亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        基于張拉整體結(jié)構(gòu)的可移動折紙機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

        2021-10-16 00:58:52孫建偉李曉東

        孫建偉, 王 賀, 李曉東

        (1.長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 吉林 長春 130012;2.長春工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心, 吉林 長春 130012)

        0 引 言

        折紙機(jī)構(gòu)[1]最早起源于折紙藝術(shù),機(jī)構(gòu)學(xué)家從中受到啟發(fā),將紙板折疊可形成一定數(shù)目的折痕和紙板單元,將紙板單元等效為構(gòu)件,折痕等效為轉(zhuǎn)動副,紙板則等效為一個具體機(jī)構(gòu),即折紙機(jī)構(gòu)。在折紙機(jī)構(gòu)應(yīng)用中,目標(biāo)是利用折紙機(jī)構(gòu)具有質(zhì)量輕、存放體積小和便于運輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)特點[2-4]。

        近年來,很多國內(nèi)外學(xué)者與研究機(jī)構(gòu)依據(jù)折紙機(jī)構(gòu)提出多種行走機(jī)器人,并且在其設(shè)計、材料和制造方面做了大量工作[5-11]。其中將折紙機(jī)構(gòu)運用到仿生爬行類機(jī)器人的方法得到了深入研究[12-15]。但是對于折紙機(jī)構(gòu)的折疊驅(qū)動問題,由于機(jī)構(gòu)折疊順序、角度和方向等參數(shù)多,驅(qū)動相對困難,為折紙機(jī)器人折疊提供有效方法還比較少,因此,完善折紙機(jī)構(gòu)驅(qū)動的理論方法需要在完成有效折疊的同時,盡可能減少對折紙機(jī)構(gòu)折疊不影響的機(jī)構(gòu)參數(shù)。在折紙機(jī)構(gòu)中,剛性折紙機(jī)構(gòu)是應(yīng)用最為廣泛的。

        文中通過一種可爬行與轉(zhuǎn)向的折紙機(jī)器人為設(shè)計目標(biāo),在設(shè)計一種具有雙穩(wěn)態(tài)折紙機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出了將張拉整體結(jié)構(gòu)應(yīng)用到折紙機(jī)構(gòu)的驅(qū)動上,通過對張拉整體結(jié)構(gòu)驅(qū)動的折紙機(jī)器人建立結(jié)構(gòu)模型、運動仿真和搭建物理樣機(jī),實現(xiàn)折紙機(jī)器人的爬行與轉(zhuǎn)向。折紙機(jī)器人的長度可以完成從192 mm到144 mm的變化,理論展收比為0.75,爬行速度可達(dá)40 mm/s。

        1 折紙機(jī)構(gòu)折疊單元設(shè)計與分析

        標(biāo)準(zhǔn)單頂點五折痕構(gòu)型及折疊構(gòu)態(tài)如圖1所示。

        (a) 折疊單元平面展開 (b) 折疊單元折展圖1 單頂點五折痕

        將圖1中的五條折痕控制3條折痕轉(zhuǎn)角,可以確定兩種折紙機(jī)構(gòu)構(gòu)型形狀。折疊單元的折痕交點即頂點為n,Pi為第i個剛性平面,排序方向為逆時針。折痕分別為f1、f2、f3、f4、f5,其中f1、f2、f4為山折痕(折痕為山峰),f3和f5為谷折痕(折痕為山谷)。αij為折痕夾角,即折痕i與折痕j的夾角。該設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單,能夠?qū)崿F(xiàn)兩種折疊狀態(tài),完成可移動折紙機(jī)構(gòu)兩自由度移動構(gòu)想。

        坐標(biāo)變換過程如圖2所示。

        (a) 以z1為旋轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)變換 (b) 以x2為旋轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)變換圖2 坐標(biāo)變換過程

        將圖2中折痕內(nèi)交點作為原點,以f1為x1軸,方向由原點向外,y1軸垂直于x1軸,z1軸方向與各面垂直組成坐標(biāo)系。其中ρ1為折痕轉(zhuǎn)角,αij為折痕夾角。將坐標(biāo)系O-x1y1z1繞z1軸按逆時針方向轉(zhuǎn)動α12,得到O-x11y11z11,見圖2(a),變換后的x1與x2重合。再將坐標(biāo)系O-x11y11z11繞x2軸沿逆時針方向轉(zhuǎn)動ρ1,見圖2(b),得到O-x12y12z12。此時兩坐標(biāo)系O-x12y12z12與O-x2y2z2重合。同理,按照此類坐標(biāo)變換方式,將坐標(biāo)系O-x1y1z1分別繞z1、x2、z2、x3、z3、x4、z4、x5、z5、x1進(jìn)行10次旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換后,O-x1y1z1旋轉(zhuǎn)變換到與自身重合。

        將折痕夾角與折痕轉(zhuǎn)角的標(biāo)注簡化,折疊單元的折痕夾角與折痕轉(zhuǎn)角示意圖如圖3所示。

        (a) 折痕夾角 (b) 折痕轉(zhuǎn)角圖3 折疊單元的折痕夾角與折痕轉(zhuǎn)角示意圖

        由于谷折痕對稱且大小相等,文中定義谷折痕與水平面的夾角,即谷折痕轉(zhuǎn)動角為輸入角θ,為可控輸入值。由于折疊單元水平放置于地面,折疊單元折疊后的ln22n31、ln23n33分別與水平面接觸,即

        θ=π-ρ4。

        (1)

        為了避免折疊過程中相鄰兩剛性面間的結(jié)構(gòu)干涉,需要將折痕轉(zhuǎn)角ρ的范圍限制為

        -π<ρ<π。

        (2)

        通過坐標(biāo)系的多次旋轉(zhuǎn)變換聯(lián)系起來,可以得到折痕轉(zhuǎn)角關(guān)系方程

        Z(α12)X(ρ2)Z(α23)X(ρ3)Z(α34)X(ρ4)×Z(α45)X(ρ5)Z(α51)X(ρ1)=I,

        (3)

        式中:X(ρ)----繞x軸轉(zhuǎn)動ρ角的旋轉(zhuǎn)變換矩陣,

        (4)

        Z(α)----繞z軸轉(zhuǎn)動α角的旋轉(zhuǎn)變換矩陣,

        (5)

        I----單位矩陣,

        (6)

        分析建立了單頂點五折痕折紙機(jī)構(gòu)折痕轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系方程,對于折痕數(shù)為n的單頂點剛性折紙機(jī)構(gòu)構(gòu)型,均可使用該方法建立折痕轉(zhuǎn)角關(guān)系方程。

        2 可移動折紙機(jī)器人構(gòu)型設(shè)計

        折疊單元的兩種折疊構(gòu)態(tài)如圖4所示。

        圖4 兩種折疊構(gòu)態(tài)

        單頂點折紙機(jī)構(gòu)的自由度等于折痕總數(shù)減3,則對于折痕數(shù)為5的單頂點折紙機(jī)構(gòu),在確定任意2個折痕轉(zhuǎn)角之后,剩余3個折痕轉(zhuǎn)角可通過式(1)求得。為了保證可移動折紙機(jī)器人行走的穩(wěn)定性和可雙向移動的對稱性,折疊單元在折疊運動時折痕夾角α51=α23,α34=α45和折痕轉(zhuǎn)角ρ1=ρ2,ρ3=ρ5。

        其中,如圖4中折疊構(gòu)態(tài)2,由于折痕夾角α51=α23,α34=α45和折痕轉(zhuǎn)角ρ1=ρ2,ρ3=ρ5,建立各折痕轉(zhuǎn)角的關(guān)系方程見式(3)。

        式中

        (7)

        其中,ρ4可由輸入角θ得到,ρ1可由厚板化折紙機(jī)構(gòu)確定。即ρ1(ρ2)、ρ4為已知折痕轉(zhuǎn)角,建立如下各折痕轉(zhuǎn)角關(guān)系方程

        Z(α12)X(ρ1)Z(α23)X(ρ3)Z(α34)X(ρ4)×

        Z(α45)X(ρ3)Z(α51)X(ρ1)=I。

        其中各折痕夾角為已知,即當(dāng)α12=90°、α23=α51=45°、α45=α51=90°時,求取折痕夾角ρ3(ρ5)

        (8)

        在折痕轉(zhuǎn)角ρ1(ρ2)、ρ4確定時,ρ3(ρ5)可以由式(6)得出,既而得到單頂點五折痕折疊單元的折疊構(gòu)態(tài)。

        經(jīng)計算得出α12為90°時,折疊單元有效折疊最高,采用α12為90°的折疊單元,在確定輸入角θ和折痕轉(zhuǎn)角ρ1可求出其余折痕轉(zhuǎn)角,見表1。

        表1 α12=90°時折痕夾角下折痕轉(zhuǎn)角計算結(jié)果 (°)

        建立可移動折紙機(jī)器人數(shù)學(xué)模型,在單頂點五折痕折紙機(jī)構(gòu)構(gòu)型的基礎(chǔ)上,對折疊單元進(jìn)行改進(jìn),使得折疊單元更加適合組裝的同時,保持了剛性折疊的特性,為折疊單元拼接和機(jī)器人剛性折疊運動做基礎(chǔ)。單頂點五折痕折疊單元結(jié)構(gòu)性對稱,重復(fù)性強(qiáng),參考系坐標(biāo)易于選取,空間各點在折痕轉(zhuǎn)角關(guān)系方程下得到,可以完成折疊單元建模,如圖5所示。

        (a) 折疊單元構(gòu)態(tài)1

        (b) 折疊單元構(gòu)態(tài)2圖5 折疊單元建模

        將兩組折疊單元組合可實現(xiàn)兩種對稱折疊穩(wěn)態(tài),如圖6所示。

        (a) 前后足 (b) 左右足圖6 兩折疊單元組成的兩種折疊構(gòu)態(tài)

        折紙機(jī)器人折疊模型如圖7所示。

        圖7 折紙機(jī)器人折疊構(gòu)型

        在前后行走時,前后足與地面接觸,左右足抬起;在左右行走時,左右足與地面接觸,前后足抬起。行走時減少了機(jī)器人其余部分與地面的摩擦,減少能量損耗,提升行走速度。

        3 基于張拉整體結(jié)構(gòu)的可移動折紙機(jī)器人行走實驗

        3.1 折痕夾角與折痕轉(zhuǎn)角選擇

        不同折痕夾角的折疊單元如圖8所示。

        圖8 不同折痕夾角的折疊單元

        根據(jù)折疊單元構(gòu)型展收比最佳原則,以及考慮折紙機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性對不同折痕夾角的折疊構(gòu)型進(jìn)行選擇。圖8是折痕夾角α12分別為120°、90°、60°的折紙機(jī)構(gòu)單元,對應(yīng)的折痕夾角α23(α51)分別為30°、45°、60°。

        基于張拉整體驅(qū)動的折紙機(jī)器人,由于張拉整體結(jié)構(gòu)尺寸的限制與實際裝配要求,折紙機(jī)器人行徑(展收比)不僅與折痕轉(zhuǎn)角和張拉單元的位置關(guān)系有關(guān),還受到折紙機(jī)構(gòu)構(gòu)型與張拉整體結(jié)構(gòu)驅(qū)動單元位置關(guān)系的影響。張拉整體結(jié)構(gòu)驅(qū)動如圖9所示。

        圖9 張拉整體結(jié)構(gòu)

        根據(jù)不同姿態(tài)下的張拉整體結(jié)構(gòu)驅(qū)動單元與折紙機(jī)構(gòu)的位置約束條件,匹配合適的軌道拉簧組合。其中短拉簧長度為l1i(i=1,2,3,4)、長拉簧長度為l1j(j=1,2,3,4)、短導(dǎo)軌長度為ld。傳動限位結(jié)構(gòu)的不等式約束條件如下:

        (9)

        (10)

        ld>l11。

        (11)

        其中張拉整體結(jié)構(gòu)驅(qū)動中最大拉伸夾角θ3為短導(dǎo)軌與長拉簧的極限接觸位置,即

        (12)

        式中:r1----短導(dǎo)軌半徑;

        d1----短導(dǎo)軌與拉簧極限接觸時短導(dǎo)軌到端點的距離。

        3.2 彈簧剛度匹配

        折紙機(jī)器人質(zhì)量很輕,垂直方向上所受重力可以忽略不計,只需計算水平方向上的受力分析即可,從而進(jìn)行相應(yīng)彈簧剛度匹配。根據(jù)平行四邊形定則,折紙機(jī)器人完全展開姿態(tài)時每組張拉驅(qū)動單元中各彈簧水平方向的合力最小,隨著折紙機(jī)器人折疊姿態(tài)逐步收攏,各彈簧受到合力逐漸減小。因此,匹配的彈簧剛度只要能夠保證折紙機(jī)器人在完全展開姿態(tài)時穩(wěn)定運行,就可以滿足其他姿態(tài)下折紙機(jī)器人的穩(wěn)定行走。

        令實驗折紙機(jī)器人驅(qū)動電機(jī)輸入力為F輸入, 短彈簧受到拉力為Fi(i=1,2,3,4),彈簧剛度系數(shù)為Ki,短彈簧變化量為Δl1i=l1i-l1i*,彈簧EF受到拉力為FEF。長彈簧受到拉力為Fj(j=1,2,3,4),彈簧剛度系數(shù)為K2,長彈簧變化量為Δl1j=l1j-l1j*,彈簧AB受到拉力為FAB。由胡克定律得到:

        Fi=K1Δl1i,

        (13)

        Fj=K2Δl2j。

        (14)

        由于垂直方向上的作用力為折疊折紙機(jī)器人所需力,這里將折痕視為零厚度,垂直方向上的折疊所需力為零,即只分析水平方向力即可。

        當(dāng)完全展開時,A點水平方向靜力平衡方程為

        FAB=FACcosθ1=2K1Δl1icosθ1。

        (15)

        當(dāng)輸入力F輸入作用在A點時,A點水平方向靜力平衡方程為:

        (16)

        (17)

        式(15)~式(17)中Δl1i不等,得到:

        (18)

        (19)

        根據(jù)式(15)~式(17)得到:

        (20)

        (21)

        分別將α12、α23、α34、ρ1、ρ4、θ、θ1、θ2、li1(i=1,2,3)、F輸入等代入式(1)~式(21),并利用Matlab計算得出可移動折紙機(jī)器人的具體參數(shù),見表2。

        表2 折紙機(jī)器人參數(shù)

        3.3 折紙機(jī)器人驅(qū)動部分設(shè)計及整體實驗

        機(jī)構(gòu)的收縮狀態(tài)如圖10所示。

        根據(jù)可移動折紙機(jī)構(gòu)的運動幾何特性,由式(1)和式(3)可知,通過改變θ即可控制折紙機(jī)構(gòu)的折疊狀態(tài),而在其對稱面Pi上,點n22、n24、n42、n4始終共線且相鄰兩點間的直線變換距離相同,這些點的運動規(guī)律恰好可由張拉整體結(jié)構(gòu)中兩桿張拉機(jī)構(gòu)實現(xiàn)。因此,可通過控制兩桿張拉整體結(jié)構(gòu)的張拉特性來驅(qū)動折紙機(jī)構(gòu)的折展運動,并用于可移動折紙機(jī)器人的設(shè)計,在CATIA軟件中建立虛擬樣機(jī)模型,得到機(jī)構(gòu)的收縮狀態(tài)見圖10(a)。兩桿張拉機(jī)構(gòu)與折紙機(jī)構(gòu)之間是通過將折紙機(jī)構(gòu)從零厚度到厚板化后,將張拉整體結(jié)構(gòu)驅(qū)動嵌入厚板折紙機(jī)構(gòu)中,見圖10(b)。

        (a) 折紙機(jī)器人的折展

        (b) 張拉整體結(jié)構(gòu)嵌入式安裝圖10 機(jī)構(gòu)的收縮狀態(tài)

        利用3D打印機(jī)打印出厚板構(gòu)件,使用小鉸鏈和兩組拉簧完成折紙機(jī)器人的裝配。完成樣機(jī)實物模型的搭建,如圖11所示。

        (a) 機(jī)器人樣機(jī)的平面展開

        (b) 機(jī)器人樣機(jī)的折疊圖11 3D打印厚板折紙機(jī)器人

        在折紙機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,還需要加上驅(qū)動模塊為機(jī)器人提供動力,驅(qū)動張拉整體結(jié)構(gòu)形變,進(jìn)而實現(xiàn)折紙機(jī)器人的折疊。

        折紙機(jī)器人爬行如圖12所示。

        圖12 折紙機(jī)器人爬行

        折紙機(jī)器人包括一組張拉驅(qū)動單元、厚板化的折紙機(jī)構(gòu)、類棘輪機(jī)構(gòu)足和舵機(jī)。張拉整體結(jié)構(gòu)驅(qū)動的可移動折紙機(jī)器人運動原理是在確定運動方向后,折紙機(jī)構(gòu)完全展開時電機(jī)轉(zhuǎn)動開始驅(qū)動,電機(jī)轉(zhuǎn)動可以拉動繩索,繩索的另一端通過與特定折紙機(jī)構(gòu)構(gòu)件固定,帶動張拉整體結(jié)構(gòu)驅(qū)動拉簧收縮,進(jìn)而減小張拉驅(qū)動機(jī)構(gòu)運動方向上的長度,即實現(xiàn)折紙機(jī)構(gòu)的折疊運動。又由于折紙機(jī)器人足部具有類棘輪機(jī)構(gòu),可實現(xiàn)折紙機(jī)器人運動。同理,在折紙機(jī)器人轉(zhuǎn)向時,改變驅(qū)動電機(jī)即可。

        4 結(jié) 語

        基于折紙機(jī)構(gòu)提出一種創(chuàng)新型雙穩(wěn)態(tài)單頂點五折痕折紙機(jī)構(gòu)單元,通過機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計制造可移動折紙機(jī)器人。張拉整體結(jié)構(gòu)驅(qū)動的可移動折紙機(jī)器人具有兩個主要特征:一是折紙機(jī)構(gòu)方便運輸和所占空間小等優(yōu)點;二是具有張拉整體機(jī)構(gòu)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性好和機(jī)構(gòu)剛度大的特點,通過主動改變折紙機(jī)構(gòu)的輸入角,可以實現(xiàn)穩(wěn)定行走與轉(zhuǎn)向。通過搭建物理樣機(jī),證明張拉驅(qū)動的折紙機(jī)器人能夠穩(wěn)定折疊與展開,并且可以在展開后實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能,張拉整體機(jī)構(gòu)拓寬了足式行走機(jī)構(gòu)自適應(yīng)性的研究。

        中文字幕亚洲欧美在线不卡| 在线免费观看视频播放| 性感的小蜜桃在线观看| 色欲色香天天天综合网www| 午夜无码伦费影视在线观看| 欧美精品在线一区| 日本岛国一区二区三区| 自拍偷自拍亚洲精品第按摩| 一区二区三区乱码在线 | 欧洲| 可以免费观看的毛片| 中文字幕日本人妻一区| 日本黄色3级一区二区| 日产学生妹在线观看| 国产精品多人P群无码| 日本经典中文字幕人妻| 国产乱精品女同自线免费| 国产精品亚洲αv天堂无码| 亚洲午夜精品久久久久久一区| av蜜桃视频在线观看| 亚洲毛片一区二区在线| 亚洲av综合永久无码精品天堂| 五月天丁香久久| 日本在线视频二区一区| 亚洲国产精品高清一区| 国产亚洲精品aaaaaaa片| 成年女人在线观看毛片| 久久久人妻精品一区bav| 婷婷色香五月综合缴缴情| 久久国产精品久久精品国产| 日本啪啪一区二区三区| 久久狼精品一区二区三区| 又长又大又粗又硬3p免费视频| 久久久久久国产精品免费网站| 日韩手机在线免费视频| 国产三级视频一区二区| 激情五月婷婷一区二区| 青青草97国产精品免费观看| 2020国产精品久久久久| 日韩美女av一区二区| 成人国产精品一区二区视频 | 久久综合丝袜日本网|