两栖仿海龟机器人步态规划及分析

芮宏斌; 李路路; 曹伟

doi:10.13433/j.cnki.1003-8728.20200571

两栖仿海龟机器人步态规划及分析

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200571

西安理工大学机械与精密仪器工程学院, 西安 710048

基金项目:

国家自然科学基金面上项目 51775432

2022年陕西省教育厅重点科研计划项目 22JY051

陕西省技术创新引导专项 2018ZKC-160

2023年陕西省科技厅重点研发计划项目 2023-YBGY-357

详细信息

作者简介:
芮宏斌(1978-), 副教授, 博士, 研究方向为特种移动机器人设计, 车辆动力学与控制, hongbin.rui@126.com

中图分类号: TH113.2
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出版历程
- 收稿日期: 2021-01-22
- 刊出日期: 2023-01-25

Gait Planning and Analysis of Amphibious Turtle Inspired Robot

School of Mechanical and Precision Instrument engineering, Xi′an University of Technology, Xi′an 710048, China

摘要

摘要: 针对清淤机器人移动困难、稳定性差等问题，参考海龟的身体结构和爬行动作，设计出了一种两栖仿海龟机器人。在介绍机器人结构的基础上，利用D-H方法对机器人进行运动学分析，建立并求解了支腿的变换矩阵和运动学方程; 规划了两种仿海龟爬行步态，根据机器人结构规划了电推缸的行程空间，并对足端轨迹和爬行步态做以优化; 在ADAMS中进行运动仿真，分析了机体的位移和速度变化曲线。结果表明，优化后的步态可以大大提高机器人的爬行速度和稳定性。
- 仿海龟机器人 /
- 运动学分析 /
- D-H方法 /
- 步态规划 /
- 轨迹规划 /
- ADAMS
Abstract: In order to solve the problems such as difficulty in moving and poor stability of the dredging robot, a kind of amphibious turtle inspired robot was designed by referring to the body structure and crawling movement of turtles. Based on the introduction of the structure of the robot, the D-H method was used to analyze the kinematics of the robot, and the transformation matrix and kinematics equation of the leg were established and solved. Two kinds of crawling gaits were planned. According to the robot structure, the travel space of the electric push cylinder was planned, and the foot trajectory and crawling gait were optimized. The motion simulation was carried out in ADAMS, and the curves of displacement and velocity of the airframe were analyzed. The results show that the optimized gait can greatly improve the crawling speed and stability of the robot.
- turtle inspired robot /
- kinematics analysis /
- D-H method /
- gait planning /
- trajectory planning /
- ADAMS

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图 1 两栖仿海龟机器人的三维模型

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图 2 机器人右前腿坐标系

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图 3 支腿的起升运动简图

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图 4 支腿的爬行运动简图

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图 5 右前腿足端的工作空间图

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图 6 海龟爬行步态顺序图

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图 7 机器人爬行步态简图

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图 8 电推缸的工作行程变化曲线

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图 9 机器人足端的最优轨迹

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图 10 对照组的驱动函数

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图 11 仿真动画图

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图 12 机身位移曲线

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图 13 机身速度曲线

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图 14 电推缸输出力曲线

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表 1 两栖仿海龟机器人的主要结构参数

名称	尺寸/mm	质量/kg
机体	(长×宽×高)960×608×245	50.0
支撑腿	(直径×长度)28×430	0.6
沼泽轮(单个)	(直径×宽度)150×42	1.0
支腿缸	(最短安装距×最大行程)250×150	1.0
转腿缸	(最短安装距×最大行程)210×110	0.8

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表 2 UA轮胎参数表

参数名称	参数值	参数名称	参数值
单个质量m/kg	1	动摩擦因数U_min	0.74
卸载半径r/mm	75	滚动阻力因数f	0.015
宽度L/mm	42	外倾刚度C_γ/(N·rad^-1)	4.0×10³
纵横比	0.6	外倾刚度C_γ/(N·rad^-1)	4.0×10³
径向刚度K_z/Nm	9.2×10⁵	侧偏刚度C_α/(N·rad^-1)	4.6×10³
径向阻尼C_z/[N·(m·s^-1)^-1]	6×10⁷	侧偏刚度C_α/(N·rad^-1)	4.6×10³
静摩擦因数U_max	0.94	纵向滑移刚度C_z/Nm	3.0×10³

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