蠕动式步行机器人研究

第 36卷 第 8期 2002年 8月 上 海 交 通 J()uRNAL OF SHANGHAI 大 学 学 报 儿AOTONG UNIVERSITY V O1．36 NO．8 Aug． 2002 文章编号 ：1006—2467(2002)08 1 181—03 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 ：TP 241 文献标识码 ：A Research on Creep—W alking Robot QUAN Yong， YAN G Jie， DENG Zhi—peng (Inst．of Image Processing＆．Pattern Recognition，Shanghai Jiaotong Univ．，Shanghai 200030，China) Abstract：A kind of body construction for creep walking robot was proposed．The construction of the legs of the robot adopts a technology of passive terrain adaptation，which makes the legs adjust their length automatically in accordance with the condition of terrain．Thus the robot can gain a relative stable brace． Depending on the robot body deformation and its passive terrain adaptation，the creep—walking robot real— izes the omnidirectional walking with great simplicity in coordination contro1．According to the construc— tion of the robot，two kinds of walking mode plans were proposed under the consideration of the require— ment to velocity and stability for practical work environment．The imitation shows that the robot is con— trolled easily and moves agilely． Key words：creep—walking robot；body construction；walking mode plan 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 ．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 收 稿 日期 ：2001 09 28 作者简介：全 勇(1976)，男，黑龙江虎林市人，博士生，从事计 算 机视 觉研 究． 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 维普资讯 http://www.cqvip.com 上 海 交 通 大 学 学 报 第36卷 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 地面状况凋整相对 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 I和 Ⅱ，两腿组 交替支撑 ，完 成 步行 过程．一个完 整的步行过程分 为 ，l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E ． 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 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． 缸 图 l 腿 部结 构 简 图 Fig．1 Sketch of the leg mechanism 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 ]，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 轴方 向的运 动 ，可 移动 的最 大距 离定 义为 在 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( ，y )，( 。，y。)和( 。， ：)，则 可以定 义移 动距离 ： 2一 ~／( 2一 3)。+ ( 2一 y3) 机 器人 本 体运 动模 型 在 轴 方 向上 的移 动距 离可 由 Z 、 。定量表述 ，且满足 ： l + 2一 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 ± 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 ． 一 同 籍 鲁 一 图 2 步行 模式 I Fig．2 W alking 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． 维普资讯 http://www.cqvip.com 第8期 全 勇，等 ：蠕 动式步行机 器人研 究 1183 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 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 轴方 向相一致 的情况．为此重新定 义 Z 和 Z ： l — 1 一 。、2， 2 一 2 一 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 ll Fig．3 W alking m ode II (3)蠕 动式移 动机器 人上 、下框 架 的相互 位置 关系 ，即 和 ，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 问 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 250 mm，上框 架纵 向位移 最 大值 为 200 1-n1-n．因此 ，机器人跨 越 台阶的极 限高度 为 200 1-nl-n． 图 4 下 框 架足 部纵 向位 移 Fig．4 Portrait displacement of the inside frame 图 5 上框 架足 部纵 向位 移 Fig．5 Portrait displacement of the outside frame 通过 仿 真 ，对 机器 人 在 复杂 地 面环 境 【、 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 ： [1] Virk G S．Industrial mobile robots：the future[J]． Industrial Robot，1 997，24(2)：lO2— 10S． [2] Weisbin C R，1．avery D，Rodriguez G．Robots in space into the 2 lth century[J]．Industrial Robot． 1 997，24(2)：1 69— 181． [3] Kessis J J．Hexapod walking robots with artificial in telligence capabilities[A]．Pro 5th CISM—IFToMM Sym p Theory and Practice of Robots and M anipula— torsIt]．New York：ACM Press，1 999．395—401． [4] Shih Ching—Long，Cruver W A，Lee Tsu—Tian．In verse kinematics and inverse dynamics for control of a biped walking machine[J]．Journal of Robotic Sys— terns． 】993．1 0(4)．53】一 555． r¨ h" 维普资讯 http://www.cqvip.com