雙足載人機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、雙足載人機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 雙足載人機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2016/02/16 摘要 針對(duì)輪椅在跨越樓梯、臺(tái)階、溝壑等障礙時(shí)不便的問(wèn)題,結(jié)合腿式機(jī)器人,文中提出了一種新式雙足載人機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。對(duì)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其控制簡(jiǎn)單,僅具有兩個(gè)自由度。同時(shí)為了得到使人體感覺(jué)最舒適的乘坐高度,對(duì)機(jī)器人大腿結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)行三次求導(dǎo)得到加加速度,并通過(guò)對(duì)加加速度的絕對(duì)值分析,確定最優(yōu)高度。同時(shí),利用Matlab對(duì)結(jié)果進(jìn)行仿真,驗(yàn)證了該機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。經(jīng)

2、多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,軟件評(píng)定結(jié)果和數(shù)學(xué)計(jì)算理論值基本一致,誤差≤1%。 關(guān)鍵詞 機(jī)器人;自由度;高度優(yōu)化;加加速度 輪椅是年老體弱者及下肢傷殘者必不可少的代步工具,隨著無(wú)障礙設(shè)施的增多,輪椅使用者的活動(dòng)范圍逐步加大,但樓梯、臺(tái)階、溝壑等障礙卻使輪椅的行動(dòng)受到限制[1]。移動(dòng)機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)特性一直是機(jī)器人技術(shù)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。目前,機(jī)器人有3種類型的移動(dòng)結(jié)構(gòu):輪式、履帶式和腿式[2]。輪式機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度快、控制方便、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定、耗能低,但其不適合于跨越像樓梯等障礙,越障能力較差。履帶式機(jī)器人有著較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力,但由于摩擦阻力較大,因此耗能高且運(yùn)動(dòng)速度低。腿式機(jī)器

3、人是最靈活的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),但具有復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)并且不易控制。攀爬樓梯是移動(dòng)機(jī)器人適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境所必備的功能之一,也是乘坐輪椅最難跨越的障礙。針對(duì)輪椅跨越障礙時(shí)的不足和腿式機(jī)器人行走時(shí)的靈活性,結(jié)合兩者提出了一種雙足載人機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)。 1機(jī)械人腿部結(jié)構(gòu) 腿式機(jī)器人的腿部可具有多個(gè)自由度,使運(yùn)動(dòng)的靈活性大幅增強(qiáng),其可通過(guò)調(diào)節(jié)腿的長(zhǎng)度保持身體水平,也可通過(guò)調(diào)節(jié)腿的伸展程度調(diào)整重心的位置,因此不易翻倒,且穩(wěn)定性更高[3]。根據(jù)要求,提出一種連桿結(jié)構(gòu)方式,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。其中,n=8,pL=11,pH=0。根據(jù)自由度的計(jì)算公式F=3n-2pL-pH,得出F=2,在此結(jié)構(gòu)中,大腿可帶動(dòng)小

4、腿運(yùn)動(dòng),反之亦可,則需兩個(gè)舵機(jī)分別驅(qū)動(dòng)。 2舵機(jī)的選用 舵機(jī)主要包括模擬舵機(jī)和數(shù)字舵機(jī)。模擬舵機(jī),需要不斷地PWM信號(hào)才可保持鎖定角度;數(shù)字舵機(jī),只需發(fā)送一個(gè)信號(hào)就能鎖定角度不變,控制精度高、線性度好,輸出角度準(zhǔn)確且響應(yīng)速度快。在處理抖動(dòng)和越位方面更方便精準(zhǔn),數(shù)字舵機(jī)的加、減速更柔和,更平滑,能更有效地為電機(jī)提供啟動(dòng)所需轉(zhuǎn)矩。本文選用LD-1501MG機(jī)器人專用舵機(jī),該舵機(jī)扭力大、速度快、噪音低,虛位和死區(qū)都特別小,斷電可用手扭動(dòng)360,上電控制可180精確轉(zhuǎn)動(dòng),適合做中高端機(jī)器人,具體參數(shù)如表1所示。 3機(jī)械腿位置控制求解 為使人坐在上面時(shí)可平穩(wěn)前進(jìn),需盡量保持重心高

5、度不變,即保持平動(dòng)。所以,要求大腿前端始終應(yīng)該與地面平行。即O2點(diǎn)應(yīng)減少上下波動(dòng),沿著水平線l2平移。根據(jù)要求,在AutoCAD中做出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,如圖2(a)所示。令O2A=a=300mm,O1A=b=300mm。建立如圖2(a)所示模型,為進(jìn)一步研究O2點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特征,以O(shè)1為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系,如圖2(b)所示。要保證人體感覺(jué)舒適,重點(diǎn)對(duì)與其相接觸的O2A桿進(jìn)行分析,因此主要分析式(2)。但直接根據(jù)φ1的變化無(wú)法準(zhǔn)確描述O2點(diǎn)的波動(dòng)情況,在此對(duì)式(2)進(jìn)行3次求導(dǎo),得到O2A桿終端加速度的變化率,稱為加加速度[4]。加速度的時(shí)間變化率只在少數(shù)國(guó)外物理教材中簡(jiǎn)略地提到,因一般均認(rèn)為加速度a的時(shí)間

6、變化率并不重要[5]。事實(shí)上,至少在力學(xué)界,加速度的時(shí)間變化率已被定義為“jerk”,并已在物理期刊中出現(xiàn),我國(guó)力學(xué)界已采用“加加速度”這一中譯名,又稱急動(dòng)度。用j表示加加速度。在工程學(xué)中經(jīng)常需要用到加加速度,尤其是在交通工具設(shè)計(jì)以及材料等問(wèn)題。交通工具在加速時(shí)將使乘客產(chǎn)生不適感,該種不適感不僅來(lái)自于加速度,也與加加速度有關(guān)。在這種情況中,加速度反應(yīng)人體器官在加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)感受到的力,加加速度則反應(yīng)這作用力的變化快慢。較大的加加速度將使人體產(chǎn)生相當(dāng)?shù)牟贿m感,例如在電梯升降,汽車、火車等加速和轉(zhuǎn)彎的過(guò)程中。因而在設(shè)計(jì)交通工具時(shí),加加速度是必須要考慮的因素[6]。在非線性動(dòng)力學(xué)中,加加速度也有一定應(yīng)

7、用。載人腿式機(jī)械人作為一種交通工具,顯然具有非線性動(dòng)力學(xué)特征,本文有必要對(duì)加加速度進(jìn)行分析。 4高度優(yōu)化 4.1Matlab最優(yōu)求解對(duì)機(jī)器人大腿運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)行求一次導(dǎo)、二次導(dǎo)和三次導(dǎo),得a桿的角速度ω,角加速度a以及角加加速度j。為求得最優(yōu)高度h,分別研究t=0s,t=0.01s,t=1s時(shí)刻的加加速度。在Matlab中編寫程序,得到O2點(diǎn)在不同高度下不同時(shí)刻的加加速度,如表2所示。加加速度代表加速度變化的快慢,根據(jù)j的意義,求t=0s和t=1s時(shí)刻各高度所對(duì)應(yīng)的加加速度的絕對(duì)值,并在Matlab中進(jìn)行結(jié)果仿真,如圖3所示。根據(jù)表2及圖3可知,t=0s時(shí)j為常數(shù),此后j的絕對(duì)值將逐漸

8、減小,因此只需研究t=1s時(shí)刻各高度所對(duì)應(yīng)加加速度的絕對(duì)值。由圖3可知,當(dāng)h=500mm時(shí),j1=0.000590981<ξ=110-3,加加速度最小,運(yùn)動(dòng)最為平穩(wěn)。 4.2結(jié)果驗(yàn)證為驗(yàn)證結(jié)果是否合適,對(duì)t=0-1s求其角速度ω,角加速度a以及加加速度j。此時(shí)視h=500mm為已知條件,在Matlab中編寫程序,求得結(jié)果如表3所示。并根據(jù)此結(jié)果進(jìn)行仿真,得到此時(shí)的角速度ω,角加速度a以及加加速度j曲線,如圖4所示。由表3和圖4可知,加加速度的絕對(duì)值逐漸減少趨向于0,保證機(jī)器人行走時(shí)做到平穩(wěn)減振,人體感覺(jué)自然舒適。此時(shí)的加速度及角速度曲線也較為光滑,基本符合要求,但由于初始加加速度的絕對(duì)值

9、仍>ξ=110-3,這說(shuō)明桿長(zhǎng)和速度仍需要完善,應(yīng)對(duì)不同階段的速度及各個(gè)桿長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化。在該種情況下,速度和高度均為未知數(shù),對(duì)于這種多參數(shù)的優(yōu)化,文中可使用變分法。 5變分原理 變分法的基本問(wèn)題是求泛函的極值問(wèn)題和相應(yīng)的極值函數(shù)[7-8]。 6結(jié)束語(yǔ) 本文設(shè)計(jì)了一種可載人的腿式爬樓梯機(jī)器人結(jié)構(gòu),通過(guò)加加速度的分析,用Matlab進(jìn)行高度優(yōu)化及結(jié)果仿真,該機(jī)器人具有較大的平穩(wěn)性。經(jīng)多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證,軟件評(píng)定結(jié)果與數(shù)學(xué)計(jì)算理論值基本一致,誤差≤1%。 參考文獻(xiàn) [1]于蘇洋,王挺,王志東,等.基于傾翻與滑移穩(wěn)定性準(zhǔn)則的輪椅機(jī)器人爬樓梯控制方法[J].儀器儀表學(xué)

10、報(bào),2014,35(3):676-684. [2]司躍元,趙新華,侍才洪,等.輪履復(fù)合機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2013(7):191-193. [3]劉靜,趙曉光,譚民.腿式機(jī)器人的研究綜述[J].機(jī)器人,2006,28(1):81-88. [4]李樹榮,張強(qiáng).計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)光滑時(shí)間最優(yōu)軌跡規(guī)劃[J].控制理論與應(yīng)用,2012,29(2):192-198. [5]TonomuraA,EndoJ,MatsudaT,etal.Demonstrationofsin-gle-electronbuildupofaninterferencepattern[J].Ameri-canJournalofPhysics,1989,57(2):117-120. [6]董水金,佘守憲.關(guān)于加加速度的若干機(jī)械運(yùn)動(dòng)分析及Matlab模擬[J].大學(xué)物理,2005,24(2):57-62. [7]梁立孚.變分原理及其應(yīng)用[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2005. [8]林畛主.變分法與最優(yōu)控制[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1987

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