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六足仿生机器人结构设计及运动仿真论文

理工论文 6℃ 0
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  关键词:结构设计,运动仿真,模块化,3D打印

  0引言

六足仿生机器人结构设计及运动仿真论文

  在所有腿式移动机器人中,六足机器人因其稳定性、灵活度、负载能力和对环境的应变性能等特点,受到越来越多的关注,成为研究的热点。六足机器人作为一种新型的移动机器人,具有较高的可靠性、稳定性和适应性,可以用于地震救援、灾难搜救、煤矿舱内探测等,在城市公共设施、交通制品、机械制造、医疗、军事等领域中有着广阔的发展前景,由于其优良的特性六足式机器人在国内外机器人研发领域中收到了广泛的关注[1]。

  金振林等[2]对消防机器人腿部结构进行运动学分析设计了一款三自由度易防护腿部机构的六足机器人。姜树海等[3]仿照甲虫对机器人结构,设计出一款腿部干涉情况低的六足机器人。金波等[4]使用图谱法分析腿部连杆机构的尺寸设计了六足爬行机器人。胡重阳等[5]根据甲虫足部钩刺对抓的特性,设计出足部为钩刺对抓的六足圆周对称蠕动爬行机器人。王修文等[6]设计出单腿由异形Stewart平台组成,中心呈正六边形分布的并联式六轮足移动机器人。秦日鹏等[7]针对星球探测设计出一款可轮式足式两种模式切换的六足轮腿机器人。

  综上,这些机器人每条腿大部分由3个伺服系统控制,并且适用的环境单一,腿部结构复杂,当机器人面对不同环境时无法适应,存在许多挑战。本研究旨在开发一种新型六足机器人,该机器人单腿上通过弹簧机械结构代替某个伺服系统,并且腿部设计为足端可拆卸,面对不同环境使用适用于不同环境的足端,这种设计具有较高的稳定性和对环境良好的适应性,为六足机器人的研发提供了新的思路和参考。

  1六足机器人结构设计

  六足机器人结构以六足昆虫为仿生对象,设计出六足机器人,如图1所示。机械结构主要由身体、腿部、关节等模块构成,身体模块由机身、电源、控制板等组成,主要用于支撑整体结构;腿部模块通过关节模块与身体模块连接,由3个关节组成,使机器人可以自由运动;关节模块通过舵机控制机器人行走的位置和力度。

  1.1身体模块

  六足机器人的腿部运动方式接近于前后摆动形式,单腿行进时扫过的区域类似于扇形平面。如果腿部离身体稍远,这样可以提高机器人的稳定性和承载能力。因此建立圆形身体布局图,如图2所示。

  圆形布置的足端与地面的接触范围较为分散,即重合度小,但是有更大的触地空间。在机器人前进过程中,摆动腿与支撑腿不会发生干涉,每个机械腿的足端在平面投影下与地面接触会呈现出扇形面,相邻扇形面之间不能重合。因此,当机器人的足端在接触地面时不能发生重叠。机器人身体模块分为上下两层并且大小相同,下层用于安装机器人驱动腿部模块的舵机,上层用于安装控制板扩展模块及各种传感器,上下两层分开布局以便更好排线与散热。

  1.2腿部模块

  经过观察昆虫腿部特点创造性提出一种类似于平行四边形的机械结构,该结构通过弹簧与机械部件组合来代替伺服系统,仍能满足正常性能要求。

  足式机器人大腿与小腿连接处的伺服系统摆动角度很小,目前市面上常见的舵机,造价高昂,结构复杂,面对复杂环境下,舵机越多越容易出现故障,本文提出通过对机械结构的设计来代替大腿小腿连接处的舵机,减少了舵机,使机器人故障出错的概率减小,同时也降低成本。为了代替伺服系统,可以通过图3所示结构将伺服系统的角运动转换成腿部线性运动的机械系统,该机械系统下安装一个弹簧,弹簧系统提供支撑力,有助于机械系统实现类似于昆虫的自然爬行状态。

  在平面内,单条腿结构可以简化成图4所示结构。

  其中,a0为基节的长度,a1为大腿的长度,a2为小腿的长度,θ1为大腿与基节的夹角用,π-θ2为大腿与小腿的夹角用,可推导出小腿与地面的夹角为π+θ1-θ2。

  根据上文参数,取基节与身体连接位置为原点,取X轴方向为水平方向,Y轴方向为竖直方向,根据几何关系,可以得出:

  式中:θ1∈[1.5°,67°];θ2∈[80°,155.5°]。

  根据几何关系,六足机器人的摆动步长S可以表示为:S=2x×cos 30°

  通过对自然界六足昆虫和国内外六足机器人的研究,得出大腿占腿部总长的比例为0.4时,六足机器人的越野性能最佳[8]。单腿扫过面积如图5所示。

  基于此考虑,决定机器人腿部尺寸,基节长度a0=30 mm,大腿长度a1=90 mm,小腿长度a2=135 mm,当每个舵机单步运转60°时。可计算得出,六足机器人的摆动步长S=108 mm。

  机器人足端设计可拆卸模式,为适应不同地形,设计多种脚部结构,在不同环境下运动可以提前安装不同足。

  为适应沙漠等柔软地形环境可以选择与地面接触面积大的平底式足如图6所示,这种足增大了与地面的接触面积,减少了足底与地面的压强,这种结构使机器人不容易陷入沙堆,有助于机器人稳定持续运动。

  为适应机器人在较硬路面上运动,可以安装球型足底,这种足底部为圆球形如图7所示,在机器人运动时无论腿部如何变化都能够保证足底与地面有一点接触,与地面接触面积较小,可以适应在硬质路面快速移动的需求。

  1.3关节模块

  本文使用伺服系统作为六足机器人的关节,通过相邻腿关节转动带动机器人的运动,伺服系统也是机器人的驱动模块。综合考虑稳定性、低成本、耐用性等因素后,选择了直流伺服电机中的MG90S舵机,主要参数如表1所示。

  该型号舵机采用金属齿轮,质量轻并且承载扭矩大。控制信号为周期为20 ms的脉宽调制(PWM)信号,内部有一个基准电路,可以产生周期为20 ms、宽度为1.5的基准信号,通过比较器将外加信号与基准信号进行比较,判断大小和方向,从而产生转动信号,驱动机器人进行各种运动[9]。

  2机器人运动学分析

  2.1 DH运动模型建立

  单条腿结构由3个转动副和转动副连接的连杆构成,包括大腿、小腿和基节等。为了简化机器人结构和关节变量,本文采用DH法(Denavit-Hartenberg法)[10]建立连杆和关节模型如图8所示,各关节和足端建立坐标系,通过齐次变换矩阵依次进行变换,求出足端坐标和各关节坐标之间的关系。然后,通过关节转动角度和连杆长度推导出相邻坐标之间的关系,进而得出足端位置,这是运动学正解。当已知单条腿足端需要移动到的坐标时,可以通过坐标之间的关系推导出关节转动角度,从而确定舵机的角度,这是运动学逆解[11]。

  2.2运动学正解

  采用DH法在机器人单腿上建立坐标系如图9所示。

  2.3运动学逆解

  对机器人单腿进行运动学逆解:已知单腿足端坐标,在位置姿态矩阵的基础上,左乘逆矩阵解得各关节转动角度θi。

  运动学正解可以用于机器人的姿态规划、控制以及仿真等方面。在机器人腿部控制中,需要采集机器人各关节角度,通过机械结构长度,计算出机器人坐标位置,从而进行控制。

  运动学逆解可以进行足端轨迹规划,确定不同地形下的步态和步长后,根据步态和步长计算出每个足端需要运动的距离,并规划出足端的运动轨迹。然后通过运动学逆解,根据足端坐标计算出机器人各关节的转动角度,生成驱动舵机的样条曲线。

  3步态规划

  机器人的腿部运动遵循一定的规律,呈周期性变化。与自然界中一些动物类似,机器人每条腿具有站立和悬空两种状态。站立腿是机器人的支撑相,支撑相腿部与地面接触并承载机器人的全部重量,随着机器人的运动支撑相逐渐向后摆动,并依靠支撑相与地面的摩擦力带动身体前移,直到悬空。悬空腿是摆动相,当机器人运动时,机器人腿部关节发生转动,机器人腿部向前摆动,直至摆动相变成支撑相。六足机器人的每条腿不断在摆动相与支撑相间交替变化,完成单条腿的运动如图10所示。经过步态规划,六条腿以某种步态相互配合,构成机器人的各种运动[12]。

  一般情况下机器人的步长与摆动相是固定值。用δ表示机器人支撑相的个数,当δ为1或者2时支撑腿的数量较少,机器人站立状态不稳定;当δ=6时机器人无摆动相处于静止状态;机器人运动时基于六足机器人稳定性考虑2<δ<6即机器人支撑相δ为3、4或5。在满足机械结构前提下,当δ越小机器人行走就越快但稳定性越低,当δ越大机器人越稳定但行走速度较慢。所以,要寻找兼顾稳定性与速度的运动方式。可以大致分为表3所示3种步态。

  分析发现,不同步态分别适用不同工作环境。三足步态适用于需要快速移动的场景,如机器人的高速奔跑;但在不平坦的地面上运动时,稳定性较差,容易倒下。四足步态适用于稳定性要求相对较高的场景,速度相对稳定,对于在不平坦地形上行走有一定的抗摆性,但相比三足步态速度较慢。六足机器人的波动步态可以适应崎岖地形,虽然稳定性非常高,但速度较慢。综上所述,要根据具体场景和任务的不同,可以选择不同的步态来进行设计和优化。

  4运动仿真

  4.1 Adams仿真

  为了构建六足机器人的仿真模型,需要添加固定副、移动副、转动副等必要的组件。使用固定副将机器人的简化构架固定在一起,并在每个舵机上添加转动副[13]。模型材料选择聚丙交酯,该材料由淀粉制成具有环保易降解等特点。

  在Adams仿真软件中,通过创建接触型特殊力来模拟六足机器人与地面之间的摩擦力。在仿真过程中需要设置每条腿与地面的静摩擦因数、动摩擦因数等参数,以模拟机器人在地面摩擦力的作用下的运动和稳定性[14]。这些参数的设定要根据机器人的实际运动环境设定,本文主要根据机械部件的材料,通过Adams软件直接生成。

  机器人前行时位移随时间变化如图11所示。图中可以看到机器人位移随时间增加,由于部分机械部件存在阻尼,以及步态规划的原因,机器人前行时会出现轻微晃动,与理论值存在一定差别,机器人运行速度为84 mm/s。

  机器人竖直方向重心变化量如图12所示。图中可以看出,六足机器人身体在竖直方向周期性变化。第一个0.5 s,机器人3条腿迈步还未落下带动身体重心变化较小,后面重心变化逐渐恢复。

  整体来看重心变化规则,重心变化范围为9 mm以内,速度随随时间变化的关系如图13所示。图中可以看出,当机器人启动和停止时,机器人速度变化小这样有利于机器人稳定,当机器人正常运动时,机器人速度随时间呈现出周期性变化,一秒一个周期,一个周期单腿运动一次。机器人速度最快为85 mm/s,机器人速度最慢为1 mm/s。

  加速度随随时间变化的关系如图14所示。图中可以看到机器人速度随时间增加,机器人整体保持匀速运动,在部分节点加速度变化,即机器人受向前移动的力。

  由Adams仿真后可以发现六足机器人的运动行为和参数变化。通过Adams软件进行仿真,得出机器人运动轨迹与预计基本一致,速度加速度变化稳定,力学特性符合要求。

  4.2样机搭建

  机械部件使用3D打印制作,所有零件制造完成后,进行零件装配,相邻零件通过螺丝连接,零件之间要增加垫片,一根螺丝使用两个螺母,螺母与零件之间不要连接过紧,相邻两螺母之间拧紧自锁,舵机与零件之间最易引起结构的共振,结果表明计算数据均能满足使用要求。可见,将风机吊装机钢制横梁改为铝制结构,总成降重30%以上,稳定性以及耐疲劳性明显增加,寿命提升超过1倍。为以后的优化改进提供理论和试验基础。

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