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AYSYS永磁攀爬机器人操控系统设计(3)
2.2 机器人运动方式
由于设计的机器人具有四个腿部机构,且每个腿部机构分别由各自的舵机驱动,各腿之间运动相对独立,因此可以设计多种不同的步态方案完成机器人的壁面爬行动作。以直线爬行为例,我们设计两种周期型步态。图2.4设计的是一种同侧双足同步的步态方案。右前腿为a号,左前腿为b号,右后腿为c号,左后腿为d号,1为机器人初始状态。2为腿a腿c前一步,此时机器人框架不动,重量由腿b腿d支撑。3为腿b腿d在吸附状态下向后运动,此运动效果将机器人框架向上推,并由于腿b腿d倾斜使得腿a腿c可以靠近壁面并再次完成吸附。4为腿b腿d松开壁面,腿a腿c向后运动,将机器人框架拉上来,腿b腿d松开壁面并向上运动恢复为1.完成整个周期的运动[12]。
图2.4周期型步态简图
这种步态还可以进行简化,把身体的移动和腿部移动进行结合如图2.5所示:
图2.5优化后的周期型步态简图
机器人在完成动作三时,将腿b腿d向上转动,同时腿a腿c向后转动,即可呈现图4状态,类似于人类跨步行走。这样就能缩短周期时间,提高运动效率,加快运动速度,但是对稳定性提出了更高的要求[23-24]。
机器人腿部结构如图2.6所示,腿部主干部分与机器人框架连接处配置一电机,用来在一定角度内转动腿部,完成“跨步”动作。主干与攀爬器连接处有一活动关节,此关节没有驱动设备,但限定一定的角度。此处设计是为了防止机器人在运动时,攀爬器与壁面之间不会出现死角,阻碍机器人行进。攀爬器内部有一电机,用来改变内部磁极方向,使吸附力发生变化。配合完成机器人运动时对磁力的具体需求。
图2.6
机械
臂简图
工作原理:
机器人运动时,通过操作机器人腿上的两个电机完成“跨步”“推送”等步骤。机器人正在运动中,腿的运动方式有两种,分别进行分析:
跨步:
状态一,如图2.7所示:机器人腿与钢铁壁面成直角,此时攀爬脚处于强磁力状态,与壁面摩擦力最大,以便保持机器人在壁面静止状态[9-11]。
图2.7初始状态的攀爬脚
状态二,如图(2.8)所示:攀爬器磁极变化,由强磁状态编程弱磁,对钢铁壁面的吸附力减小,摩擦力减小,由机器人脚上的电机带动按照程序设定旋转一定角度。机器脚与壁面分离,处于悬空状态。
图2.8跨步状态的攀爬脚
状态三,在其他腿带动下,机器人框架向上移动。此时攀爬器上磁极变化,吸附力增加。由于在攀爬器与机器人脚连接处的活动装置,使攀爬器工作面与壁面平行,并再次吸附钢铁壁面,在电机的带动下,机器人腿再次与壁面垂直,进而将机器人框架上拉,返回状态一。
以上介绍的腿的方式为“跨步”腿,作用首先是在两外两腿离开壁面是稳定机器人框架,在另外两条腿吸附的前提下,向上推送攀爬器,当攀爬器再次吸附壁面时,由电机驱动,拉动整个框架向上运动。另外的两条腿称为“推送腿”,作用是在“跨步”腿离开壁面时,将框架向上推送。伴随框架的向上移动,框架与壁面距离减小,“跨步”腿上的攀爬器逐渐与壁面接近,完成再次吸附。
推送:
状态一:此状态下“推送”腿与“跨步”腿状态一致,不做论述,如图(2.7)。
状态二:此时,“跨步”腿已完成其“状态二”的动作,处于离开壁面状态,腿部电机旋转,将机器人框架向上推送。此过程中框架与壁面距离减少,使“跨步”腿再次与壁面吸附。如图(2.9)所示:
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