凸轮驱动四足机器人--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

凸轮驱动四足机器人

发表时间：2021/3/26 来源：《中国科技信息》2021年3月作者：韩建桥葛付婷刘树龙

[导读] 四足机器人作为仿生机器人的一种，得到了广泛的研究。行走机构和转弯机构是四足机器人最关键的部分，目前，行走机构的研究大多采用在腿机构的关节处安装伺服电机进行驱动，增加了机器人的重量和控制策略的难度。

青岛黄海学院韩建桥葛付婷刘树龙 266427

摘要：四足机器人作为仿生机器人的一种，得到了广泛的研究。行走机构和转弯机构是四足机器人最关键的部分目前，行走机构的研究大多采用在腿机构的关节处安装伺服电机进行驱动，增加了机器人的重量和控制策略的难度。并且，机器人本体大多是一个刚性整体，转弯机构研究不足。为此，项目将四足机器人本体作为一个柔性整体，采用三维建模软件Pro/E4.0设计了四足机器人的机械系统，提出了一种新颖的凸轮控制驱动式行走机构，设计了一种腿机构以及相应的凸轮控制驱动机构，并初步设计了柔性转弯机构。在此基础上，论文采用主从式控制方式设计了四足机器人的控制系统，重点讨论了以8051单片机为控制器的行走机构和转向机构的控制系统设计。
关键词：四足机器人；行走机构；凸轮驱动；控制系统；三维设计
        该项目由青岛黄海学院校级国创项目《凸轮驱动控制式四足机器人》（X202013320056）支持。
        引言：仿生机器人是目前国际上研究的热点，四足机器人作为仿生机器人的一种重要形式，得到了广泛的研究与关注。目前，四足机器人的研究侧重于在四足机器人的关节处安装伺服电机，采用复杂的控制算法，控制机器人的步态与行走轨迹。然而，伺服电机的采用致使机器人的本体机构重量增加，成本增加，控制策略复杂。因此，对于简单的机器人步行，引入凸轮驱动控制方式，代替驱动电机，无疑具有较大的理论意义与工程实践意义。
        1研究内容
        四足行走机器人的双轴电动机在单片机控制状态下，能够实现不同速度的转动，以及不同方向的转动，能很好的模拟动物在不同速度下的运动情况。电机两头带动两个锥齿轮旋转，通过与这两个锥齿轮相啮合的锥齿轮，将运动方向旋转90度，改变了传动方向，同时将动力传到了下一传动轴上，进而保持了运动的延续，该两侧的传动轴上各有6个凸轮，总计12个，这是本四足模拟动物的最核心部件，主要通过这12个凸轮将运动形式传递到四足行走机器人的髋关节，膝关节上，进而通过凸轮的协调运动，实现四足行走机器人的协调运动，达到实验目的。
        其中包括住凸轮调节，髋关节调节，膝关节调节，三中调节互不影响，但是协同工作，这三种调节都是通过弹簧复位实现凸轮推杆的往复运动，进而带动与凸轮推杆相连动的髋关节，大腿，小腿的运动。这里主要介绍膝关节调节，膝关节凸轮通过推动齿条（推杆）运动，进而带动与齿条相啮合的齿轮运动，继而通过与齿轮刚性相连的带轮，带动带轮，再通过带轮3级带动，将运动形式传递给膝关节，从而调节小腿的运动，大腿主要通过髋关节调节运动，主凸轮调节大腿与身体之间部分的协调运动。同时为了减轻四足行走机器人身体的重量，本实验项目对四足行走机器人的主要零部件，以及辅助零部件进行了结构上的优化；同时为了保持四足行走机器人运动的平衡，对四足行走机器人身体进行了保持狗身平衡运动的优化尝试，尽最大可能的保持四足行走机器人平衡运动。

             2技术路线

        （1）以狗为例分析四足动物的步态规律，为机构设计提供依据；
        （2）提出适当假设，简化步态公式，进行步态建模；
        （3）根据步态建模，分析腿机构的行走机理并建模，确定行走轨迹；
        （4）根据腿机构的行走机理，反推驱动凸轮轮廓，并建立行走机构模型；
        （5）采用三维建模软件Pro/E和动力学仿真软件Adams进行虚拟样机建模与分析；
        （6）加工机械零部件，对于凸轮轴采用快速成型等先进的加工方式；
        （7）装配样机，并设计相应的控制系统；
        （8）样机实验与改进。
        3 项目特色
        四足机器人作为仿生机器人的一种，得到了广泛的研究。行走机构和转弯机构是四足机器人最关键的部分，目前行走机构的研究大多是在腿机构的关节处采用伺服电机进行驱动的方式，实现四足机器人行走。然而，这种方式需要一定数量的伺服电机，不仅增加了机器人的重量和制造成本，而且增大了控制策略的难度。而且，机器人本体大多是一个刚性整体，转弯机构研究不足，并未考虑机器人的背部关节（脊柱）在转弯中的作用。针对此问题，将四足机器人本体作为一个柔性整体，在设计四足机器人的机械系统的基础上，采用主从式控制方式,研究了凸轮驱动式四足机器人的控制系统。
        凸轮驱动控制式四足机器人的机构包括腿机构和凸轮控制驱动机构两部分。提出了腿结构的设计要求及四足机器人的总体机械结构。根据腿机构的设计要求,设计了一种3自由度的腿机构,并对3个控制参数作了理论求解。在此基础上,设计了凸轮控制驱动机构,包括髋关节凸轮机构、主凸轮机构和膝关节凸轮机构。
        4结论
        仿生机器人是目前国际上研究的热点，四足机器人作为仿生机器人的一种重要形式，得到了广泛的研究与关注。目前，四足机器人的研究侧重于在四足机器人的关节处安装伺服电机，采用复杂的控制算法，控制机器人的步态与行走轨迹。然而，伺服电机的采用致使机器人的本体机构重量增加，成本增加，控制策略复杂。因此，对于简单的机器人步行，引入凸轮驱动控制方式，代替驱动电机，无疑具有较大的理论意义与工程实践意义。足式机器人是近年来机器人研究的一个比较活跃的领域，其涉及学科主要有机器人学、生物学、控制理论、传感器技术、信息处理技术等。因其运动方式不同于传统的轮式、履带式机器人的运动特点，并克服上述两种机构在崎岖路面运动过程的种种缺点，如平稳性、通过性和机动性等，所以得到了各国科学家的大力关注。四足机器人以其结构和控制方法的相对简单成为足式机器人的一个理想研究对象。四足机器人不但可以应用在军事、行星探测、救灾等领域,而且在家庭娱乐、仿生学等领域大显身手。
参考文献
[1]陈秀生，张承瑞，刘日良，兰红波.数控加工物理仿真技术研究J].大连：组合机床与自动化加工技术，2006(9)：8-11.
[2]黄学梅，赵明扬，王启义.虚拟数控车削物理仿真系统的研究与开发J].中国机械工程，2002,13(15):1336~1338.