2012006)

曹飛祥 (1986—)，男，碩士，研究領域為仿生機器人、CAE技術。E－mail:caofx0418@163.com。