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液压驱动四足机器人的设计与仿真

期刊:journal of mechanical science and technologyDOI:10.1007/s12206-012-0219-8

液压驱动四足机器人SCALF-1的设计与仿真研究

一、作者与发表信息
本研究的通讯作者为山东大学控制科学与工程学院的Yibin Li(李贻斌),合作作者包括Xuewen Rong(荣学文)、Jiuhong Ruan(阮久宏)和Bin Li(李彬)。论文发表于《Journal of Mechanical Science and Technology》2012年第26卷第4期,标题为《Design and simulation for a hydraulic actuated quadruped robot》。


二、学术背景与研究目标
科学领域:本研究属于机器人学中的仿生运动控制领域,聚焦液压驱动四足机器人的机构设计、运动学建模与动态仿真。
研究动机:轮式与履带机器人在复杂地形适应性上存在局限,而足式机器人(如四足机器人)具有更高的地形适应性和灵活性,但面临结构复杂、控制难度大的挑战。研究团队旨在开发一种基于液压驱动的四足机器人,以解决传统电机驱动系统功率密度低、动态响应慢的问题。
技术背景:研究参考了Boston Dynamics的BigDog等先进四足机器人,采用液压伺服系统提升机器人的负载能力与运动稳定性。

研究目标
1. 设计一种三自由度(3-DOFs)腿机构液压驱动四足机器人SCALF-1;
2. 推导基于D-H(Denavit-Hartenberg)变换的正逆运动学方程;
3. 提出一种复合足端轨迹(立方曲线与直线组合)以降低躯干波动;
4. 通过MSC.ADAMS与MATLAB联合仿真验证设计参数。


三、研究流程与方法
1. 机械结构设计
- 腿机构:每条腿包含1个滚动关节(rolling joint)和2个俯仰关节(pitching joint),共12个旋转关节,均采用线性液压伺服缸驱动(图3)。
- 关键参数:机器人总重65kg(不含液压动力包),最大速度1.8m/s(小跑步态),最优步频1-3Hz(基于哺乳动物运动学缩放定律[11-13])。

2. 运动学建模
- D-H坐标系建立:在躯干几何中心固定坐标系{ob},四腿坐标系{oi0}至{oi4}按D-H规则建立(表2)。
- 正运动学方程:通过齐次变换矩阵(式1-2)计算足端在{ob}中的位置。
- 逆运动学方程:根据足端坐标(pix, piy, piz)解析关节角θik(式3-6),前腿与后腿的θi2、θi3符号相反。

3. 足端轨迹规划
- 复合轨迹设计
- 摆动相(swing phase):立方曲线(式7-8),确保触地/离地时刻速度、加速度为零;
- 支撑相(stance phase):直线(式9-10),减少躯干在x/z方向的波动(图4)。
- 优势:相比复合摆线轨迹,新轨迹显著降低足端与地面的相对滑移(图8)。

4. 动力学联合仿真
- 仿真平台:MSC.ADAMS(机械模型)与MATLAB/Simulink(控制算法)协同(图6-7)。
- 关键参数:载荷100kg,摩擦系数0.4,步频2.5Hz(表3)。
- 结果分析
- 液压缸最大动态驱动力3700N(图10),足地最大冲击力1600N(图11);
- 躯干加速度波动验证了轨迹稳定性(图9)。

5. 实验验证
- 实验内容:负载能力(80kg)、土壤适应性(图13-14)、加速度测量(图15)。
- 结论:最优步频2-3Hz,最大速度1.8m/s(小跑步态),仿真与实验数据吻合。


四、研究结果与结论
主要结果
1. 液压驱动系统在21MPa压力下可实现高动态响应(图10);
2. 复合足端轨迹使躯干速度波动降低50%以上(图8曲线1 vs 2);
3. 步频2.5Hz时机器人动态稳定性最佳。

科学价值
- 提出了一种适用于液压驱动四足机器人的运动学建模与轨迹规划方法;
- 联合仿真技术为液压系统参数设计提供了量化依据。

应用价值
- SCALF-1的负载能力(80kg)与地形适应性(土壤、平地)展示了其在野外巡检、物资运输等场景的潜力。


五、研究亮点
1. 创新机构设计:三自由度腿机构简化了控制复杂度,同时通过液压伺服缸实现高功率密度;
2. 轨迹优化方法:立方曲线-直线复合轨迹解决了传统摆线轨迹的滑移问题;
3. 跨平台仿真:ADAMS-MATLAB联合仿真实现了机械-控制系统的闭环验证。

未来方向
- 开发内燃机驱动的小型化液压动力包;
- 引入力反馈控制与多轴力传感器提升环境适应性。

资助信息:山东大学自主创新基金(2009JC010)和国家高技术研究发展计划(2011AA041001)支持。

(注:专业术语如D-H变换、trot gait(小跑步态)等首次出现时标注英文,图表引用自原文编号。)

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