基于曲柄摇杆机构和凸轮机构的四足机器人步态分析
2011-08-24王健，贺鑫，韩旺
王 健，贺 鑫，韩 旺
（中国地质大学（武汉）机械与电子信息学院，湖北 武汉 430074）
目前四足步行机器人的研究主要集中在小型轻便、易于控制等方面。本文设计的稳步四足机器人，重点在机器人足迹的设计和分析上，能够保证机器人在行走过程中，整个机身的平移在一条直线上，而不上下或左右颠簸。
1 稳步四足机器人总体结构设计
设计该机器人主要的目标是四足、平稳，目的是实现预想中的足迹要求，达到理想的分析结果。图1所示的是机器人半边身体退步机构简图及预想足迹，包括机器人“足迹”四杆机构、“衔接处”曲柄摇杆四杆机构、间歇凸轮机构设计。
图1 机器人半边身体退步机构简及预想足迹
2 各部分结构设计及其计算
2.1 机器人“足迹”四杆机构设计
这部分在整个机构中起到最终执行的作用，对这部分的机构设计主要考虑到稳定性的要求。
（1）足端轨迹要求。行走机构在行走过程中，每条腿依次经过抬腿，前伸，支撑着地带动机器人前进等周期性过程，因此其足端轨迹必须满足如下3个要求：①支撑着地的时候足端轨迹必须满足近似直线要求，抬腿时的轨迹必须近视圆弧，且为轴对称曲线；②为减少和消除抬腿和落地产生的冲击和滑步，足端在抬腿及落地时的轨迹应平滑过渡到圆弧段；③为了使行进协调，游足时间（抬腿时间）应小于支撑时间。据此，采用的轨迹如图2所示。取直线段距离ab大于等于35mm，垮高为10mm左右。
图2 轨迹图
（2）步态要求。对于足式机器人来说,其稳定性主要取决于步态。 步态是步行机器人的一种迈步方式,是步行机器人各腿协调运行的规律，即各腿的抬腿和放腿顺序。目前比较常见的步态主要有爬行步态（crawling gait）、对角小跑步态（trotting gait）、溜蹄步态（pacing gait）、跳跃步态（bounding gait）等。采用对角小跑步态（trotting gait）。如图3所示。
图3 足式机器人步态
（3）行走部分的机构选型。四杆机构中能作为机器人腿部机构的有多种，如埃万斯机构、切比雪夫连杆机构、罗伯特连杆机构。根据我们所设计机器人的足迹要求，采用埃万斯连杆机构。机构设计简图如图4所示。
图4 机构设计简图
取BC=CE=CD，在solidworks软件中建好模进行尺寸试定，最终确定尺寸并在matlab软件中进行运动分析，得出结果如图5所示。
图5 matlab软件中进行运动分析图
E点的水平速度有一段内凹曲线，内凹的弧度很小，变化比较平滑，加之位移曲线在此段也近似为直线运动，故可近似看为是匀速直线运动。
2.2 “衔接处”曲柄摇杆四杆机构设计
此机构为机器人腿部传递动力，采用对心曲柄滑块机构，如图6所示。
图6 对心曲柄滑块机构图
在Matlab软件中进行轨迹分析，得出推杆位移规律，如图7所示，近似正弦曲线。
图7 近似正弦曲线
2.3 间歇凸轮机构设计
凸轮在整个机构中起到协调的作用，用来实现四足机器人四条腿的协调。
分析：满足协调，则凸轮的一般周期内一腿运动，另一半周期内对称腿运动。例如：当θ=[0，π]时，左前足和右后足运动，左后足和右前足间歇；当 θ=[π，2π]时，左后足和右前足运动，左前足和右后足间歇。采用几何封闭滚子直动对心盘形凸轮，机构简图如图8所示。
图8 几何封闭滚子直动对心盘形凸轮机构简图
取基圆半径=20mm。利用CamTrax，进行凸轮设计和接触点速度分析，如图9所示。
图9 凸轮设计和接触点速度分析图
速度满足间歇性要求。
3 总结
由机器人足部的运动曲线不难看出，迈步近似直线，当机器人前行时，机身相对直线移动，从而保证了机身的平稳性，避免上下或左右颠簸。
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