CN104503234B - 二维运动c形腿和仿生沙基机器人及其运动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及仿生沙基机器人(利用仿生学原理设计的在流动颗粒介质地面上用轮足行走的机器人)C形腿，尤其是一种仿生沙基机器人及其二维运动C形腿及其运动控制方法。包括C形腿本体(4)，其特点是：该C形腿本体(4)与一曲拐(8)的输出轴连接，而该曲拐(8)的输入轴通过减速器(12)与电机(11)连接，还包括一连杆(7)，该连杆(7)的一端通过轴承套装在前述曲拐(8)的曲柄销上，而其另一端铰接在仿生沙基机器人的身体上；另外前述的电机(11)固定在一滑轨(9)的滑块(10)上，该滑轨(9)则固定在仿生沙基机器人的身体上。本发明的仿生沙基机器人C形腿克服了仿生机器人C形腿在松软沙基中滑转率过大的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及仿生沙基机器人(利用仿生学原理设计的在流动颗粒介质地面上用轮足行走的机器人)C形腿，尤其是一种仿生沙基机器人及其二维运动C形腿及其运动控制方法。
背景技术
2001年美国宾夕法尼亚大学教授Daniel E.Koditschek1与Martin Buehler2(当时任加拿大麦吉尔大学教授，后在波士顿动力研究所带领团队负责机器人的BigDog研究计划，现任Covidien公司的高级总监)、Uluc Saranli3(当时为美国密歇根大学博士生，现任土耳其比尔肯大学副教授)发明了机器人RHex(仿生六足机器人)，在2002年申请到了美国专利(专利号：6481513)。2001至2006年期间Daniel E.Koditschek教授的团队对RHex进行了改进，最后将仿生六足机器人的腿定形为C形腿。2007年至2009年Daniel E.Koditschek教授与美国佐治亚理工学院教授Daniel Goldman教授的CRAB Lab(Complex Rheology AndBiomechanics Lab，复杂的流变学和生物力学实验室)合作研制出SandBot，并测试了其在流动颗粒介质地面上的通过特性。2009年后至今，Daniel Goldman教授的团队一直在研究行走与流动沙基上的机器人。2013年3月该团队在科学杂志上发表了论文“ATerradynamics of Legged Locomotion on Granular Media”，文中作者证明了在各种异构的沙基机器人腿中，C形腿在松软的沙基中的抓地能力最好，并首次提出了地面动力学(Terradynamics)理论，为沙基机器人的研究在方法上指明了方向。
C形腿仿生六足机器人每条腿只有一个自由度，由一个电机控制，克服了一般仿生机器人自由度多、控制复杂的缺点。其基本步法是模仿沙漠甲虫的三脚架步法，其步态具有沙漠蜥蜴在沙漠快速奔跑时的特点。C形腿仿生六足机器人虽然是目前在松软沙子上行走性能最好的机器人，但它在松软沙基的滑转率仍然过大。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种仿生沙基机器人二维运动C形腿，能够克服现有仿生机器人C形腿在松软沙基中滑转率过大的缺点，在不增加驱动电机和控制难度情况下提高机器人在松软沙基上的通过能力；
本发明的目的之二是提供一种采用上述二维运动C形腿的仿生沙基机器人；
本发明的目的之三是提供一种上述仿生沙基机器人二维运动C形腿的运动控制方法。
一种仿生沙基机器人二维运动C形腿，包括C形腿本体，其特别之处在于：该C形腿本体与一曲拐的输出轴连接，而该曲拐的输入轴通过减速器与电机连接，还包括一连杆，该连杆的一端通过轴承套装在前述曲拐的曲柄销上，而其另一端铰接在仿生沙基机器人的身体上；另外前述的电机固定在一滑轨的滑块上，该滑轨则固定在仿生沙基机器人的身体上。
其中曲柄销两端分别通过曲柄臂与曲拐的输入轴和输出轴连接。
其中电机和减速器均安装在滑块上。
其中C形腿本体与一曲拐的输出轴通过紧固件连接。
其中在连杆的一端固定有圆环，该圆环通过轴承套装在曲拐的曲柄销上。
所述C形腿本体的形状基本为英文字母C的弧形。
所述C形腿本体采用上述记载的二维运动C形腿。
二维运动C形腿的C形腿本体在随其转轴进行旋转运动的同时还随其转轴进行往复平动。
其中C形腿本体在随其转轴的往复平动中，当C形腿本体与沙基地面接触时其转轴向后平动，而当C形腿本体离开沙基地面后其转轴向前平动。
其中C形腿本体在随其转轴的旋转运动外，还随其转轴进行往复平动，当C形腿本体与沙基地面接触时在随其转轴向后转动的同时，也随其转轴向后平动。
其中C形腿本体在随其转轴的旋转运动外，还随其转轴进行往复平动，当C形腿本体离开沙基地面时在随其转轴向前转动的同时，也随其转轴向前平动。
本发明的仿生沙基机器人C形腿是应用地面动力学的研究成果和仿生学原理，设计出了一种全新的仿生沙基机器人二维运动C形腿及其运动控制方法，它在松软沙基行走时的动作状态要比一维运动C形腿更接近蜥蜴后肢在沙上奔跑时的状态，进而可克服了仿生机器人C形腿在松软沙基中滑转率过大的缺点。使用该C形腿的轻巧灵便的沙基机器人不但可以完成沙漠、草原、山脉等复杂地形的探险、营救和军事侦察工作，而且可用于月球表面和火星表面的探测。
附图说明
附图1为本发明中采用二维运动C形腿的仿生六足机器人示意图；
附图2为本发明中二维运动C形腿的运动原理图；
附图3为本发明中二维运动C形腿的结构示意图；
附图4为一维运动C形腿轴的运动轨迹；
附图5为二维运动C形腿安装时与曲拐曲柄臂的相对位置关系示意图；
附图6为的一维运动C形三脚架步法切换示意图；
附图7为时二维运动C形腿三脚架步法切换示意图；
附图8为时一维运动C形腿在无滑硬路面运行轨迹；
附图9为时二维运动C形腿在无滑硬路面运行轨迹。
具体实施方式
如图1、2、3所示，本发明提供了一种仿生沙基机器人二维运动C形腿，包括C形腿本体4，该C形腿本体4与一曲拐8的输出轴连接，而该曲拐8的输入轴通过减速器12与电机11连接，还包括一连杆7，该连杆7的一端通过轴承套装在前述曲拐8的曲柄销上，而其另一端铰接在仿生沙基机器人的身体上；另外前述的电机11固定在一滑轨9的滑块10上，该滑轨9则固定在仿生沙基机器人的身体上。
其中曲柄销两端分别通过曲柄臂与曲拐8的输入轴和输出轴连接。电机11和减速器12均安装在滑块10上。C形腿本体4与一曲拐8的输出轴通过紧固件连接。另外在连杆7的一端固定有圆环，该圆环通过轴承套装在曲拐8的曲柄销上。C形腿本体4的形状基本为英文字母C的弧形。
一种仿生沙基机器人，包括C形腿本体4，所述C形腿本体4采用上述记载的二维运动C形腿。
一种仿生沙基机器人二维运动C形腿的运动控制方法，二维运动C形腿的C形腿本体4在随其转轴进行旋转运动的同时还随其转轴进行往复平动。其中C形腿本体4在随其转轴的往复平动中，当C形腿本体4与沙基地面接触时其转轴向后平动，而当C形腿本体4离开沙基地面后其转轴向前平动。其中C形腿本体4在随其转轴的旋转运动外，还随其转轴进行往复平动，当C形腿本体4与沙基地面接触时在随其转轴向后转动的同时，也随其转轴向后平动。其中C形腿本体4在随其转轴的旋转运动外，还随其转轴进行往复平动，当C形腿本体4离开沙基地面时在随其转轴向前转动的同时，也随其转轴向前平动。
二维运动C形腿仿生六足机器人如图1所示，六足机器人的基本步法是三脚架步法。其中1足(或称1腿或1脚，其它足也可以此类推，下同)、4足、5足可构成一个三脚架，2足、3足、6足可构成另外一个三脚架。图2、图3是以足4为例的二维运动C形腿的运动原理图和结构示意图。
为克服仿生机器人C形腿在松软沙基中滑转率过大的缺点，提高机器人在松软沙基上的通过能力，申请人利用滑轨9和反装曲柄连杆7机构，在不增加驱动电机的情况下，将原来的只有一维运动的C形腿变为既有平动又有转动的二维运动C形腿，如图2、3所示：图中包括曲拐8，其半径为r，连杆7，其长度为l。C形腿本体4通过曲拐8连于减速器12上，减速器12与(驱动)电机11相连接，电机11和减速器12安装在滑轨9的滑块10之上，连杆7一端与机器人身体相连，另一端与曲拐8相连。
如图2、3所示。当驱动电机11通过减速器12和曲拐8带动C形腿本体4旋转时，会带动C形腿本体4产生一个前后方向的往复运动，使C形腿本体4在与沙基地面接触时，除了有旋转运动外，还有水平向后的平动(其余各腿结构均与图2、3相同)，其在松软沙基奔跑时的步态将比一维运动C形腿更接近于蜥蜴后肢在沙上奔跑时的状态，进而可克服仿生机器人C形腿在松软沙基中滑转率过大的缺点。
本发明的工作原理是：
一维运动C形腿仿生六足机器人的基本步法是三脚架步法，当一维运动C形腿在地面做纯滚动时，一维运动C形腿轴的运动轨迹为摆线，如图4所示。摆线的参数方程为(1)式。
式中ω为C形腿的旋转角速度。
在C形腿仿生六足机器人运动控制中，为使两套三脚架平稳切换，需控制两套C形腿的旋转角速度满足一定的关系。当C形腿角(图4中的角)不同时，角速度关系不同，设触地的C形腿角速度为ω1，不触地的C形腿的角速度为ω2。由几何关系可知，ω1、ω2需满足(2)式。
图6为的一维运动C形腿三脚架步法切换情况(为使图面简洁，图中只画了部分C形腿)。由(2)式可得ω1＝ω2/2。图6从上至下分别是，1、4、5(足)三脚架，向2、3、6(足)三脚架过度的情况；2、3、6腿以角速度ω1旋转π/3，1、4、5腿以角速度ω2＝2ω1旋转2π/3时的情况；2、3、6腿旋转2π/3，1、4、5腿旋转4π/3，由2、3、6(足)三脚架，向1、4、5(足)三脚架过度的情况。
图7为的二维运动C形腿三脚架步法切换图(为使图面简洁，图中只画了部分C形腿)。图7从上至下分别是，1、4、5(足)三脚架，向2、3、6(足)三脚架过度的情况；2、3、6腿以角速度ω1旋转π/3，1、4、5腿以角速度ω2＝2ω1旋转2π/3时的情况；2、3、6腿旋转2π/3，1、4、5腿旋转4π/3，由2、3、6(足)三脚架，向1、4、5(足)三脚架过度的情况。
图8为的一维运动C形腿，C形腿半径R＝0.2m时，机器人在无滑硬路面行走，其重心运动的轨迹。重心运动的轨迹方程为(3)式
图9为的二维运动C形腿，C形腿半径R＝0.2m，r＝0.07m，λ＝r/l＝0.226时，机器人在无滑硬路面行走，其重心运动的轨迹。重心运动的轨迹方程为(4)式
式中α如图5所示，是C形腿轴A和C形腿圆心O的连线OA与曲拐曲柄臂的夹角，以OA为参考原点，顺时针为α正，逆时针α为负。图9中α为零。
比较图8和图9，可以看到，在无滑硬路面上行走，C形腿旋转同样角度时，二维运动C形腿仿生六足机器人要比一维运动C形腿仿生六足机器人行走的距离更长。用地面动力学分析可知，当机器人在沙中行走时，本发明的二维运动C形腿要比一维运动C形腿的“划沙”能力更强。
Claims (11)
1.一种仿生沙基机器人二维运动C形腿，包括C形腿本体（4），其特征在于：该C形腿本体（4）与一曲拐（8）的输出轴连接，而该曲拐（8）的输入轴通过减速器（12）与电机（11）连接，还包括一连杆（7），该连杆（7）的一端通过轴承套装在前述曲拐（8）的曲柄销上，而其另一端铰接在仿生沙基机器人的身体上；另外前述的电机（11）固定在一滑轨（9）的滑块（10）上，该滑轨（9）则固定在仿生沙基机器人的身体上。
2.如权利要求1所述的仿生沙基机器人二维运动C形腿，其特征在于：其中曲柄销两端分别通过曲柄臂与曲拐（8）的输入轴和输出轴连接。
3.如权利要求1所述的仿生沙基机器人二维运动C形腿，其特征在于：其中电机（11）和减速器（12）均安装在滑块（10）上。
4.如权利要求1所述的仿生沙基机器人二维运动C形腿，其特征在于：其中C形腿本体（4）与一曲拐（8）的输出轴通过紧固件连接。
5.如权利要求1所述的仿生沙基机器人二维运动C形腿，其特征在于：其中在连杆（7）的一端固定有圆环，该圆环通过轴承套装在曲拐（8）的曲柄销上。
6.如权利要求1所述的仿生沙基机器人二维运动C形腿，其特征在于：所述C形腿本体（4）的形状基本为英文字母C的弧形。
7.一种仿生沙基机器人，包括C形腿本体（4），其特征在于：所述C形腿本体（4）采用权利要求1至6中任意一项记载的二维运动C形腿。
8.一种仿生沙基机器人二维运动C形腿的运动控制方法，其特征在于：权利要求1至6中任意一项记载的二维运动C形腿的C形腿本体（4）在随其转轴进行旋转运动的同时还随其转轴进行往复平动。
9.如权利要求8所述的仿生沙基机器人二维运动C形腿的运动控制方法，其特点在于：其中C形腿本体（4）在随其转轴的往复平动中，当C形腿本体（4）与沙基地面接触时其转轴向后平动，而当C形腿本体（4）离开沙基地面后其转轴向前平动。
10.如权利要求8所述的仿生沙基机器人二维运动C形腿的运动控制方法，其特点在于：其中C形腿本体（4）在随其转轴的旋转运动外，还随其转轴进行往复平动，当C形腿本体（4）与沙基地面接触时在随其转轴向后转动的同时，也随其转轴向后平动。
11.如权利要求8所述的仿生沙基机器人二维运动C形腿的运动控制方法，其特点在于：其中C形腿本体（4）在随其转轴的旋转运动外，还随其转轴进行往复平动，当C形腿本体（4）离开沙基地面时在随其转轴向前转动的同时，也随其转轴向前平动。
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