曲柄摇杆四足机器人实验教学平台设计_商德勇.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 42 卷 第 1 期Vol 42 No12023 年 1 月Jan 2023实验教学与创新DOI:10 19927/j cnki syyt 2023 01 036曲柄摇杆四足机器人实验教学平台设计商德勇1a，1b，1c，樊虎1a，白龙2(1 中国矿业大学(北京)a 机电与信息工程学院;b 智慧矿山与机器人研究院;c 煤矿智能化与机器人创新应用应急管理部重点实验室，北京 100083;2 北京信息科技大学 机电工程学院，北京 100192)摘要:为适应新工科人才培养的要求，针对机械类专业课程实践教学环节教学方法陈旧等问题，基于曲柄摇杆机构设计了一款四足机器人实验教学平台，用于机械原理、机械设计等主干课程的实践创新教学环节。该四足机器人的结构设计方案源于哺乳动物运动过程，分析了其运动方式及不同腿部结构对于运动过程的影响，确定机器人机构运动方案;以 D-H 矩阵变换为数学工具，建立了机器人运动学模型;考虑实验平台应满足较高的经济性和互换性要求，最大程度采用了标准件的数量。对机器人进行了虚拟仿真分析，完成直线与奔跑两种状态的步态规划，实现了四足机器人的整体协调运动，验证了设计的合理性。实践表明，该教学平台的成功设计，丰富了机械类核心课程实践教学内容，对于提高学生的动手实践能力和思维创新能力有着显著的效果。关键词:曲柄摇杆;四足机器人;虚拟仿真;实验教学平台中图分类号:TP 242;G 642文献标志码:A文章编号:1006 7167(2023)01 0184 06收稿日期:2022-09-18基金项目:国家自然科学基金面上项目(52174154);国家自然科学基金创新研究群体项目(52121003);中央高校基本科研业务费专项资金资助(2022YQJD21);中国矿业大学(北京)本科课程教学改革项目(J210405)作者简介:商德勇(1983 )，男，山东德州人，博士，副教授，主要从事智慧矿山建设与矿山机电设备智能化教学与科研。Tel:[phone];E-mail:shangdeyong cumtb edu cnDesign of Experimental Teaching Platform forCrank rocker Quadruped obotSHANG Deyong1a，1b，1c，FAN Hu1a，BAI Long2(1a School of Mechanical，Electronic and Information Engineering;1b Institute of intelligent Mining and obotic;1c Key Laboratory of Intelligent Mining and obotics，Ministry of Emergency Management，China Universityof mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China;2 School of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100192，China)Abstract:In order to meet the requirements of the training of new engineering talents，aiming at the problems ofoutdated teaching methods in the practical teaching，a quadruped robot experimental teaching platform is designed byusing crank-rocker，and is applied to the practical innovation teaching such as mechanical principle and mechanicaldesign This study focuses on the movement process of mammals，analyzes the mode and the influence of differentstructures，and determines the motion scheme Using D-H matrix transformation，the kinematics model is establishedConsidering the requirements of high economy and interchangeability，and the number of standard parts should beincreased，the structure design is completed Virtual simulation analysis is carried，the straight and turning gaits aresimulated，which verifies the rationality of the design The experiment proves that the teaching platform has remarkableeffect on improving studentspractical ability and thinking innovation ability，and explores a new mode for experimentalteaching第 1 期商德勇，等:曲柄摇杆四足机器人实验教学平台设计Key words:crank and mechanism;quadruped robot;experimental teaching platform;virtual simulation0引言随着“中国制造 2025”国家战略的提出，智能机器人技术在各大领域占据更加举足轻重的作用，得到了前所未有的应用与推广，促进了机器人技术的快速发展与变革。技术的革新带来的是对科技人才的量与质的更高要求1。如何培养能够快速适应市场需求的高素质毕业生，高校积极寻求新式的培养方法，创建新式的教育模式，以求充分开发与深掘学生实践、创新方面的潜质。机器人学是一门集控制理论、机械结构设计等领域为一体的交叉性学科，包括机械原理、机械设计、单片机原理等机械类核心课程2;该类课程的培养方案均要求做到理论与实践相结合、经验与创新相结合、模型推演与样机实验相结合，所以实践创新环节是教学过程非常重要的一个环节3。足类机器人是移动式机器人的一种，按照足数分为两足、四足、六足和八足机器人，四足比双足稳定性更强，而且比六足和八足结构简单，既有较好的静态稳定性，又有较好的动态性能。四足机器人能适应复杂多变地形、移动灵活，在军事、农业、工业等领域都有着广泛的应用。在“Big Gog”“绝影”等四足机器人相继亮相之后4，引起了国内外研究者的关注。马宗利等5 通过液压驱动的柔性脊椎结构，实现了仿猎豹四足机器人设计;任灏宇6 为提高机器人运动性能和负载能力，采用弹性连杆机构和线驱动系统，设计了一款抗冲击性强的新型腿;钟斌7 针对陡峭地形的运动需求，对岩羊运动机理进行探索，优化了机器人腿部结构;龙樟8 设计了一款连续电驱动的四足机器人，实现了四足机器人的小型化、大负载、低能耗、高效率。为提高机械类专业学生培养质量，满足新工科专业建设需求，本文设计了一款基于曲柄摇杆驱动的四足机器人实验教学平台，在完成机械类核心课程实践教学任务基础上，激发学生对机器人前沿领域探索的浓厚兴趣，提高基础科研素养和实践创新能力。1四足机器人实验平台设计1.1腿部结构设计从结构来看，四足机器人主要分为两类，仿爬行动物型和仿哺乳动物型。仿爬行动物型四足机器人的腿位于躯干两侧，支撑面积大，质心低，静态稳定性高;仿哺乳动物型四足机器人的腿位于躯干下方，利于奔跑和弹跳，由于足端与躯干的水平距离近，重力的力臂小，负载能力较强。本四足机器人实验平台仿照四足哺乳类动物设计，确定单腿的自由度数为 2，机器人整体自由度为 8。机器人腿部结构又可分为前后膝式、前后肘式、前肘后膝式和前膝后肘式 4 种结构。本文四足机器人采用前膝后肘式对称布置(见图 1)，能有效消除因关节运动而引起的躯干重心偏移。紧凑的整体结构更有助于运动的平稳性9。图 1膝式与肘式结构四足机器人分为机体和腿部，其中尤以腿部作为设计重点。针对串联式腿部机构质量重，体积大的问题，本四足机器人实验平台腿部机构采用曲柄摇杆结构(见图 2)，将驱动电机布置在机器人框体上，以曲柄摇杆结构作为传动结构。图 2腿部机构简图如图 3 所示，曲柄摇杆结构有效解决了腿部结构复杂等问题，降低了机器自身驱动难度，具有灵活、精度高、结构简单等优点。仿照并联机械臂的设计方法，大腿与小腿采用并联结构，结构紧凑，同时实现了单腿协调运动。机器人在实现运动功能的过程中，由驱动 1 输入力矩，带动曲柄实现整周转动，并将其运动通过曲柄摇杆机构传递到法兰盘处，进而实现驱动 1 对小腿的控制。驱动2 的力矩则直接传递到大腿构件处。机器人单腿自由度为2，驱动数为2，机构可以实现确定的581第 42 卷图 3腿部结构设计运动。该结构具有以下优点:(1)曲柄摇杆机构的使用，使得驱动 2 在提供摆动运动的过程中，避免了频繁换向。(2)并联结构的腿部结构紧凑，负载能力较大。(3)连杆型结构质量较小，所设计腿部结构简单、驱动容易。为了培养学生良好的机械设计思维，该实验台采用现代机械设计方法的模块化设计理念10。机器人平台采用对称结构，机器人重心位于中心处，有利于行走的平稳性与部件受力的均衡性，可有效减少运动过程中因重心偏移带来的突变力矩，以及静止站立过程中，因重心偏移产生的附加倾覆力矩。1.2实验样机设计四足机器人结构如图 4、5 所示，其主要部分为躯干，搭载一个 24 V 直流电源，8 个 42 系列步进电动机和电动机驱动器、一块 STM32 控制板、传感器、弹性滚子轴承等，机械人躯干采用铝制材料镂空机构，满足了质量轻、强度高等要求。图 4实验平台样机1.3实验平台控制系统设计机器人以 STM32 单片机为控制核心，由学生编写程序完成对步进电动机的控制。步进电动机由定时器终端信号控制启停，由单片机提供的脉冲信号与方向信号控制电动机的正反转。其驱动流程如图 6 所示。在 STM32 中输入预定程序，持续读取控制步进电动机开关处的信号，当接收到步进电动机工作的信号图 5实验平台三维模型图 6机器人单腿驱动流程值后，STM32 芯片中定时器打开，以 6 s 为一个周期，通过定时器来对单片机输出脉冲信号的时间进行控制，使得芯片在半个周期内处于输出状态，在另半个周期内，处于不工作状态，以此来实现脉冲信号的输出11。电动机驱动器每接收到一个脉冲信号，控制电动机则转过一个步距角，以此来实现芯片对于电动机的驱动控制。四足机器人运动是否平稳取决于控制器步态运动算法是否与所设计机器人相匹配，良好的步态规划是实现四足机器人平稳的重要保证。本设计采用对角步态12，其运动时序图如图 7 所示。图 7机器人对角步态时序将机器人对角线位置的腿作为一个整体的运动单元，右前(F)腿、左后(LB)腿为 A 组，左前(LF)腿、681第 1 期商德勇，等:曲柄摇杆四足机器人实验教学平台设计右后(B)腿为 B 组;以 T 为一个周期，A、B 组交替作为摆动相和支撑相。在 T/4 内，A 组作为支撑相，B 组作为摆动相实现机器人重心的变化;在 T/4 到 T/2 内，A、B 组运动形式对调，从而实现机器人的驱动机构循环往复运动。2四足机器人运动学建模四足机器人采用模块化设计理念，单腿具有 2 个转动关节。利用 D-H 矩阵法，建立机器人躯干与末端执行器的数学关系13。采用右手原则对机器人躯干以及关节各位置建立如图 8 所示的坐标系。图 8四足机器人单腿 D-H 坐标系在已经建立的 D-H 坐标系中，每个腿部杆件的参数定义如下:L0为身体坐标原点 O0到 O2的 X 方向的距离;L1为身体坐标原点到 O2的 Y 方向的距离;L3为大腿长度，L4为小腿长度;1为大腿相对于躯干转过的角度;2为大腿和小腿之间转动角度。四足机器人正运动学方程为:Px=L0cos(1+2)+L2cos 2(1)Py=L0sin(1+2)+L2sin 2(2)Pz=L1(3)根据四足机器人的运动条件，以最低能耗的原理规划机器人足端的路径。四足机器人对称分布的 4 条腿交替运动，通过支撑相和摆动相的交替运动，来实现机器人的行走与转弯。支撑相与摆动相在运动中各占一半的运动周期，共同构成完整的运动周期。在支撑相发挥作用时，摆动相足端离开地面，来完成机器人重心的移动;继而在下半个周期时，两相交换，完成机器人重心在一个周期内的两次移动。为实现四足机器人行走时保持平稳，提高机器人关键零部件的寿命，对机器人行走时进行受力分析，冲击载荷来源于足端与地面的接触瞬间。为减少过大的冲击对机器人造成损伤，保持运动的稳定性，对足端轨迹进行约束14。在 X 方向:Xt=0=0Xt=T/2=HXt=T=0(4)Xt=0=0Xt=T/2=0Xt=T=0(5)Xt=0=0Xt=T/2=0Xt=T=0(6)在 Y 方向上:Yt=0=0Yt=T/4=HYt=0=0，T/2 t T(7)Yt=0=0Yt=T/4=0Yt=0=0，T/2 t T(8)Yt=0=0Yt=T/4=0Yt=0=0(9)为满足 X、Y 方向的加速度的约束条件，需要使得加速度图线满足正弦函数的图像，因此，X 方向上加速度方程应为:x=Asin(2t/Tm)y=Bsin(2t/Tm)(10)继而进行两次积分，并结合位移的约束条件拟采用复合摆线的轨迹形式，摆动相的方程为:x=StTm12sin2tT()m，0 t T2y=H 0.5 0.5cos2tT()m，T2 t T(11)支撑相的方程为:x=StTm12sin2tT()m，0 t T2y=0，T/2 t T(12)3Adams 运动学仿真实验虚拟仿真过程可对机器人所存在的问题进行发现与改进，通过虚拟仿真实验，对机器人运动状态平稳性和受力过程进行动态仿真。对机器人的运动环境进行设定(见图 9)，机器人整体采用钢材料;在重力加速度为9.8 m/s2、地面摩擦系数为 0.1 的环境中运动15:在各驱动和大腿、小腿、781第 42 卷曲柄、连杆相互连接等处分别添加转动副约束，共计32 处;在电动机驱动处施加旋转力矩共 8 处;地面施加固定约束一处。图 9运动环境设定对机器人行走过程中的步态进行设定，其驱动过程以 4 s 为一个周期，摆动相驱动函数为:f(x)=step mod(time，4)，0，0，0.5，10d+step mod(time，4)，0.5，0，1，25d)+step mod(time，4)，1，0，2，15d)+step mod(time，4)，2，0，3，30d)+step mod(time，4)，3，0，4，30d)(13)支撑相驱动函数为:f(x)=step mod(time，4)，0，0，0.5，180 d+step mod(time，4)，1，0，2，180 d)(14)通过仿真，机器人运动过程中，呈现周期性的运动规律，其运动曲线如图 10 所示。(a)位移(b)速度(c)加速度图 10机器人行走状态运动曲线X 方向位移曲线斜率在较小范围内波动，且呈现周期性变化，表明机器人运动整体呈现匀速运动状态;速度曲线峰值小于 120 mm;且其波动是两相在运动过程中使机器人重心产生偏移。加速度曲线在整体性的周期运动中，在一些位置发生突变，究其原因是机器人在行走过程中，足端与地面接触时产生冲击;地面与足端相碰产生的力导致了加速度的突变，造成机器人的轻微抖动。对机器人奔跑过程中的步态进行设定，其驱动过程以 5 s 为一个周期，驱动函数为:f(x)=0.6 sin(20 time 54d)(15)得到其运动规律曲线如图 11 所示。(a)位移(b)速度(c)加速度图 11机器人奔跑状态运动曲线曲线表示 X 方向上的躯干运动曲线图，图线较好地反映了机器人运动过程中的整体情况，位移曲线表明机器人运动较为平稳。速度曲线波峰和波谷保持在400 mm/s 到 0 之间，处于合理范围内;加速度曲线较为平缓，但存在加速度突变处。其原因是机器人在运动过程中，受到的主要冲击来源是足端与地面的接触力16，因而会产生加速度的突变，这一过程体现在图中波谷处的尖端处;在波峰处，机器人会由于重力导致速度突变;此两种突变数值较小，对机器人的影响程度有限，在合理范围之内。在作为支撑相与摆动相的两种状态下，躯干颠簸程度不同，但整体呈现周期性变化。在仿真分析过程中，引导学生编写不同步态驱动函数，观察机器人不同的运动状态。虚实结合的实验过程，有助于提高科研的兴趣与素养，培养学生创新能力。4结语根据机器人学课程实验教学需求，开发了基于四足机器人的实验教学平台，应用曲柄摇杆原理，简化了881第 1 期商德勇，等:曲柄摇杆四足机器人实验教学平台设计机器人腿部结构，实现了机器人的协调控制，并通过运动仿真分析，验证了设计合理性和实验教学项目的可行性。该四足机器人实验平台的设计，满足了机械类核心课程的实践环节教学，可培养学生的工程实践动手能力与创新能力，激发了学生对相关课程学习兴趣。该实验教学平台作为前沿研究课题，具备可持续探索、可持续改进的可能性;模块化的设计方法也满足了可分组教学、自主创新等教学方法，做到了以学生自主探索为主的引导式教学，为实验教学提供了一种新的教学方式。参考文献(eferences):1洪海涛“新工科”背景下的视觉检测与机器人技术J 大学教育，2019(7):74-762蒙艳玫，黄炳琼，严巳杰，等 机械工程控制基础课程的实验研究 J 广西大学学报(自然科学版)，2006(S1):43-453尤波，武江博，李东洁，等 SCAA 机器人和图像处理实验教学平台设计J 实验室研究与探索，2021，40(9):91-944Wooden D，Malchano M，Blankespoor K，et alAutonomousnavigation for BigDog C2010 IEEE International Conference onobotics and Automation S l :IEEE，2010:4736-47415马宗利，吕荣基，刘永超，等 仿猎豹四足机器人结构设计与分析 J 北京理工大学学报，2018，38(1):33-396任灏宇 弹性连杆机构式四足机器人设计与运动控制研究D重庆:重庆大学，20177钟斌 仿生岩羊四足机器人机构设计研究D 合肥:中国科学技术大学，20188龙樟 连续电驱动四足机器人设计与分析D 重庆:重庆大学，20189冯卓 仿生四足机器人机构设计与动力学尺寸综合D 马鞍山:安徽工业大学，2019 10王东霞，赵艺兵，温秀兰，等 教学机器人综合实验平台设计与研发 J 南京信息工程大学学报(自然科学版)，2021，13(3):327-331 11张鹏翔，廖启征，魏世民，等 液压驱动的四足机器人控制系统研究 J 液压与气动，2011(1):29-31 12郭建，郭焕彰，赵易，等 基于步态规划的四足机器人运动学分析与研究J 机床与液压，2021，49(21):67-72 13柏龙，龙樟，陈晓红，等 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