被動機器人非光滑動力學分析范文

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《機械工程學報》2014年第十二期

隨著被動動力步行的研究逐漸深入，國外近年研發出多種可在平地上穩定行走的“準被動步行機器人”，該領域研究以美國康奈爾大學、荷蘭代爾夫特理工大學及美國麻省理工學院為代表[4-5]。國內對被動動力步行的研究起步較晚，最早由吉林大學的劉振澤[9]建立了被動機器人的動力學模型，估算出被動機器人步行吸引域的大小，并提出一種基于能量不變的角度控制方法[9]，但未研制出機器人樣機。哈爾濱工業大學的倪修華等[10]分析了純被動雙足步行機器人髖關節剛度、質心偏移等因素對純被動機器人步行穩定性的影響，提出了一種“半被動步行機器人的動力輸入方法”，該方法提高了被動機器人的步行效率[10]。清華大學的毛勇[11]首先在國內成功研制了準被動雙足步行機器人的樣機Achilles，提出了一種基于再勵學習的控制方法，實現了穩定的平地步行。北京大學工學院智能控制實驗室的黃巖等[12]成功研制了基于FPGA為控制核心的準被動雙足步行機器人樣機，并研發出了一款位姿估算器[12]，為進一步提高準被動機器人動態行走的穩定性提供了幫助。被動步行是一種有趣且復雜的移動方式。但鑒于其存在著對環境要求嚴格、步行穩定域較窄等缺陷，傳統的被動步行步態應被拓展至廣義的被動移動步態，以使被動機器人的構型更多樣(雙足、多足、無足等)、步態更豐富(步行、搖擺、跳躍、攀爬、翻轉等)、能量變換方式更加多元(可利用精巧形態、材料柔性、非光滑動力學、構型/自由度變換、摩擦自鎖效應、自激/自由振動效應、非線性自穩定機制等等)、運動穩定性更強(基于精巧的構型或形態設計)，從而進一步拓展被動步行的探索空間和應用前景。近年來，本研究團隊研發出了多種被動移動機器人的原理樣機。本文基于被動移動理念和非光滑動力學[13-15]理論，構思、設計出一種具有典型鴨式步態，無須外來驅動和控制，可周期性自然、穩定步行的仿生機器鴨裝置。

1構型及步態

本文提出一類可無動力地沿斜面搖擺下行的機器鴨裝置，其構型如圖1a所示。機器鴨的前腿固結于身體，后腿能夠以有限角度擺動(前后分別受固定前腿和限位銷D的約束)，兩足足底均由光滑的圓弧形曲面(忽略滾動摩擦)和粗糙的足跟構成。機器鴨沿斜面下行過程中，其重力勢能不斷轉換為身體的周期性前傾、后傾動能，從而引發固定足觸地滑動/滾動/支撐、可動足擺起、兩足接觸、可動足觸地滑動/滾動/支撐等動作序列，這樣就可能使得機器鴨以周期性步態穩定地走下斜面。機器鴨的周期性步態序列如圖1b所示：①雙足接觸并站立在斜面上；②身體前擺，前足逆時針滾動，兩足接觸，后足離地后擺；③身體前擺至極限時開始后擺，前足順時針滾動，后足接觸前足；④雙足接觸，站立；⑤身體后擺，后足順時針滾動，前足離地，兩足保持接觸；⑥后足順時針滾動，兩足分離；⑦后足滑動，兩足進一步分離；⑧身體前擺，后足逆時針滾動；⑨前足落地，兩足接觸，站立。

2非光滑動力學建模

如圖1a所示，建立坐標系如下：取斜面最低點為坐標原點，沿斜面向上方向為x軸正向，垂直斜面向上方向為y軸正向。該機器鴨裝置的廣義坐標q為：

3動態參數仿真

本文基于Pro/E軟件對被動移動機器鴨裝置進行了三維動態仿真，經過反復調整、優化，圖1a所示機器鴨構型的具體參數取為在此定義機械鴨所涉及的接觸距離參數如下：gN1為前足（通過足上圓弧部分點1或足跟點2）與斜面的法向接觸距離；gN2為后足（通過足上圓弧部分點1或足跟點2）與斜面的法向接觸距離；gN3為前、后足間的法向接觸距離；gN4為后腿與限位銷間的法向接觸距離。圖2、3為被動移動機器鴨裝置的非光滑參數仿真線圖。圖中表示了身體質心S和后腿質心B點的位移、速度、加速度曲線。由圖中可知，該機器鴨的運動周期為0.6s。圖4a、4b表示前足與斜面在x、y方向的接觸力，圖4c、4d表示后足與斜面在x、y方向的接觸力。由圖中可以看出機器鴨前后足之間順序的與斜面接觸（即前足接觸，后足脫離；后足接觸，前足脫離）。表明機器鴨僅靠重力可實現周期性的運動。

4試驗驗證

根據機器鴨的結構尺寸制作了樣機，如圖5所示，采用高倍攝像機對樣機的運動過程進行觀察，試驗結果表明，機器鴨的整個運動過程、周期與仿真結果基本一致，機器鴨能夠實現穩定周期性的被動行走，驗證了機器鴨構型設計和步態規劃的正確性。

5結論

(1)提出了一種前腿固定、后腿擺動的被動移動機器鴨構型，并進行了非光滑多體動力學系統建模。該裝置的運動存在著多點摩擦、碰撞問題，難以準確確定足-地的瞬時接觸狀態。(2)機器鴨裝置的三維動力學仿真參數曲線表明，該裝置運動周期可細分為9個過程。曲線呈顯的周期性變化，這有力證明了該裝置能夠通過與斜面間的脫離、滑動、黏滯等接觸狀態的變換，實現周期性的穩定移動。(3)根據參數制作了原理樣機，發現機器鴨初始位姿的變化不會改變裝置穩定后的運動行為。該樣機的運動情況與仿真基本一致，驗證了機器鴨構型參數取值的合理性。

作者：許勇張善平朱文翔單位：上海工程技術大學機械工程學院