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双足载人机器人的结构设计

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摘要

针对轮椅在跨越楼梯、台阶、沟壑等障碍时不便的问题,结合腿式机器人,文中提出了一种新式双足载人机器人的行走机构设计方案。对机器人的行走机构进行了结构设计,其控制简单,仅具有两个自由度。同时为了得到使人体感觉最舒适的乘坐高度,对机器人大腿结构的运动曲线进行三次求导得到加加速度,并通过对加加速度的绝对值分析,确定最优高度。同时,利用Matlab对结果进行仿真,验证了该机器人机构的运动平稳性。经多次试验数据分析,软件评定结果和数学计算理论值基本一致,误差≤1%。

关键词

机器人;自由度;高度优化;加加速度

轮椅是年老体弱者及下肢伤残者必不可少的代步工具,随着无障碍设施的增多,轮椅使用者的活动范围逐步加大,但楼梯、台阶、沟壑等障碍却使轮椅的行动受到限制[1]。移动机器人在非结构环境中的运动特性一直是机器人技术研究的热点问题。目前,机器人有3种类型的移动结构:轮式、履带式和腿式[2]。轮式机器人结构简单、速度快、控制方便、运动稳定、耗能低,但其不适合于跨越像楼梯等障碍,越障能力较差。履带式机器人有着较强的地形适应能力,但由于摩擦阻力较大,因此耗能高且运动速度低。腿式机器人是最灵活的运动机构,但具有复杂的机械结构并且不易控制。攀爬楼梯是移动机器人适应非结构化环境所必备的功能之一,也是乘坐轮椅最难跨越的障碍。针对轮椅跨越障碍时的不足和腿式机器人行走时的灵活性,结合两者提出了一种双足载人机器人的行走机构。

1机械人腿部结构

腿式机器人的腿部可具有多个自由度,使运动的灵活性大幅增强,其可通过调节腿的长度保持身体水平,也可通过调节腿的伸展程度调整重心的位置,因此不易翻倒,且稳定性更高[3]。根据要求,提出一种连杆结构方式,结构简图如图1所示。其中,n=8,pL=11,pH=0。根据自由度的计算公式F=3n-2pL-pH,得出F=2,在此结构中,大腿可带动小腿运动,反之亦可,则需两个舵机分别驱动。

2舵机的选用

舵机主要包括模拟舵机和数字舵机。模拟舵机,需要不断地PWM信号才可保持锁定角度;数字舵机,只需发送一个信号就能锁定角度不变,控制精度高、线性度好,输出角度准确且响应速度快。在处理抖动和越位方面更方便精准,数字舵机的加、减速更柔和,更平滑,能更有效地为电机提供启动所需转矩。本文选用LD-1501MG机器人专用舵机,该舵机扭力大、速度快、噪音低,虚位和死区都特别小,断电可用手扭动360°,上电控制可180°精确转动,适合做中高端机器人,具体参数如表1所示。

3机械腿位置控制求解

为使人坐在上面时可平稳前进,需尽量保持重心高度不变,即保持平动。所以,要求大腿前端始终应该与地面平行。即O2点应减少上下波动,沿着水平线l2平移。根据要求,在AutoCAD中做出结构简图,如图2(a)所示。令O2A=a=300mm,O1A=b=300mm。建立如图2(a)所示模型,为进一步研究O2点的运动特征,以O1为坐标原点建立坐标系,如图2(b)所示。要保证人体感觉舒适,重点对与其相接触的O2A杆进行分析,因此主要分析式(2)。但直接根据φ1的变化无法准确描述O2点的波动情况,在此对式(2)进行3次求导,得到O2A杆终端加速度的变化率,称为加加速度[4]。加速度的时间变化率只在少数国外物理教材中简略地提到,因一般均认为加速度a的时间变化率并不重要[5]。事实上,至少在力学界,加速度的时间变化率已被定义为“jerk”,并已在物理期刊中出现,我国力学界已采用“加加速度”这一中译名,又称急动度。用j表示加加速度。在工程学中经常需要用到加加速度,尤其是在交通工具设计以及材料等问题。交通工具在加速时将使乘客产生不适感,该种不适感不仅来自于加速度,也与加加速度有关。在这种情况中,加速度反应人体器官在加速度运动时感受到的力,加加速度则反应这作用力的变化快慢。较大的加加速度将使人体产生相当的不适感,例如在电梯升降,汽车、火车等加速和转弯的过程中。因而在设计交通工具时,加加速度是必须要考虑的因素[6]。在非线性动力学中,加加速度也有一定应用。载人腿式机械人作为一种交通工具,显然具有非线性动力学特征,本文有必要对加加速度进行分析。

4高度优化

4.1Matlab最优求解对机器人大腿运动曲线进行求一次导、二次导和三次导,得a杆的角速度ω,角加速度a以及角加加速度j。为求得最优高度h,分别研究t=0s,t=0.01s,t=1s时刻的加加速度。在Matlab中编写程序,得到O2点在不同高度下不同时刻的加加速度,如表2所示。加加速度代表加速度变化的快慢,根据j的意义,求t=0s和t=1s时刻各高度所对应的加加速度的绝对值,并在Matlab中进行结果仿真,如图3所示。根据表2及图3可知,t=0s时j为常数,此后j的绝对值将逐渐减小,因此只需研究t=1s时刻各高度所对应加加速度的绝对值。由图3可知,当h=500mm时,j1=0.000590981<ξ=1×10-3,加加速度最小,运动最为平稳。

4.2结果验证为验证结果是否合适,对t=0-1s求其角速度ω,角加速度a以及加加速度j。此时视h=500mm为已知条件,在Matlab中编写程序,求得结果如表3所示。并根据此结果进行仿真,得到此时的角速度ω,角加速度a以及加加速度j曲线,如图4所示。由表3和图4可知,加加速度的绝对值逐渐减少趋向于0,保证机器人行走时做到平稳减振,人体感觉自然舒适。此时的加速度及角速度曲线也较为光滑,基本符合要求,但由于初始加加速度的绝对值仍>ξ=1×10-3,这说明杆长和速度仍需要完善,应对不同阶段的速度及各个杆长进行优化。在该种情况下,速度和高度均为未知数,对于这种多参数的优化,文中可使用变分法。

5变分原理

变分法的基本问题是求泛函的极值问题和相应的极值函数[7-8]。

6结束语

本文设计了一种可载人的腿式爬楼梯机器人结构,通过加加速度的分析,用Matlab进行高度优化及结果仿真,该机器人具有较大的平稳性。经多次试验数据分析验证,软件评定结果与数学计算理论值基本一致,误差≤1%。

参考文献

[1]于苏洋,王挺,王志东,等.基于倾翻与滑移稳定性准则的轮椅机器人爬楼梯控制方法[J].仪器仪表学报,2014,35(3):676-684.

[2]司跃元,赵新华,侍才洪,等.轮履复合机器人行走机构的设计及运动学分析[J].机械设计与制造,2013(7):191-193.

[3]刘静,赵晓光,谭民.腿式机器人的研究综述[J].机器人,2006,28(1):81-88.

[4]李树荣,张强.计算机数控系统光滑时间最优轨迹规划[J].控制理论与应用,2012,29(2):192-198.

[5]TonomuraA,EndoJ,MatsudaT,etal.Demonstrationofsin-gle-electronbuildupofaninterferencepattern[J].Ameri-canJournalofPhysics,1989,57(2):117-120.

[6]董水金,佘守宪.关于加加速度的若干机械运动分析及Matlab模拟[J].大学物理,2005,24(2):57-62.

[7]梁立孚.变分原理及其应用[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2005.

[8]林畛主.变分法与最优控制[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1987

作者:顾岩秀 华云松 单位:上海理工大学 光电信息与计算机工程学院

双足载人机器人的结构设计责任编辑:杨雪    阅读:人次