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针对隔离着地冲击的需要,为步行机器人设计了一种由连杆、线性拉伸弹簧和线性阻尼器构成的被动缓冲型腿机构,根据该机构的几何关系导出其等效刚度,并且给出了机构个别参数对刚度的影响。利用数据拟合将该等效刚度分段表示为三次非线性刚度和线性刚度;然后利用数值方法得到了缓冲过程的位移响应和加速度响应;最后分别比较了具有分段非线性刚度、三次非线性刚度和线性刚度的腿机构缓冲系数。结果表明,在最优阻尼比的情况下,具有分段非线性刚度的腿机构能够获得最小的缓冲系数,从而为实现步行机器人的快速步行和控制提供了理论依据。
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中国机械工程第
18
卷第
24
期
2007
年
12
月下半月
一种被动缓冲型腿机构及其缓冲特性分析
余联庆
1
,
2
吴昌林
2
马世平
3
1.武汉科技学院,武汉,
430073
2.
华中科技大学,武汉,
430074
3.
浙江师范大学,金华,
321004
摘要:针对隔离着地冲击的需要,为步行机器人设计了一种由连杆、线性拉仲弹簧和线性阻尼器构
成的被动缓冲型腿机构,根据该机构的几何关系导出其等效刚度,并且给出了机构个别参数对刚度的影
响。利用数据拟合将该等效刚度分段表示为三次非线性刚度和线性刚度;然后利用数值方法得到了缓
冲过程的位移响应和加速度响应;最后分别比较了具有分段非线性刚度、三次非线性刚度和线性刚度的
腿机构缓冲系数。结果表明,在最优阻尼比的情况下,具有分段非线性刚度的腿机构能够获得最小的缓
冲系数,从而为实现步行机器人的快速步行和控制提供了理论依据。
关键词:腿机构;分段非线性刚度;缓冲系数;步行机器人
中图分类号:
TP242.
6
文章编号
:1004--132X(2007)24--2930
一
03
A Passive
Buffer
Leg
Mechanism
and
It
s
Buffering
Characteristics
Analysis
Yu
Lianqing
1
•
2
Wu
Changlin
2
Ma
Shiping
3
l.
Wuhan
University
of
Science
and
Engineering
,
Wuhan
,430073
2.
Huazhong
University
of Science
and
Technology
,
Wuhan
,430074
3.
Zhengjiang
Normal
University
,
Jinhua
,
Zhengjiang
, 321004
Abstract:
This
paper
presented
a
passive
buffer
leg
mechanism
which
was
used
to
isolate
the
ground
impact
on
walking
robots.
The
leg
mechanism
consisted
of
links
, a
linear
tension
spring
and
a
linear
dampe
r.
The
equivalent
stiffness
of
the
leg
mechanism
was
derived
from
geom
巳
tric
relation
,
and
the
effect
of
a
few
leg
mechanism
parameters
on
the
stiffness
was
presented.
The
equivalent
stiffness
was
expressed
in
piecewise
as a
cubic
stiffness
and
a
linear
stiffness
through
data
fitting.
Then
the
dis-
placement
and
acceleration
responses
during
buffering
were
figured
out
through
numerical
computa
tion.
The
three
leg
mechanisms
with
piecewise
nonlinear
stiffness
,
cubic
nonlinear
stiffness
and
linear
stiffness
were
compared
respectively
in
terms
of
their
buffer
coefficients.
The
result
shows
that
when
each
leg
mechanism
connects
to
an
optimal
damping
ratio
in
parallel
,
the
leg
mechanism
with
piece-
wise
nonlinear
stiffness
can
achieve
the
least
buffer
coefficient
among
the
three
leg
mechanisms.
This
paper
lays
a
theoretical
groundwork
for
the
rapid
walking
and
control
of
walking
robots.
Key
words:
leg
mechanism;
piecewise
nonlinear
stiffness;
buffer
coefficient;
walking
robot
O
引言
在步行机器人的研究中,采用动态步行替代
静态步行是提高步行速度的关键。然而,目前步
行机器人大多采用的是刚性腿机构,在动态步行
中地面会对步行机器人产生很大的冲击,频繁或
较大的冲击振动会对机器人系统造成重大损伤,
从而使得机器人系统难以控制[1,
2J
。在腿机构中
加装弹性装置是一个行之有效的缓冲隔振
方法[叫。
本文利用连杆、线性拉伸弹簧和线性阻尼器
设计了一种被动缓冲型腿机构,通过几何分析和
数据拟合得到了该机构的等效刚度特性,进而利
用数值方法分析了该机构的动态特性,最后比较
分析了在最优阻尼比的情况下,分别具有分段非
线性刚度、三次非线性刚度和线性刚度的腿机构
缓冲系数。
1
物理模型
被动缓冲腿机构物理模型如图
1
所示,连杆
ABC
和连杆
DCE
在
C
点处佼接,末端用刚度为
k
的线性拉伸弹簧连接,伎点
C
类似膝关节。腿机构
在
B
处与机器人机体镜接,伎点
B
类似髓关节,成
为质量
m
的承载点。
E
为着地点,由于地面反力总
是沿着方向
BE
作用于机器人,因此可以假设
BE
间存在一个等效压缩弹簧。机构中各连杆的长度
分别用
II 、
l2
、
l3
和
l5
表示,线性拉伸弹簧的长度
由
l.
表示。连杆
ABC
和连杆
DCE
的内角分别为
α
和卢。缓冲过程中,质量
m
沿着
BE
下落,导致夹角
γ
由大变小,夹角#相应地由小变大,从而将
AD
间的线性刚度映射为
BE
间的等效非线性刚度。
Fhd
q
吨
U
Aq
AU
Y
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助
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金
基
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ω
江
m
浙
0
期目归
日项
2
稿金
收基
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