文 | 慢纪硬核说

编辑 | 慢纪硬核说

由于蜈蚣在自然界中的敏捷性、稳定性、高环境适应性和高鲁棒性，多足机器人被研究并期望执行许多任务。

例如检查危险或复杂的环境，在救援任务中探测幸存者的位置等。

然而，多腿机器人具有大量的关节和执行器，这不仅增加了机器人本身的重量，而且使机器人的运动控制变得复杂。

因此，模仿生物的设计成为产生运动的有效途径。受昆虫和蟑螂的启发，机器人研究人员试图模仿有腿机器人的昆虫行为，以开发多腿机器人。

然而，这些研究本质上是对结构或观察到的运动规律的仿生学，而不是模仿生物体的内部运动机制。

因此，如果我们能够基于蜈蚣的内部运动机制来设计机器人，我们不仅可以从自然生物进化的规律中得到启发，还可以从机械设计的角度来探索一些生物运动。

B. Anderson等人利用肌电图记录了蜈蚣在跑步机上跑步时的侧屈肌，肌电图显示肌肉活动与弯曲引起的后向传播波同步，研究发现蜈蚣的侧屈肌是主动促进身体波动的。

介绍

1. 基本介绍

为了验证和探索横向运动对蜈蚣运动的影响，并试图揭示多足生物的波动运动，我们开始考虑利用腿的横向运动来促进身体节段的波动。

那么我们提出了一种新的设计，在每条腿上使用单个驱动自由度，在每对身体部分之间使用单个被动身体部分关节。

在本设计中，活动腿关节负责身体节段额平面的外展和内收。该设计不仅实现了少驱动和多腿运动，而且通过引入被动脊柱为多节段机器人的内收运动提供了一种研究方法。

本文提出的机器人是基于蜈蚣在自然界中的运动机理。它由多个身体部分组成，并按一定的顺序运动，以实现整个机器人的连续运动。

我们为一种新型被动脊柱六足机器人提出了一种新的腿行走方法，如图1所示。

该机器人由三个体段组成，由两个被动体关节连接，使体段可以绕关节轴自由旋转，每个身体部分携带两个自由度驱动的腿。

2. 多足机器人的概念和运动原理

2.1. 多腿机器人的概念

如图3(a)所示，被动脊柱机器人的设计和构型与之前的六足机器人相似。

2.2.被动脊柱机器人的运动原理

机器人的腿既可以处于站立阶段，即腿与地面接触，也可以处于摆动阶段，即腿抬起离地面。

站立阶段的腿是支撑腿，其他阶段的腿是摆动腿。脚尖与地面之间的接触可以看作是球面关节，可以围绕地面或脚印上的支撑点自由旋转。

所提出的被动脊柱腿行走机器人的原理如图4所示，其中说明了几个关键步骤。如图4(a)所示，以初始构型站立的六足机器人通过同时外展腿和内收腿开始运动。

3. 步态规划

3.1. 有限状态机理论

步态规划决定腿的状态，如支撑或摆动阶段。不同的配置状态由每个段上的各种腿状态组成。Brooks, R. A将有限状态机(FSM)理论引入机器人系统。

一些研究者设计了FSM来管理不同步态模式之间的转换。在本文中，步态模式的规划是由一个FSM。

FSM是一种数学模型，它可以根据外部输入从一种状态改变到另一种状态。

使用FSM的条件如下：

1. 使用FSM建模的系统具有有限数量的状态；

2. 某一状态下的行为是唯一对应的；

3. 系统在任何时候总是处于一定的状态；

4. 系统状态转换的条件是有限的；

5. 过渡是系统对事件的反应;因此，它适用于多足机器人的步态规划。

3.2. 基于FSM的机器人的波动步态

根据构型的几何约束，对于机器人，在确定机器人状态时应注意以下情况:

1. 由于机器人的重量分布，第1条、第2条、…条体段的支撑腿不能分布在同一侧，否则机器人无法站立，即不存在状态和状态。

2. 根据几何关系的身体部分和支撑腿类似的机器人,它是要求相邻的同侧支撑腿身体段不能不断出现,否则几何约束将限制机器人的运动,也就是说,如果支撑腿

身体段连在一起的,支撑腿身体段不能同时对边,这意味着状态的interval字段不存在。

实验验证

4. 仿真与实验验证

由于其结构的对称性，通过对称的步态可以很容易地获得向前运动和向后运动的步态。由于篇幅所限，本文仅使用前向运动来证明分析方法。

4.1. 模拟环境

我们使用开放动力学引擎来验证我们提出的配置和步态模式。ODE是一个用于模拟刚体动力学的高性能库。

在模拟环境中，我们将刚体和关节结合在10条腿的机器人上。仿真环境中，分别为腿与地面接触时的弹簧常数和阻尼常数，为仿真步长。ERP和CFM可以用来模拟地面的硬度：

所设计的模拟器对每个身体部分使用相同的模块，执行器安装在腿的关节处，实现上下升降。在相邻节段之间使用被动关节，随着两个节段移动并允许节段旋转。配置的物理参数如表1所示。

4.2. 仿真结果

图9显示了被动脊柱十足机器人的性能，箭头表示运动方向。在模拟中，我们成功地获得前进动作。结果验证了所提出的步态规划方法对机器人是有效的。

图10为十足机器人第一体段CoM的平面运动轨迹。顶部的蓝色曲线表示生成的波动运动。其中位移表明在仿真环境中实现了预期的运动。

在下面的图表中选择一个时间段，并给出相应的各状态持续时间和贡献，为后续各状态占空比的优化提供依据。

4.3. 实验装置

腿由塑料制成，脚尖上覆盖着橡胶帽，以增加摩擦，防止打滑。由于机器人的稳定向前运动在很大程度上取决于其部件的质量分布，因此机器人的质量对称分布其上。表2显示了十足机器人原型的规格。

机器人有五个体节，通过被动体节关节连接。

4.4. 实验结果及讨论

得到的构型转变在一个十足原型机器人上进行了实验测试(图11)，每个实验轨迹在地面上重复了5次。观察并记录运动方向如图12所示。

运动方向与第3节的分析结果一致，本文研究了求解2个机器人位形跃迁的一般方法。通过仿真和实验得出以下结论:

1. 多足机器人以蜈蚣的运动原理为基础，利用身体各节段之间的被动关节，通过支撑腿绕身体各节段的旋转来实现运动，对同类机器人的运动实现具有指导意义。

2. 利用FSM理论对机器人的运动步态进行了分析，验证了该方法的可行性。

3. 当体节数增加时，该方法实现简单，为同类机器人的运动控制研究提供了方法。

结论

本文将FSM理论引入到模块化多足机器人的步态规划方法中。通过对十足机器人步态设计的仿真与实验，验证了所提出的多节段多足机器人步态规划方法。

利用仿生物的运动机理研制的被动棘机器人是研究对象。这一结果表明，蜈蚣机器人受蜈蚣身体形态的启发，可以通过腿部和被动身体部分的横向运动来实现波动步态的直线运动，而不需要在身体部分之间安装单独的致动器来直接控制身体部分的旋转。

因此，本文不仅证明了多足机器人步态规划方法的正确性，而且提供了对生物学的洞察，证明了腿部的横向运动可以促进身体的波动步态。

本研究为今后同类机器人的步态规划方法奠定了基础。在我们未来的工作中，将对所提出的机器人的控制系统进行研究。

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