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

        ?

        四足機(jī)器人五桿單腿機(jī)構(gòu)性能分析及軌跡規(guī)劃

        2022-08-19 11:01:34董小閔安國鵬于建強(qiáng)
        機(jī)械設(shè)計與制造 2022年8期
        關(guān)鍵詞:規(guī)劃

        董小閔,安國鵬,于建強(qiáng),彭 霄

        (1.重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,重慶400044;2.重慶大學(xué)自動化學(xué)院,重慶400044)

        1 引言

        四足機(jī)器人的腿部結(jié)構(gòu)既支撐本體,又作為運(yùn)動部分驅(qū)動機(jī)體移動,直接影響機(jī)器人的運(yùn)動性能與承載能力,是機(jī)器人設(shè)計的關(guān)鍵[1]。其包含腿部構(gòu)型的設(shè)計以及驅(qū)動方式的選取,應(yīng)滿足具有較好的承載能力以及較小的運(yùn)動慣量,同時具有較大的足端工作范圍[2]。針對這些設(shè)計要求,目前常見的四足機(jī)器人腿部構(gòu)型有串聯(lián)式、并聯(lián)式以及混聯(lián)式三種,針對不同的構(gòu)型其具有不同的特性。其中,串聯(lián)式多為開環(huán)關(guān)節(jié)連桿機(jī)構(gòu),由大腿、小腿以及髖關(guān)節(jié)組成,仿照四足動物腿部關(guān)節(jié)的布置形式有膝式與肘式兩種[3],如國外某公司開發(fā)的Little Dog、Big Dog 等系列機(jī)器人,腿部構(gòu)型均采用串聯(lián)機(jī)構(gòu),具有較塊的移動速度,為提高其承載能力采用高輸出功率的液壓驅(qū)動方式[4],從而導(dǎo)致機(jī)器人單腿質(zhì)量較大。對于并聯(lián)機(jī)構(gòu),具有較大的載重自重比,如文獻(xiàn)[5]助老四足可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)器人,每條腿有三個電機(jī)集中在機(jī)身上,減小腿部慣性,但是足端工作范圍較小,移動速度較慢。對于混聯(lián)機(jī)構(gòu),融合了串聯(lián)與并聯(lián)兩種構(gòu)型,兼具二者的優(yōu)勢,如上海交通大學(xué)設(shè)計的四足小象機(jī)器人,具有較優(yōu)的承載能力以及各向同性[6],但是其腿部桿件較多,動力學(xué)模型的建立以及控制系統(tǒng)的搭建較為復(fù)雜。

        從目前的研究現(xiàn)狀來看,一個性能較優(yōu)的腿部構(gòu)型應(yīng)具備低慣量[7]、大負(fù)載、大工作范圍以及較少的桿件數(shù)量,針對這些要求,提出一種五桿機(jī)構(gòu)的腿部構(gòu)型,對其負(fù)載能力進(jìn)行分析,并與串聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行對比,由于引入了閉鏈機(jī)構(gòu),對其靈巧性進(jìn)行研究,在此基礎(chǔ)上對其進(jìn)行足端軌跡規(guī)劃,將其軌跡規(guī)劃在靈巧性較高的區(qū)域,確保機(jī)構(gòu)具有較優(yōu)的輸入與輸出傳遞特性,并通過虛擬樣機(jī)仿真以及實物平臺的實驗驗證規(guī)劃的有效性。

        2 五桿單腿機(jī)構(gòu)設(shè)計與性能分析

        2.1 五桿單腿機(jī)構(gòu)設(shè)計

        由于閉鏈機(jī)構(gòu)具有較好的承載能力,因此將五桿機(jī)構(gòu)融入到機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)中,如圖1(a)所示。圖中A、E兩處為動力源,AB與DE為主動桿,驅(qū)動BC與DC桿帶動足端F在矢狀面的擺動,驅(qū)動3 實現(xiàn)足端F在橫斷面的擺動。其在矢狀面的機(jī)構(gòu)簡圖,如圖1(b)所示。ABCDE組成一個平面五桿閉鏈機(jī)構(gòu),自由度為2,驅(qū)動1 與驅(qū)動2 協(xié)同控制C點(diǎn)運(yùn)動,通過CF起到位移放大作用,以提高足端工作范圍,為提高與地面的適應(yīng)能力,以球鉸作為足端踝關(guān)節(jié)。

        圖1 單腿機(jī)構(gòu)簡圖Fig.1 Schematic of the Leg Structure

        該機(jī)構(gòu)將腿部驅(qū)動系統(tǒng)集中在機(jī)身上,降低了腿部運(yùn)動慣量,為進(jìn)一步分析引入閉鏈機(jī)構(gòu)對負(fù)載能力以及靈巧性的影響,需要建立其運(yùn)動學(xué)模型,求解驅(qū)動輸入角度空間與足端輸出位置空間的映射關(guān)系。各桿桿長以及初始角度,如圖1(b)所示。建立機(jī)身坐標(biāo)系,采用代數(shù)法得到該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)正解模型為:

        其中,各參數(shù):

        其中,B與D點(diǎn)坐標(biāo)均為θ1、θ2的函數(shù)。

        其運(yùn)動學(xué)逆解模型為:

        其中,各參數(shù)為:a1= -2l1xF;b1= 2l1yF;c1=x2F+y2F+l21-(l4+l5)2。

        其中,a3= 2l2(n+x);b3= 2l2(y-m);c3= -((x+n)2+(y-m)2+(l22-l23));其中,x=xF-l5cosθ4,y=yF-l5sinθ4,θ4求得為:

        由式(1)~式(4)得到該機(jī)構(gòu)輸入角度與輸出位置的關(guān)系,為后文的機(jī)構(gòu)性能分析以及軌跡規(guī)劃提供理論基礎(chǔ)。

        2.2 五桿單腿機(jī)構(gòu)性能分析

        2.2.1 動態(tài)靜力學(xué)分析

        由于單腿構(gòu)型中閉鏈機(jī)構(gòu)輸入為兩個獨(dú)立驅(qū)動協(xié)調(diào)工作,驅(qū)動之前不會互成負(fù)載,對其進(jìn)行動態(tài)靜力學(xué)分析來確定機(jī)構(gòu)驅(qū)動力矩與驅(qū)動角度之間的關(guān)系。由達(dá)朗貝爾原理可知該機(jī)構(gòu)在慣性力與外力的作用下構(gòu)件可認(rèn)為處于平衡狀態(tài),由于該腿部質(zhì)量較小,可忽略慣性力,轉(zhuǎn)化為靜力學(xué)問題。

        如圖2(a)所示,外力為地面的支撐反力FN,驅(qū)動力矩為T1,T2,選取θ1,θ2為廣義坐標(biāo),外力的虛功W為:

        圖2 單腿機(jī)構(gòu)受力圖Fig.2 The Force of the Leg Structure

        F點(diǎn)的縱向虛位移由式(1)求得:

        由閉鏈機(jī)構(gòu)的矢量方程得到其位移微分方程為:

        結(jié)合式(5)~式(7),求得靜態(tài)驅(qū)動力矩為:

        常見的串聯(lián)腿部機(jī)構(gòu),如圖2(b)所示。為前肘后膝式,取兩節(jié)腿長均為L,其靜態(tài)驅(qū)動力矩與肘關(guān)節(jié)角度θ1以及小腿入地角度θ2關(guān)系為:

        其中,F(xiàn)1=Fsinθ2;F2=Fcosθ2。

        連桿l1,l2,l3,l4,l5長度為60mm,65mm,60mm,75mm,100mm,取串聯(lián)桿長L為90mm,使得二者機(jī)身高度基本一致,θ1,θ2的變化范圍為(20~70)°,外力均為25N,得到靜力矩,如圖3、圖4所示。從圖3、圖4可知,五桿機(jī)構(gòu)腿部構(gòu)型靜力矩的最大值為3.5Nm,小于串聯(lián)腿部構(gòu)型的6.5Nm,其變化范圍也較小,在相同外載荷下需要較小的驅(qū)動力矩,表明能耗較小,在相同驅(qū)動力矩下可承擔(dān)較大的外載,具有較大的負(fù)載能力。

        圖3 五桿機(jī)構(gòu)靜力矩Fig.3 Static Torque of Five-Bar Mechanism

        圖4 串聯(lián)機(jī)構(gòu)靜力矩Fig.4 Static Torque of Series Mechanism

        2.2.2 速度靈巧性分析

        由于引入閉鏈機(jī)構(gòu),需要對其靈巧性進(jìn)行研究,以得到工作范圍內(nèi)的靈巧性較高的區(qū)域來規(guī)劃足端軌跡。靈巧性通常采用機(jī)構(gòu)末端速度雅各比矩陣的條件數(shù)K(J)作為評價指標(biāo)[8],為簡化計算可以采用條件數(shù)的導(dǎo)數(shù)ε來描述[9],其在(0~1)之間,越大表明靈巧性越好。

        由于研究為五桿腿部機(jī)構(gòu)在矢狀面的靈巧性,因此僅對其速度靈巧性進(jìn)行分析。

        即:

        其中,速度雅各比矩陣Jv由式(1)推導(dǎo)可得為:

        由于桿件AB、CD在第一三象限擺動,取θ1,θ2的最大變化范圍為(0~90)°,得到其速度靈巧性分析情況,如圖5所示。由圖可知靈巧性最大可達(dá)0.55,驅(qū)動1 在(25~50)°之間,驅(qū)動2 在(40~75)°之間時靈巧性均在0.5左右,具有較好的速度輸入與輸出傳遞特性。

        圖5 速度靈巧性空間Fig.5 Dexterity Space of Speed

        3 足端軌跡規(guī)劃與仿真

        3.1 足端軌跡規(guī)劃

        采用改進(jìn)后的復(fù)合擺線軌跡作為足端軌跡進(jìn)行規(guī)劃,其在足端著地時水平與豎直方向速度為0,可實現(xiàn)軟著陸,以較小地面的沖擊力,其軌跡方程[10]如下所示:

        式中:S—步長;H—抬腿高度;Tm—擺動相周期。

        當(dāng)驅(qū)動1與驅(qū)動2角度變化范圍為(20~70)°時得到足端軌跡工作范圍,如圖6(b)所示。其在豎直方向范圍為75mm,在水平方向范圍為160mm,在此桿長約束條件下具有相對較大的工作范圍,其中綠色部分為上文分析得到靈巧性在0.5左右的區(qū)域。

        圖6 足端軌跡規(guī)劃情況Fig.6 Trajectory Planning of the Foot

        取足端軌跡S為40mm,H為20mm,擺動相周期支撐相周期均取0.3s,得到足端軌跡,如圖6(a)所示。選取靈巧性最高時θ1為30°,θ2為50° 作為腿部機(jī)構(gòu)的初始姿態(tài),其落腳點(diǎn)為A點(diǎn),規(guī)劃得到前腿與后腿的機(jī)身坐標(biāo)系下的軌跡,如圖6(b)所示。前腿擺動相從A沿擺線至B,支撐相從B沿直線到A,后腿沿AC與此相同。由圖可知,足端軌跡基本包含在靈巧性在0.5左右的區(qū)域范圍內(nèi)。

        3.2 單腿軌跡仿真

        建立機(jī)器人單腿結(jié)構(gòu)虛擬樣機(jī),由運(yùn)動學(xué)逆解求得驅(qū)動角度的變化情況,如圖7 所示。圖中驅(qū)動1 與驅(qū)動2 為驅(qū)動函數(shù),在ADAMS中仿真得到前腿后腿軌跡,如圖8所示。

        圖7 單腿驅(qū)動角度與各關(guān)節(jié)角度Fig.7 Single Leg Drive Angle and Joint Angle

        圖8 單腿軌跡仿真Fig.8 Simulation of Single Leg Trajectory

        由仿真軌跡驗證了運(yùn)動學(xué)模型求解的正確性以及軌跡規(guī)劃的有效性,運(yùn)動過程中各個關(guān)節(jié)的角度變化情況,如圖7 所示??芍麝P(guān)節(jié)角位移角速度均平滑無突變,具有較好的運(yùn)動性能。

        4 單腿軌跡跟蹤實驗

        4.1 單腿實驗平臺

        為了進(jìn)一步驗證該機(jī)構(gòu)設(shè)計以及軌跡規(guī)劃的可行性,搭建單腿試驗平臺,采用輕質(zhì)鋁合金材料,加工機(jī)器人單腿物理樣機(jī)。采用DYNAMIXEL 系列下的XM 舵機(jī)作為驅(qū)動源,主控制器為U2D2,舵機(jī)通過電源適配器經(jīng)電源模塊進(jìn)行供電,如圖9(a)所示。單腿控制系統(tǒng),如圖9(b)所示。通過PC發(fā)送指令給主控制器,主控制器轉(zhuǎn)化為指令包通過TTL半雙工異步通信方式發(fā)送給舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動,同時舵機(jī)將轉(zhuǎn)動角度、溫度等信息狀態(tài)包發(fā)送給主控制器,主控制器轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)包反饋給PC,由于需要監(jiān)測足端位置的運(yùn)動情況,因此需要采集驅(qū)動舵機(jī)的角度信息,利用內(nèi)置角度傳感器讀取實時舵機(jī)的角度值。

        圖9 單腿實驗平臺Fig.9 Experimental Platform of the Single Leg

        4.2 單腿軌跡實驗

        在搭建的實驗平臺中進(jìn)行足端軌跡實驗,實驗過程,如圖10所以。通過角度傳感器采集驅(qū)動角度的變化情況。將其帶入運(yùn)動學(xué)模型中,得到實際足端軌跡與理想足端軌跡對比情況,如圖11所示。從圖11可知利用采集到的角度信息求得足端軌跡基本與理想軌跡重合,可能關(guān)節(jié)間存在摩擦等因素導(dǎo)致有一些抖動情況,圖10中得到實際軌跡步長約為47mm,步高約為24mm,均大于規(guī)劃值,這可能是由于桿件加工的尺寸誤差累積導(dǎo)致足端軌跡偏差,整體實驗軌跡基本與規(guī)劃一致,進(jìn)一步驗證了機(jī)構(gòu)設(shè)計的合理性與規(guī)劃的正確性。

        圖10 單腿軌跡跟蹤Fig.10 The Movement Tracking of Single Leg

        圖11 軌跡跟蹤對比情況Fig.11 Comparison of Trajectory Tracking

        5 結(jié)論

        為結(jié)合四足機(jī)器人串聯(lián)腿部構(gòu)型工作范圍大、靈活性高與并聯(lián)腿部構(gòu)型負(fù)載能力強(qiáng)的特點(diǎn),提出一種基于五桿機(jī)構(gòu)的腿部構(gòu)型,以較少的桿件來降低協(xié)調(diào)控制的復(fù)雜度,對其負(fù)載性能進(jìn)行分析,并與常見串聯(lián)腿部構(gòu)型進(jìn)行對比,在相同外載荷的情況下所需驅(qū)動力矩遠(yuǎn)小于串聯(lián)機(jī)構(gòu),具有大負(fù)載比與低能耗性。在運(yùn)動學(xué)基礎(chǔ)上對其速度靈巧性空間進(jìn)行分析,其最高靈巧性值可達(dá)0.55,并將足端復(fù)合擺線軌跡規(guī)劃在靈巧性0.5以上的足端工作范圍內(nèi),具備較優(yōu)的速度傳遞特性。最后通過單腿虛擬樣機(jī)以及實物平臺實驗驗證了機(jī)構(gòu)設(shè)計的可行性以及規(guī)劃的有效性,為下一步整體大負(fù)載比的機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃與研究奠定基礎(chǔ)。

        猜你喜歡
        規(guī)劃
        我們的規(guī)劃與設(shè)計,正從新出發(fā)!
        “十四五”規(guī)劃開門紅
        “十四五”規(guī)劃建議解讀
        發(fā)揮人大在五年規(guī)劃編制中的積極作用
        規(guī)劃計劃
        規(guī)劃引領(lǐng)把握未來
        快遞業(yè)十三五規(guī)劃發(fā)布
        商周刊(2017年5期)2017-08-22 03:35:26
        基于蟻群算法的3D打印批次規(guī)劃
        多管齊下落實規(guī)劃
        十三五規(guī)劃
        華東科技(2016年10期)2016-11-11 06:17:41
        国产av日韩a∨亚洲av电影| 漂亮人妻洗澡被公强 日日躁| 99久热在线精品视频观看| 欧洲成人午夜精品无码区久久| 亚洲色欲Aⅴ无码一区二区| 亚洲av一二三四又爽又色又色| 老熟女富婆激情刺激对白| 丰满岳乱妇一区二区三区| 国产精品厕所| 人成视频在线观看免费播放| 国产性虐视频在线观看| 加勒比特在线视频播放| 精品国产亚洲av高清大片| 18禁真人抽搐一进一出在线| 香蕉色香蕉在线视频| 亚洲国产欲色有一二欲色| 免费av在线 国产精品| 无套内射在线无码播放| 青青草97国产精品免费观看| 粗大挺进尤物人妻一区二区 | 天天做天天爱天天爽综合网| 毛片无遮挡高清免费久久| 国产免费一区二区三区在线观看| 亚洲一区二区三区小说| 毛茸茸的中国女bbw| 国产一区二区a毛片色欲 | 亚洲日韩国产精品乱-久| 国产亚洲精品成人无码精品网站| 亚洲欧美国产成人综合不卡| 91久久国产香蕉熟女线看| 成人欧美日韩一区二区三区| 六月婷婷国产精品综合| 黑人一区二区三区啪啪网站| 国产一区国产二区亚洲精品| 中文字幕在线观看亚洲日韩| 欧美日韩中文字幕久久伊人| 人妻少妇中文字幕久久hd高清| 精品人妻av区乱码| 国产精品国语对白露脸在线播放 | 国产精品高潮呻吟av久久4虎| 国产精品女丝袜白丝袜|