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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)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

2、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

3、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=3n2pLpH，得出F=2，在此結(jié)構(gòu)中，大腿可帶動(dòng)小腿運(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

4、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LD1501MG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

5、)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)1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

6、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)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，角加速度a以及角加加速度j。為求得最優(yōu)高度h，

7、分別研究t=0s，t=0.01s，t=1s時(shí)刻的加加速度。在Matlab中編寫(xiě)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=1103，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=01s求其角速度，角加速度a以及加加速度j。此時(shí)視h=50

8、0mm為已知條件，在Matlab中編寫(xiě)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，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)值仍=1103，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)78。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)

9、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)報(bào)，2014，35(3):6766842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):1911933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):81884李樹(shù)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):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(jī)械運(yùn)動(dòng)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