【關於四足機器人那些事】直驅四足機器人Minitaur運動學建模

隨着人類環境中對機器人交互的需求不斷增長，動態四足機器人的發展正成爲人們越來越感興趣的話題，但是它們需要自適應的控制方案來應對穿越現實世界地形時遇到的挑戰。

在這項研究中，我們探索了對四足系統的物理和控制方法的改進，以實現快速，穩定的步行和小跑步態。該分析包括對身體柔韌性的研究，用於軌跡成形的5杆運動學以及地面和障礙物接觸感測的實現。進行了結構和機械方面的改進，以減少不必要的柔韌性，從而產生更快，更穩定的步態。實施了接觸感測，以識別障礙物和地面高度偏差，以協商變化的地形。總體而言，這些功能的結合大大增強了動態四足機器人的機動性，並有助於建立克服障礙的基礎。

Minitaur是動態四足動物，其腿部採用直接驅動5杆機構設計。這種設計涉及兩個電動機的同軸
定位，這些電動機之間的間距要足夠寬，足以容納腿的各個部分並允許較大範圍的運動。

論文作者：Daniel J. Blackman, John V. Nicholson, Camilo Ordonez, Bruce D.Miller, and Jonathan E. Clark

一、結構參數

二、腿部運動空間

上圖展示了minitaur的一條腿的整個運動週期，從擺動相到支撐相。$\psi_s$爲支撐相掃過的角度，論文中詳細的參數如下：

下面來介紹腿部運動學模型：

這裏構造一個虛擬的腿L，對於給定腿部末端位置[x, y]，有以下數量關係：

腿長：$L=\sqrt{x^2+y^2}$

擺角：$\psi = \arcsin(\frac{x}{L})$

伸展角度：$\phi=\arccos(\frac{L^2 + L_1^2 - L_2 ^2}{2L_1L})$

根據以上關係，我們可以求出電機所需要的控制角度爲

$\theta_1 = \phi - \psi$

$\theta_2 = \phi + \psi$

需要注意的是，在之前構建的仿真環境中，我們直接用三角函數來生成擺角信號和伸展角，即：
$\psi = 0.3\sin(2\pi f t + \varphi)$

$\phi = 0.35cos(2\pi f t + \varphi)$

其中，$f$爲頻率，用於控制信號週期，$\varphi$爲相位

---

如果覺得ok，點個贊，點個關注，也歡迎給個打賞支持一下編者的工作