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针对目前大多数带脚掌腿型跳跃机器人研究中未考虑脚掌围绕脚尖转动即脚掌欠驱动的现象,制作了一款带脚掌的腿型机器人,对脚掌转动与不转动2种情况进行对比研究。建立了机器人在2种情况下起跳时的动力学方程,研究了2种情况下的起跳约束。以电机能耗最小为优化目标,对2种情况起跳进行优化。使用实际模型数据分析,用MAT-LAB仿真了2种情况下在起跳时的时序图、总质心时序图、力矩曲线以及能耗值。仿真和实验结果表明,带脚掌的腿型机器人起跳时脚掌转动比脚掌不转动消耗的能量少,而且起跳角度范围也更宽。
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第 41 卷第 2 期
应 用 科 技
Vol.41 №.2
2014 年 4 月
Applied Science and Technology
Apr. 2014
doi:10.3969/ j.issn.1009-671X.201306029
网络出版地址:http: / / www.cnki.net/ kcms/ doi / 10.3969 / j.issn.1009-671X.201306029.html
脚掌转动对腿型机器人起跳影响的研究
王茂林,孙天仕,高爽
哈尔滨工程大学 机电工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001
摘 要:针对目前大多数带脚掌腿型跳跃机器人研究中未考虑脚掌围绕脚尖转动即脚掌欠驱动的现象,制作了一款带脚
掌的腿型机器人,对脚掌转动与不转动 2 种情况进行对比研究。 建立了机器人在 2 种情况下起跳时的动力学方程,研究
了 2 种情况下的起跳约束。 以电机能耗最小为优化目标,对 2 种情况起跳进行优化。 使用实际模型数据分析,用 MAT-
LAB 仿真了 2 种情况下在起跳时的时序图、总质心时序图、力矩曲线以及能耗值。 仿真和实验结果表明,带脚掌的腿型
机器人起跳时脚掌转动比脚掌不转动消耗的能量少,而且起跳角度范围也更宽。
关键词:脚掌转动;欠驱动;轨迹规划;腿型机器人;能耗最小
中图分类号:TP122 文献标志码:A 文章编号:1009-671X(2014)02-0042-05
Influence of sole rotation on legged robot hopping
WANG Maolin, SUN Tianshi, GAO Shuang
College of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China
Abstract:Currently, most researches of a legged robot with feet did not consider the situation that the sole rotates a-
bout the toe, namely, the underactuated sole, therefore, a legged robot with feet was manufactured to compare the
robot with the sole rotating about the toe and the robot with underactuated sole. The dynamics model and the
hopping constraints of two instances are constituted and analyzed. The trajectory planning is studied based on the
objective of minimizing the consumed energy of electromotor. With the real model, stick diagrams of jumping
process, trajectory of the CoM, torque curve and the numerical value of consumed energy of two instances are simu-
lated and calculated by Matlab. The results indicate that when the robot is hopping, the legged robot with the sole
rotating about the toe needs less energy and the range of jumping angle is wider than the robot with underactuated
sole.
Keywords:sole rotation; underactuated robot; trajectory planning; legged robot; minimum energy consumption
收稿日期:2013-06-26. 网络出版日期:2014-03-27.
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51175099) .
作者简介:王茂林(1988-), 男,硕士研究生.
通信作者:王茂林,E-mail:wml070611@ 126.com.
如今,跳跃机器人因优秀的避障能力和非结构
性复杂环境的适应能力,越来越吸引研究者的目光
和研究兴趣
[1]
。 其中带脚掌腿型跳跃机器人更是
因既可动态连续跳跃又可单次跳跃或间隔跳跃的特
点以及较高的仿人度发展尤其迅速。 东京工业大学
的 Masaki Yamakita 等
[2]
研究了仿猫型的腿型机器
人,能够通过蹬墙壁实现较高的跳跃。 日本庆应义
塾大学的 Eijiro Ohashi
[3]
使用腿型跳跃机器人实现
了跳跃高度的控制。 但是很多研究中都未考虑脚掌
转动对跳跃的影响。 例如杨煜普教授等
[4]
研究的
翻转跳跃运动机器人,就是典型的带脚掌的腿型跳
跃机器人,但是该研究中没有考虑脚掌围绕脚尖的
转动。 一些研究也考虑了脚掌转动的情况,如日本
东北大学的 Sang-Ho Hyon 等
[5]
研制的四连杆平面
体操机器人在动力学建模时就考虑了脚掌的转动,
但对脚掌的转动对机器人的影响没有阐述。 文中就
带脚掌腿型机器人在脚掌转动与脚掌不转动 2 种情
况进行对比研究,阐明脚掌欠驱动即脚掌转动对起
跳离地前这段跳跃过程的影响。
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weixin_38537684
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