雙足載人機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

雙足載人機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計雙足載人機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2016/02/16 摘要針對輪椅在跨越樓梯、臺階、溝壑等障礙時不便的問題，結(jié)合腿式機器人，文中提出了一種新式雙足載人機器人的行走機構(gòu)設(shè)計方案。對機器人的行走機構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，其控制簡單，僅具有兩個自由度。同時為了得到使人體感覺最舒適的乘坐高度，對機器人大腿結(jié)構(gòu)的運動曲線進行三次求導(dǎo)得到加加速度，并通過對加加速度的絕對值分析，確定最優(yōu)高度。同時，利用Matlab對結(jié)果進行仿真，驗證了該機器人機構(gòu)的運動平穩(wěn)性。經(jīng)多次試驗數(shù)據(jù)分析，軟件評定結(jié)果和數(shù)學(xué)計算理論值基本一致，誤差1%。關(guān)鍵詞機器人;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，隨著無障礙設(shè)施的增多，輪椅使用者的活動范圍逐步加大，但樓梯、臺階、溝壑等障礙卻使輪椅的行動受到限制1。移動機器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的運動特性一直是機器人技術(shù)研究的熱點問題。目前，機器人有3種類型的移動結(jié)構(gòu):輪式、履帶式和腿式2。輪式機器人結(jié)構(gòu)簡單、速度快、控制方便、運動穩(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。履帶式機器人有著較強的地形適應(yīng)能力，但由于摩擦阻力較大，因此耗能高且運動速度低。腿式機器人是最靈活的運動機構(gòu)，但具有復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)并且不易控制。攀爬樓梯是移動機器人適應(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。針對輪椅跨越障礙時的不足和腿式機器人行走時的靈活性，結(jié)合兩者提出了一種雙足載人機器人的行走機構(gòu)。1機械人腿部結(jié)構(gòu)腿式機器人的腿部可具有多個自由度，使運動的靈活性大幅增強，其可通過調(diào)節(jié)腿的長度保持身體水平，也可通過調(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)簡圖如圖1所示。其中，n=8，pL=11，pH=0。根據(jù)自由度的計算公式F=3n2pLpH，得出F=2，在此結(jié)構(gòu)中，大腿可帶動小腿運動，反之亦可，則需兩個舵機分別驅(qū)動。2舵機的選用舵機主要包括模擬舵機和數(shù)字舵機。模擬舵機，需要不斷地PWM信號才可保持鎖定角度;數(shù)字舵機，只需發(fā)送一個信號就能鎖定角度不變，控制精度高、線性度好，輸出角度準(zhǔn)確且響應(yīng)速度快。在處理抖動和越位方面更方便精準(zhǔn)，數(shù)字舵機的加、減速更柔和，更平滑，能更有效地為電機提供啟動所需轉(zhuǎn)矩。本文選用LD1501MG機器人專用舵機，該舵機扭力大、速度快、噪音低，虛位和死區(qū)都特別小，斷電可用手扭動360，上電控制可180精確轉(zhuǎn)動，適合做中高端機器人，具體參數(shù)如表1所示。3機械腿位置控制求解為使人坐在上面時可平穩(wěn)前進，需盡量保持重心高度不變，即保持平動。所以，要求大腿前端始終應(yīng)該與地面平行。即O2點應(yīng)減少上下波動，沿著水平線l2平移。根據(jù)要求，在AutoCAD中做出結(jié)構(gòu)簡圖，如圖2(a)所示。令O2A=a=300mm，O1A=b=300mm。建立如圖2(a)所示模型，為進一步研究O2點的運動特征，以O(shè)1為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)系，如圖2(b)所示。要保證人體感覺舒適，重點對與其相接觸的O2A桿進行分析，因此主要分析式(2)。但直接根據(jù)1的變化無法準(zhǔn)確描述O2點的波動情況，在此對式(2)進行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。加速度的時間變化率只在少數(shù)國外物理教材中簡略地提到，因一般均認(rèn)為加速度a的時間變化率并不重要5。事實上，至少在力學(xué)界，加速度的時間變化率已被定義為“jerk”，并已在物理期刊中出現(xiàn)，我國力學(xué)界已采用“加加速度”這一中譯名，又稱急動度。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)計以及材料等問題。交通工具在加速時將使乘客產(chǎn)生不適感，該種不適感不僅來自于加速度，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動時感受到的力，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)彎的過程中。因而在設(shè)計交通工具時，加加速度是必須要考慮的因素6。在非線性動力學(xué)中，加加速度也有一定應(yīng)用。載人腿式機械人作為一種交通工具，顯然具有非線性動力學(xué)特征，本文有必要對加加速度進行分析。4高度優(yōu)化4.1Matlab最優(yōu)求解對機器人大腿運動曲線進行求一次導(dǎo)、二次導(dǎo)和三次導(dǎo)，得a桿的角速度，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時刻的加加速度。在Matlab中編寫程序，得到O2點在不同高度下不同時刻的加加速度，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時刻各高度所對應(yīng)的加加速度的絕對值，并在Matlab中進行結(jié)果仿真，如圖3所示。根據(jù)表2及圖3可知，t=0s時j為常數(shù)，此后j的絕對值將逐漸減小，因此只需研究t=1s時刻各高度所對應(yīng)加加速度的絕對值。由圖3可知，當(dāng)h=500mm時，j1=0.000590981=1103，加加速度最小，運動最為平穩(wěn)。4.2結(jié)果驗證為驗證結(jié)果是否合適，對t=01s求其角速度，角加速度a以及加加速度j。此時視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)果進行仿真，得到此時的角速度，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，加加速度的絕對值逐漸減少趨向于0，保證機器人行走時做到平穩(wěn)減振，人體感覺自然舒適。此時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值仍=1103，這說明桿長和速度仍需要完善，應(yīng)對不同階段的速度及各個桿長進行優(yōu)化。在該種情況下，速度和高度均為未知數(shù)，對于這種多參數(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題是求泛函的極值問題和相應(yīng)的極值函數(shù)78。6結(jié)束語本文設(shè)計了一種可載人的腿式爬樓梯機器人結(jié)構(gòu)，通過加加速度的分析，用Matlab進行高度優(yōu)化及結(jié)果仿真，該機器人具有較大的平穩(wěn)性。經(jīng)多次試驗數(shù)據(jù)分析驗證，軟件評定結(jié)果與數(shù)學(xué)計算理論值基本一致，誤差1%。參考文獻1于蘇洋，王挺，王志東，等基于傾翻與滑移穩(wěn)定性準(zhǔn)則的輪椅機器人爬樓梯控制方法J儀器儀表學(xué)報，2014，35(3):6766842司躍元，趙新華，侍才洪，等輪履復(fù)合機器人行走機構(gòu)的設(shè)計及運動學(xué)分析J機械設(shè)計與制造，2013(7):1911933劉靜，趙曉光，譚民腿式機器人的研究綜述J機器人，2006，28(1):81884李樹榮，張強計算機數(shù)控系統(tǒng)光滑時間最優(yōu)軌跡規(guī)劃J控制理論與應(yīng)用，2012，29(2):1921985TonomuraA，EndoJ，MatsudaT，etalDemonstrationofsin-gleelectronbuildupofaninterferencepatternJAmeri-canJournalofPhysics，1989，57(2):1171206董水金，佘守憲關(guān)于加加速度的若干機械運動分析及Matlab模擬J大學(xué)物理，2005，24(2):57627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，20058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