仿壁虎机器人地壁过渡的步态规划

曹飞祥，孙树栋，段军，郜庆市

(西北工业大学机电学院，陕西西安 710072)

仿壁虎机器人地壁过渡的步态规划

曹飞祥，孙树栋，段军，郜庆市

(西北工业大学机电学院，陕西西安 710072)

设计并研究了一种具有柔性多杆机构腰部和尾巴的仿壁虎机器人结构，通过对该机器人地壁过渡阶段研究，规划了一种仿壁虎机器人地壁过渡步态;并利用ADAMS对仿壁虎机器人进行了地壁过渡步态规划仿真;仿真结果表明:所设计的仿壁虎机器人结构是合理的，且地壁过渡步态规划方法是可行的。

仿壁虎机器人;步态规划;地壁过渡

仿壁虎机器人作为一种能代替人进行危险和艰苦工作的机电一体化装置，广泛应用于反恐侦查、高空清洗、核工业、石化企业、建筑行业和造船业等［1］。斯坦福大学Mark Cutkosky教授及其研究小组研制成StickyBot类壁虎机器人［2］;卡耐基梅隆大学纳米机器人实验室研制的仿壁虎爬壁机器人Waalbot用两个足式轮子实现了爬行、转弯等运动，还可以实现墙面过渡［3］;卡耐基梅隆大学的Metin Sitti和Ozgur Unver最新设计的“坦克虫”机器人，其移动主要依赖于黏性的弹力橡胶，使其适应于木料、金属、玻璃和砖块等多种表面［4］。北京航空航天大学、南京航空航天大学、中科院和西北工业大学等都在仿壁虎机器人方面做了大量的研究［5－8］。

多足步行机器人常用的步态规划方法有:MCGHEE［9］根据静态稳定裕度分析提出的直线螃蟹步态生成方法，HIROSE等［10］提出的利用对角线原理的步态搜索方法，SONG等［11］提出的曲线路径步态生成方法以及基于静态平衡的步态生成方法。针对步行机器人相交平面的步态规划，郑浩峻等［12］提出了一种步行机在任意夹角相交面上的运动规划，孟偲等人［13］设计出了一种地壁过渡仿壁虎机器人，但是需要调整机器人姿势横向过渡、运动调整空间过大、时间过长和控制系统复杂［14］。

文中从腰部机构方面来讨论如何使机器人在具有高度灵活性的同时具有较好的承载能力，同时可以达到相对精确的位姿。仿照生物壁虎设计了基于多连杆腰部和尾巴的仿壁虎机器人结构，分析了其运动学，规划出合理的地面向壁面过渡的步态，最后利用仿真软件ADAMS进行步态仿真，验证了设计的合理性。

1 仿壁虎机器人结构设计

1.1 仿壁虎机器人行走机构设计

设计了一种仿壁虎机器人，其三维结构如图1所示。

图1 仿壁虎机器人三维结构图

机器人采用有机玻璃材料，四足对称分布，使结构简单;每条腿采用并联结构，这样可以提高机器人的刚度和可靠性;机器人共有10个驱动关节，Mj_i1实现抬腿动作，Mj_i2驱动并联四杆机构实现伸缩腿动作，单腿具有2个自由度，Mw和Mt分别实现机器人的腰部和尾巴的弯曲和伸展动作。

1.2 仿壁虎机器人腰部设计

仿壁虎机器人的腰部通常采用单一刚性或者简单柔性元件作为身体连接件［5－8］。此类结构简单、质量轻、转动惯量小;但是腰部缺少驱动、灵活性低、工作空间小、机器人运动能力相对不足。为了增加机器人的运动能力，同时能够将驱动部件放置于机体上，用以保证系统的刚性和稳定性，将多连杆机构用于机器人腰部的设计中，降低对电动机驱动能力的要求，提高机器人的灵活性。

设计的仿壁虎机器人柔性腰部的机构简图如图2所示。机器人腰部分为三段1，2，4;点A，B与机器人下躯干铰接，点C与机器人上躯干固结;连杆3，5分别连接杆4和杆2，其中点B放置驱动电机，输出的扭矩带动连杆4转动，连杆5牵引杆2转动，同时连杆3牵引1转动以完成腰部的弯曲运动，可计算出该机构的自由度数为:

式中:n为活动构件数;

pl为运动低副数;

ph为运动高副数。

图2 腰部机构原理图

机器人处于单一平面时，其腰部驱动关节不做运动;当机器人处于相交平面时，以驱动关节角度θ作为输入，将四条腿置于不同平面上。根据机构的设计原理，这种状态下机器人的姿态可以根据Mw输入角度精准确定，且各关节之间的空间上相对独立，其运动之间不会发生干涉，有效地避免了机器人卡死、脚掌悬空及打滑现象的发生。

1.3 仿壁虎机器人尾巴设计

JUSUFI等［14］研究发现，壁虎的前脚碰触到光滑的表面并失去抓握力时，尾巴紧贴到光滑的壁面上以防止向后翻倒，起第五条腿的作用。柔性灵活的尾巴对爬壁机器人动平衡和运动稳健有着重要的意义。图3是仿壁虎机器人尾巴机构图，爬行机构模型是由与腰部相似的多连杆机构组成。尾部机构是由一个主动驱动电动机驱动杆件作旋转运动。当驱动尾巴的电动机转动时，输出的扭矩带动连杆2转动，连杆1牵引杆3转动，同时连杆4牵引5转动。假设当前电动机逆时针转动，使机器人的尾巴压紧地面，尾尖部与地面之间存在摩擦力的作用，调节电机的扭矩可以控制尾巴摩擦力的大小，使机器人行走更加平稳。

图3 尾巴机构原理图

2 运动学分析

利用D－H方法［15］建立如图4所示的坐标系。OCxCyCzC表示机器人连体坐标系，其坐标原点位于机器人机体的中心。以机器人的右前腿为例，由平行四杆机构的特性可简化成串联开环机构，有2个自由度，每个关节都是一个转动副。1号电机、2号电机的转角分布是α、β。则足端执行器坐标系{T}相对于{C}的变换矩阵为T。其中由平行四杆机构的特性可知:

图4 机器人腿部坐标系

3 仿壁虎机器人地壁过渡的步态规划

实现地－壁过渡的方式有直爬和侧爬，在地壁过渡前身体 (头部与尾巴连线)在水平面内与壁面有一夹角，夹角小于45°时称为侧爬，大于45°时称为直爬。直爬的主要特点为双前腿经过一次完整的步态过程，先跨上壁面，后双腿经由第二个完整的步态再运动至壁面;侧爬的主要特点为同侧双腿经过一个完整的步态先跨上壁面，异侧双腿再经历多个步态调整运动至壁面。侧爬可看成为平面三角步态的变化形式，对灵活性要求较低，而直爬是生物界多数动物为适应复杂多变环境而进化的选择，对仿生机器人研究更具有实际意义。

仿壁虎机器人从地面过渡到壁面的基本特征为前后足分别支撑于地面和壁面两个不同平面，该运动过程也称为过渡阶段;当机器人的前后足均移动到壁面表面且尾巴伸直时，过渡运动结束，该种状态称为过渡运动终止状态;当机器人开始过渡运动的前一时刻，其前后足尚处于过渡前表面，该状态称为过渡运动初始状态。

如图5所示，机器人三足吸附步态调整为地壁过渡步态，最后又调整为三足吸附步态。其攀爬步骤如下:

(1)机器人位于初始位置，右前腿向前移动，其余三腿支撑机器人 (图5(a))。

(2)左后腿和左前腿先后向前移动 (图5(b)、5(c))。

(3)左前腿、右前腿和左后腿同时驱动，机器人向前移动;右后腿向前移动 (图5(d))。

(4)机器人通过三角步态向壁面移动 (图5(e)—5(i))。

(5)机器人移动到离壁面合适的距离，结束三角步态，调整姿势为过渡做准备 (图5(i)—5(m))。

(6)腰部弯曲90°，同时左后腿和右后腿驱动机器人向壁面移动 (图5(n))。

(7)前腿吸附壁面与尾巴支撑机器人，后腿向前移动 (图5(o))。

(8)后腿和尾巴支撑机器人，前腿向上移动(图5(p))。

(9)前腿吸附壁面，驱动机器人向上运动，同时腰部伸直，尾巴弯曲 (图5(r))。

(10)机器人通过三角步态向上移动 (图5(s)—5(t))。

(11)机器人尾巴伸直，完成地面向壁面的过渡(图5(u))。

使用直爬步态规划优点在于能减少仿壁虎机器人姿态的调整，缩短机器人过渡时间，并且减少能量消耗。

4 仿真试验与验证

4.1 运动仿真

在ADAMS环境下，对机器人从三角步态向过渡步态过渡的过程进行仿真。根据各个关节间运动副情况，赋予各构件正确的物理属性和各个运动副施加相关的运动约束，在仿真中假设机器人自身的摩擦忽略不计。代入相关的驱动量的值，实现机器人的运动仿真，如图6仿真动画所示。

4.2 结果分析

仿真后通过后处理模块 (ADAMS/Postprocessor)得到机器人质心在Y方向上的位移曲线，如图7所示.机器人能够沿着规划的步态过渡到壁面，Y方向不存在反复剧烈的波动，能减小能量的消耗，验证了步态的正确性和机器人结构的可行性。5 结论

图5 过渡步态

图6 ADAMS环境下仿壁虎机器人攀爬仿真

图7 仿壁虎机器人Y方向位移曲线

(1)以壁虎为原型设计的爬壁机器人，结构紧凑，适应性强，每条腿有2个自由度，带有1个自由度的柔性腰部和尾巴，使机器人能适应复杂的环境，并且在爬行时具有更强的可靠性和适应性;

(2)通过对壁虎壁面爬行运动的研究，规划了

一种仿壁虎的地面向壁面过渡的步态;

(3)仿真分析验证了仿壁虎机器人结构设计的合理性以及步态规划方法的有效性和可行性。

【1】肖立，佟仕忠，丁启敏，等.爬壁机器人的现状与发展［J］.自动化博览，2005，22(1):81 －84.

【2】XU Zeliang.A Wall-climbing Robot for Labeling Scale of Oil Tanks Volume［J］.Robotica，2002(3):209 － 212.

【3】SpinyBot Pages［EB/OL］.(2009－07－22)［2009－09－07］.http://bdml.stanford.edu/twiki/bin/view/Rise/SpinyBot.

【4】MIYAKE T，ISHIHARA H，YOSHIMURA M.Application ofWet Vacuum-based adhesion System for Wall Climbing Mechanism［C］//International Symposium on Micro-Nano Mechatronics and Human Science.Piscataway，NJ，USA:IEEE，2007:532 －537.

【5】王田苗，孟偲，丑武胜，等.仿壁虎机器人的步态设计与路径规划［J］.机械工程学报，2010，46(9):32 －37.

【6】阮鹏，俞志伟，张昊，等.基于ADAMS的仿壁虎机器人步态规划及仿真［J］.机器人，2010，32(4):499 －504.

【7】李冰，汪小华，于树林，等.仿壁虎柔性脚掌结构及控制系统的研究［J］.中国机械工程，2011，22(8):897 －900.

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【10】HIROSE S.A Study of Design and Controlofa Quadruped Walking Vehicle［J］.The Int.J.of Robotics Research，1984，3(2):113 －133.

【11】SONG SM，WALDRON K J.An Analytical Approach for Gait Study and Its Application on Wave Gaits［J］.Int.J.of Robotic Research，1987(6):60 －71.

【12】郑浩峻，汪劲松，陈恳.步行机相交面运动规划［J］.清华大学学报，1999，39(2):49 －53.

【13】Meng Cai，Wang Tianmiao，Guan Shengguo，et al.Design and Analysis of Gecko-like Robot［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2008，24(2):224 －236.

【14】JUSUFIArdian，GOLDMANDaniel I，REVEEN Shai，etal.Active Tails Enhance Arboreal Acrobatics in Geckos［J/OL］.Proceedings of the National Academy of Sciences，2008，105(11):4215 －4219.http://www.pnas.org/content/105/11/4215.short.

【15】Saeed B Niku.机器人学导论［M］.孙富春，朱纪洪，刘国栋，等，译.北京:电子工业出版社，2004:26－103.

Gait Planning of Gecko-like Robot Transition from Ground to W all

CAO Feixiang，SUN Shudong，DUAN Jun，GAO Qingshi
(School of Mechatronics，Northwestern Polytechnical University，Xi'an Shaanxi710072，China)

The structure of gecko-like robot provided with flexible multi-link mechanism waist and tail was designed and researched.Through researching of the phase of transition from ground to wall of the gecko-like robot，its gaitof ground towall transition was planned.Moreover，the gait planning on the gecko robot was simulated by using ADAMS.The simulation results show that the structure of designed robot is reasonable，and themethod of gait planning is feasible.

Gecko-like Robot;Gait planning;Ground to wall transition

TP242

A

1001－3881(2013)9－039－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2013.09.011

2012－04－17

西北工业大学创业种子基金资助项目 (z2012045);西北工业大学创新基金资助项目 (2012006)

曹飞祥 (1986—)，男，硕士，研究领域为仿生机器人、CAE技术。E－mail:caofx0418@163.com。