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基于仿真条件下的连杆机构在仿生机械腿的应用设计.pdf
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1、科学教育与博物馆,2023,9(5)Science Education and Museumsdoi:10.16703/ki.31-2111/n.2023.05.012李岩,杨韬,刘方,等.基于仿真条件下的连杆机构在仿生机械腿的应用设计J.科学教育与博物馆,2023(5):91-99.基于仿真条件下的连杆机构在仿生机械腿的应用设计李岩杨韬刘方刘永斌舒玉恒合肥磐石智能科技股份有限公司0?引言仿生类科普展品是通过对自然界生物生命活动的相关特点进行概括总结并将原理加以迁移、模拟的一种展项。这类展项能够给观众很多启发,促进观众观察、分析、研究、掌握仿生学知识,并运用到各个工程技术领域。同时仿生类科普展
2、品具有很高的趣味性,深受观众喜爱。因此,仿生类展品一直是科技馆重要的展项种类之一1。袋鼠、兔子、犬类等动物的越障能力强。其非结构化环境适应性在星际探测、军事侦察及生命救援等领域展现了广阔的应用前景。制造腿式机器可以帮助人类理解行走和跑步的机理。将探索腿式机器运动和控制时产生的新的见解和理论用于指导生物学研究、提出生物学模型2。这种知识间的交叉与融合能促进科学思维的养成,并扩展相关从业者的思维疆域。因此,制造和展示腿式机器具有重要的价值。连杆机构更是众多机械结构里较为经典的一种,具有形状简单易加工、承载能力大、运动轨迹多样等优点,在科普展品中应用广泛3-4。但连杆机构的运动轨迹较难控制,设计难度
3、较大5。本文将双摇杆机构为基础设计了一种仿生腿,通过参数优化确定杆长参数。对所提模型的可跳跃性进行了仿真验证,并提出了基于接触力质心高度质心高度变化的控制策略实现机器人的连续弹跳。1?连杆式腿部机构设计平面连杆机构的轨迹设计即设计连杆使其上一点实现某一已知的轨迹。平面连杆机构中,杆件间的相对位置和杆件长度决定了轨迹曲线。通过改变杆件间的位置关系和杆件几何尺寸,可以使连杆曲线近似逼近预定的运动轨迹。研究连杆上某点或伸出点的轨迹曲线,可将该连杆视为轨迹机构。轨迹机构的设计方法一般有实验法、查阅连杆曲线图谱、使用轨迹上若干点位插值逼近法进行设计等6。图谱法将多变复杂的连杆曲线理清、分类,给出轨迹机构
4、所能实现的曲线,设计时以此为参考可以减少设计时间,打开设计思路。但是,图谱法的设计精度较低,不能控制设计误差。表 1 列举了能实现近似直线运动的 4 种经典机构图谱。解析法根据机构相对位置、几何关系建立非线性方程组,根据待定参数个数代入轨迹点进行求解。解析法得到的结摘要以双摇杆机构为基础设计了一种连杆式仿生机器人腿部机构,以垂直弹跳为优化目标进行连杆参数优化设计,对所提模型的可跳跃性进行了仿真验证,并提出基于接触力质心高度质心高度变化的控制策略实现机器人的连续弹跳。文章设计的腿部机构可作为科技馆仿生机器人(如袋鼠、兔子、犬类等)展项的设计参考。关键词科普展品仿生机器人连杆机构运动仿真参数化设计
5、展项研发91-科学教育与博物馆,2023,9(5)Science Education and Museums机构名称几何参数图谱双曲线型近似直线机构取,1.5,则中点 M 在行程为 的范围内(相应摆角40)的轨迹为近似直线罗伯特近似直线机构取0.584,0.593,在的垂直平分线上取1.112,则连杆上 M 点的轨迹为直线,若0.6,0.5,则点的轨迹为近似直线AB仪器用的一种近似直线机构取,则在曲柄转角时,M 点在 M1,M2 间作近似直线运动契贝雪夫近似直线机构取,2,2.5,则连杆上 M点的轨迹为近似直线果较为精确,但是求解过程复杂,即使求得结果,也要返回实际机构中对传动角、杆长比等力学
6、指标进行检验,以满足连杆传递力的要求7。解析法设计和验证过程耗时长,因此,常将两种方法混合使用,以综合两方法各自优点。本文的直线轨迹设计思路为:先结合图谱法确定部分机构参数和部分参数取值范围,再使用解析法(ADMAS 软件)优化部分参数。研究仿生机器人,不仅体现在对“形”(结构相似性)的追求上,也体现在对“神”(抽象出的、有利于运动形式的结构设计原则)的运用上。图 1(a)为犬类前腿骨骼示意图,其中,肩胛骨与肱骨的连接关节为髋关节,肱骨与尺骨的连接关节为膝关节,而尺骨与掌骨在趾关节处连接。据此,设计弹跳腿的关节放置顺序,弹跳腿的结构简图如图 1(b)。弹跳腿机构主体为一个双摇杆机构,是契贝雪夫
7、近似直线机构的变形。该机构包含机架 AB(对应图 1(b)中 3),摇杆 AD(2)、BC(4),连杆 CD 并将其伸长至 E 点(CDl5,CE 对 1),E 点轨迹即为足端轨迹。仿生弹跳腿与犬类前腿骨骼的联系,可描述为:表 1可实现近似直线运动的经典机构92-科学教育与博物馆,2023,9(5)Science Education and Museums杆 AB 为肩胛骨,将弹跳腿作为单腿跳跃模块,与其他模块组成多足弹跳机器人时,杆 AB 可作其他设计。杆 AD 为肱骨,杆 DE 为尺骨,省略掌骨;设计髋关节为主动关节,膝关节为被动关节,省略踝关节。杆 BC 不能在犬类前腿中找到对应,但设计
8、杆 BC能提高杆件传动的刚度,也能对杆的运动轨迹进行限制。弹跳腿在与地面接触过程中,机架处于浮动状态,足端与地面接触。足端 E 点与弹跳腿质心 A 点存在相对运动关系,假设弹跳腿在与地面接触过程中,AB 杆与水平面的夹角 保持不变,仅 CE 杆与水平面的夹角 变化且不与地面发生滑动,此时,将 AB 杆视为固定机架进行杆长优化。图 1(a)犬类前腿骨骼示意图(b)弹跳腿机构简图B根据机构自由度计算公式:其中n为可自由移动的构件数,PL为低副个数,PH为高副个数。代入单腿结构参数数值,求得自由度数为 1。当机构的机架为 AB 且固定,主动件数目为 1 时,机构将呈现确定的运动。2?连杆参数优化为了
9、从机构设计层面减少机器人弹跳腿的控制难度,本文以足端轨迹为过弹跳腿质心的垂直直线为优化目标进行连杆参数优化设计。弹跳腿在与地面接触过程中,机架处于浮动状态,足端与地面接触。假设 AB 杆为固定机架,且机构在弹跳过程中 保持不变,足端轨迹过质心可避免在跳跃平面方向的翻转。杆长优化问题描述如下:在线段 AB、BC、CE 长未知,点 D 在 CE 上位置未知,当 AD 沿固定点 A 逆时针转动时,点 E 偏离红色虚线(Y 轴)的水平位移尽可能小。使用 ADAMS 软件的“优化工具”处理上述问题。假设各点坐标为:A 为原点、B(DV1,DV2)、C(DV3,DV4)、E(DV5,DV6)、D(DV7,
10、DV8),其 中DV1 至DV8 代 表 坐 标 变 量。使 用“MM-CADS-MMFD”求解器,通过“RMS”均方根最小指标,对点 E 偏离 Y 轴的程度进行量度。根据弹跳腿机构简图,将杆 AB 和杆 BC 的长度比设定为 12,参照美系杜宾犬的仿生学特征,选取部分参数的值。美系杜宾犬的肩胛骨与水平面成 45,肩胛骨的角度与杜宾犬的敏捷性和力量相关、长度与杜宾犬的骨骼发育情况相关,取 3=129?mm,=45。根据已知长度比,取 4=266?mm。是1 与水平面的夹角,在运动过程可变,为了减少优化参数的个数,取=45。通过上述化简原则,将变量间的约束关系描述如下:经过迭代优化,将变量的小数
11、位数取为十分位,结果如表 2 所示。表 2变量优化结果一览表变量变量取值DV1DV2105.4DV3DV4-128.4DV5DV6-337.1DV7DV8-173.7取值74.4201.3-1.2163.4足端轨迹优化仿真如图 2 所示。红色方框框选部分显示足端轨迹,黑色虚线为理想轨迹,红色实线为优化后实际轨迹。仿真过程持续 4?s,施加于杆AD 上的角速度为逆时针 5/s,记录运行时间和足端坐标,绘制轨迹曲线。图 3 展示了足端轨迹水平方向位移情况,红色虚线代表水平方向理想位移,黑色实线代表仿真位移。以足端偏离理想位移左侧为负、右侧为正描述足93-科学教育与博物馆,2023,9(5)Scie
12、nce Education and Museums图 2足端轨迹优化仿真图端在水平方向的位移,弹跳腿从-1.2?mm 位置向左移动至-0.195?mm 处,再缓慢右移,于 2.5?s 到达右端 0.005?mm 处,之后左移。这样的优化结果符合以均方根最小为依据的优化条件,验证了优化方法的可行性。图 4 显示了足端轨迹竖直方向的位移情况,蓝色实线代表弹跳腿的仿真位移曲线,红色虚线代表线性拟合的曲线。弹跳腿从初始时-337?mm 抬升至结束时-196?mm,抬升高度为 139?mm。将图 4 中的竖直位移与运行时间进行线性拟合,得到方程:可知在 04s 内、连杆 AD 以已知转角旋转时,弹跳腿的
13、抬升高度与运行时间呈线性关系。图 3足端轨迹水平方向位移图图 4足端轨迹竖直方向位移图94-科学教育与博物馆,2023,9(5)Science Education and Museums3?机构设计与实现腿部机构设计如图 5 所示,应用上章优化得到的杆件长度设计弹跳腿。机构的主体由杆件构成,杆件 AD、BC 为“H”型且设有弹簧限位柱;杆件 AB 一端为电机连接箱体,杆 AD 一侧连接电机伸出轴、镜像侧与电机连接箱体有支承位置;杆件 CE 足端伸出的减震块可通过螺栓连接调整落地角度。图 5 中绿色箭头将关节位置标出:髋关节处添加直流无刷电机以补偿过程中的能量损失,膝关节处放置扭簧、足端接触位置
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