基于曲柄搖桿機構(gòu)和凸輪機構(gòu)的四足機器人步態(tài)分析

王 健，賀 鑫，韓 旺

（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）機械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074）

目前四足步行機器人的研究主要集中在小型輕便、易于控制等方面。本文設(shè)計的穩(wěn)步四足機器人，重點在機器人足跡的設(shè)計和分析上，能夠保證機器人在行走過程中，整個機身的平移在一條直線上，而不上下或左右顛簸。

1 穩(wěn)步四足機器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計該機器人主要的目標是四足、平穩(wěn)，目的是實現(xiàn)預(yù)想中的足跡要求，達到理想的分析結(jié)果。圖1所示的是機器人半邊身體退步機構(gòu)簡圖及預(yù)想足跡，包括機器人“足跡”四桿機構(gòu)、“銜接處”曲柄搖桿四桿機構(gòu)、間歇凸輪機構(gòu)設(shè)計。

圖1 機器人半邊身體退步機構(gòu)簡及預(yù)想足跡

2 各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計及其計算

2.1 機器人“足跡”四桿機構(gòu)設(shè)計

這部分在整個機構(gòu)中起到最終執(zhí)行的作用，對這部分的機構(gòu)設(shè)計主要考慮到穩(wěn)定性的要求。

（1）足端軌跡要求。行走機構(gòu)在行走過程中，每條腿依次經(jīng)過抬腿，前伸，支撐著地帶動機器人前進等周期性過程，因此其足端軌跡必須滿足如下3個要求：①支撐著地的時候足端軌跡必須滿足近似直線要求，抬腿時的軌跡必須近視圓弧，且為軸對稱曲線；②為減少和消除抬腿和落地產(chǎn)生的沖擊和滑步，足端在抬腿及落地時的軌跡應(yīng)平滑過渡到圓弧段；③為了使行進協(xié)調(diào)，游足時間（抬腿時間）應(yīng)小于支撐時間。據(jù)此，采用的軌跡如圖2所示。取直線段距離ab大于等于35mm，垮高為10mm左右。

圖2 軌跡圖

（2）步態(tài)要求。對于足式機器人來說,其穩(wěn)定性主要取決于步態(tài)。 步態(tài)是步行機器人的一種邁步方式,是步行機器人各腿協(xié)調(diào)運行的規(guī)律，即各腿的抬腿和放腿順序。目前比較常見的步態(tài)主要有爬行步態(tài)（crawling gait）、對角小跑步態(tài)（trotting gait）、溜蹄步態(tài)（pacing gait）、跳躍步態(tài)（bounding gait）等。采用對角小跑步態(tài)（trotting gait）。如圖3所示。

圖3 足式機器人步態(tài)

（3）行走部分的機構(gòu)選型。四桿機構(gòu)中能作為機器人腿部機構(gòu)的有多種，如埃萬斯機構(gòu)、切比雪夫連桿機構(gòu)、羅伯特連桿機構(gòu)。根據(jù)我們所設(shè)計機器人的足跡要求，采用埃萬斯連桿機構(gòu)。機構(gòu)設(shè)計簡圖如圖4所示。

圖4 機構(gòu)設(shè)計簡圖

取BC=CE=CD，在solidworks軟件中建好模進行尺寸試定，最終確定尺寸并在matlab軟件中進行運動分析，得出結(jié)果如圖5所示。

圖5 matlab軟件中進行運動分析圖

E點的水平速度有一段內(nèi)凹曲線，內(nèi)凹的弧度很小，變化比較平滑，加之位移曲線在此段也近似為直線運動，故可近似看為是勻速直線運動。

2.2 “銜接處”曲柄搖桿四桿機構(gòu)設(shè)計

此機構(gòu)為機器人腿部傳遞動力，采用對心曲柄滑塊機構(gòu)，如圖6所示。

圖6 對心曲柄滑塊機構(gòu)圖

在Matlab軟件中進行軌跡分析，得出推桿位移規(guī)律，如圖7所示，近似正弦曲線。

圖7 近似正弦曲線

2.3 間歇凸輪機構(gòu)設(shè)計

凸輪在整個機構(gòu)中起到協(xié)調(diào)的作用，用來實現(xiàn)四足機器人四條腿的協(xié)調(diào)。

分析：滿足協(xié)調(diào)，則凸輪的一般周期內(nèi)一腿運動，另一半周期內(nèi)對稱腿運動。例如：當θ=[0，π]時，左前足和右后足運動，左后足和右前足間歇；當 θ=[π，2π]時，左后足和右前足運動，左前足和右后足間歇。采用幾何封閉滾子直動對心盤形凸輪，機構(gòu)簡圖如圖8所示。

圖8 幾何封閉滾子直動對心盤形凸輪機構(gòu)簡圖

取基圓半徑=20mm。利用CamTrax，進行凸輪設(shè)計和接觸點速度分析，如圖9所示。

圖9 凸輪設(shè)計和接觸點速度分析圖

速度滿足間歇性要求。

3 總結(jié)

由機器人足部的運動曲線不難看出，邁步近似直線，當機器人前行時，機身相對直線移動，從而保證了機身的平穩(wěn)性，避免上下或左右顛簸。

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