陳 娜,盧 威
(張家界航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 張家界 427000)
多關(guān)節(jié)型雙足步行機(jī)器人比其他足式機(jī)器人具有更高的靈活性,更加適合與人類協(xié)同工作,例如在危險(xiǎn)環(huán)境作業(yè)、不平整地面貨物搬運(yùn)、醫(yī)療護(hù)理康復(fù)等方面。雙足步行機(jī)器人的步行能力很大程度上取決于下肢機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征,本研究的雙足步行機(jī)器人在下肢行走機(jī)構(gòu)采用多個(gè)關(guān)節(jié)與連桿串聯(lián),滿足前后行、側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、上下臺(tái)階、爬斜坡等步行功能的自由度要求。這種多關(guān)節(jié)雙足運(yùn)動(dòng)由于存在自由度數(shù)目較多、無固定著力支撐點(diǎn)和多驅(qū)動(dòng)的相互協(xié)調(diào)等問題,運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與自身的實(shí)際運(yùn)動(dòng)存在較大差異。本項(xiàng)目以如圖1所示的物理樣機(jī)為研究對(duì)象,利用ADAMS軟件建立仿真模型,采用仿真曲線、三維效果相結(jié)合的思路,通過對(duì)物理樣機(jī)和虛擬樣機(jī)的對(duì)比實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。
圖1 物理樣機(jī)
為了使機(jī)構(gòu)小巧而輕盈,本機(jī)構(gòu)的各個(gè)部件采用鋁合金(LY12)鈑金材料(厚度1 mm)。本樣機(jī)下肢模擬人體的大腿、小腿和腳,之間采用關(guān)節(jié)連接,各關(guān)節(jié)間使用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),電機(jī)選用HG14-M型RC伺服電機(jī),外形尺寸40 cm×19.8 cm×37.5 cm,左右兩側(cè)髖關(guān)節(jié)距離68 mm,大、小腿長(zhǎng)度52 mm,髖側(cè)向與前向關(guān)節(jié)軸距42 mm,踝側(cè)向與前向關(guān)節(jié)軸距14 mm,各關(guān)節(jié)配置相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)副,實(shí)現(xiàn)行走運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)動(dòng)作,各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍如表1所示。
表1 各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍
本項(xiàng)目運(yùn)用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法和H-D規(guī)則進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,將由機(jī)器人的左腿開始從下往上的桿件依次定義為1、2、3、4、5、6桿,右腿從上往下依次定義為桿件7~12,在各個(gè)桿件相連的關(guān)節(jié)處建立一個(gè)桿件坐標(biāo)系,如圖2所示。
圖2 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型
由圖2所示各連桿坐標(biāo)系和表1所示關(guān)節(jié)角參數(shù),可得到各坐標(biāo)系的位姿矩陣:
若需要求出關(guān)節(jié)i的空間位置和姿態(tài),只要確定第i個(gè)坐標(biāo)系相對(duì)于參考坐標(biāo)系{0}的齊次變換矩陣即可,即可以通過各齊次坐標(biāo)變換陣的連乘來求得:
只要給定關(guān)節(jié)變量Φi,根據(jù)上式就可以求出末端執(zhí)行器的空間位置和姿態(tài)。
步態(tài)是在步行運(yùn)動(dòng)過程中,機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)在時(shí)間和位置上的一種協(xié)調(diào)關(guān)系,通常由各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的一組時(shí)間軌跡來描述[1-10]。而所謂步態(tài)規(guī)劃,就是設(shè)計(jì)步行機(jī)器人各關(guān)節(jié)角度的變化規(guī)律,使其能夠?qū)崿F(xiàn)一定條件下的步行性能。如圖3所示,通過對(duì)人類步行過程的分析,將行走步態(tài)設(shè)計(jì)分為幾個(gè)階段:雙腿支撐(如圖3a所示);重心右移(先是右腿支撐),左腿抬起(如圖3b所示);左腿放下,重心移到雙腿中間(如圖3c所示);重心左移,右腿抬起(如圖3d所示);右腿放下,重心移到雙腿間(如圖3e所示)。
圖3 步行過程模擬
本項(xiàng)目基于力學(xué)穩(wěn)定性的前提條件,采用關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃方法,由空間一系列離散的位置和姿態(tài)規(guī)劃出一條函數(shù)曲線,由此曲線來描述雙足和軀干的軌跡,若曲線連續(xù)、光滑,則說明規(guī)劃步態(tài)流暢。為此,本項(xiàng)目應(yīng)用ADAMS軟件下五次插值函數(shù)Step5進(jìn)行插值,具體插值結(jié)果如表2所示。
表2 步行過程中各關(guān)節(jié)角
本項(xiàng)目通過測(cè)繪物理樣機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸,建立機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī),采用參數(shù)化設(shè)計(jì)進(jìn)行零部件造型和裝配,提取出經(jīng)常改動(dòng)的幾何參數(shù),方便了后續(xù)三維模型的修改和優(yōu)化;通過編輯各模塊之間的關(guān)節(jié)角,便可設(shè)置仿真時(shí)各動(dòng)作的初始狀態(tài);設(shè)置好客觀外部環(huán)境參數(shù)后,便可對(duì)其展開動(dòng)力學(xué)分析。
建立仿真模型時(shí),各部件添加約束,連桿之間均為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié),僅需為每個(gè)關(guān)節(jié)配置一個(gè)旋轉(zhuǎn)副即可,各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)副如表3所示。為了模擬真實(shí)的外部環(huán)境,需要給模型添加重力,同時(shí)由于雙足步行機(jī)器人在地面行走,所以在機(jī)器人與地板相互約束的條件較為復(fù)雜,需要保證雙足步行機(jī)器人與地面接觸產(chǎn)生接觸力,并且需要定義摩擦力。在虛擬模型中,為了機(jī)器人的順利行走,要給定足夠的摩擦力,保證機(jī)器人在行走中不會(huì)打滑。
表3 各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)副
將已經(jīng)在UG環(huán)境下建立的三維模型導(dǎo)入到ADAMS中,經(jīng)過編輯后的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真模型如圖4所示。以右腳支撐、左腳向前邁步為例,其過程仿真截圖如圖5所示。
圖4 運(yùn)動(dòng)仿真模型
圖5 仿真動(dòng)畫
仍以右腳支撐、左腳向前邁步為例,時(shí)間設(shè)置為5 s(包括起步1 s,連續(xù)步行3 s,停步1 s),步長(zhǎng)設(shè)置為50 mm。調(diào)用ADAMS的后處理模塊對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)的角位移進(jìn)行仿真結(jié)果分析,并以曲線方式輸出,如圖6所示。
通過仿真過程中的截圖可以看出,該雙足步行機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的步行動(dòng)作;每個(gè)關(guān)節(jié)的位移曲線圖,可與表2所列出的步行時(shí)各關(guān)節(jié)角進(jìn)行驗(yàn)證;通過觀察曲線可以看到,規(guī)劃的步態(tài)軌跡非常光滑,無突變現(xiàn)象,說明機(jī)器人基本能穩(wěn)定行走。以上幾點(diǎn)驗(yàn)證了步態(tài)規(guī)劃的有效性和控制的可行性。
圖6 各關(guān)節(jié)角位移曲線圖
為了校驗(yàn)雙足機(jī)器人三維仿真的正確性,后期設(shè)計(jì)了相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制程序,輸入物理樣機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致,說明本項(xiàng)目的機(jī)器人步態(tài)建模方法與行走仿真具有較強(qiáng)的工程實(shí)用性。
1)為驗(yàn)證雙足機(jī)器人步態(tài)三維仿真的可行性,依據(jù)物理樣機(jī)的構(gòu)型,利用坐標(biāo)變換法和D-H規(guī)則,推導(dǎo)出雙足機(jī)構(gòu)正向運(yùn)動(dòng)的計(jì)算公式,以便進(jìn)行步態(tài)控制的運(yùn)動(dòng)編程[11]。
2)為了能夠?qū)崿F(xiàn)在ADAMS中步態(tài)的連續(xù)仿真,本項(xiàng)目將機(jī)器人雙足的步行分解為5個(gè)動(dòng)作,每個(gè)動(dòng)作不但能單獨(dú)仿真,也能實(shí)現(xiàn)步態(tài)的連續(xù)仿真,這滿足了不同情況下的仿真要求,也提高了仿真效率。
3)在UGNX三維軟件環(huán)境中建立了雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真模型虛擬樣機(jī)。通過各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)副適當(dāng)配置,以及機(jī)器人腳板與虛擬地面環(huán)境約束的正確設(shè)定,很好地解決了雙足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中無固定支撐點(diǎn)的問題。
4)通過仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比,說明采用ADAMS軟件進(jìn)行雙足機(jī)器人步態(tài)的三維仿真是可行的,它能為物理樣機(jī)的開發(fā)提供重要的仿真數(shù)據(jù)。