• 基于虚拟样机的机器人的性能分析 不要轻易放弃。学习成长的路上,我们长路漫漫,只因学无止境。


    行走机构作为移动机器人的核心,其性能的优劣直接决定了整个移动机器人的移动性能和越障能力。以机器人常见的行走机构形式作对比,来具体分析仿生机器人的越障行走功能,并针对机器人在行走过程中需要满足跨越障碍物的要求, 提出了一种特殊的机器人行走机构, 将具体介绍该种行走机构的设计思想和运动原理,以及具体剖析行走机构的关键部件,依据仿真学说理论的基础上,将机械科学理论与机器人实际越障能力相结合,从而为机械向生物性能进化提供可行性和可取性。具体从理论上探讨了该机器人的越障性能分析,运动规划及越障高度和动力等问题。

    机器人;行走机构;仿真

    0.前言

    本世纪以来,由于国际机器人技术的不断发展,国内对机器人行走方式的控制日趋成熟。足式移动方式已经研发成具有轮式和履带式移动方式所没有的优点,足式移动方式的机器人可以相对较易地跨过比较大的障碍以及应对不同地形的突发情况,并且机器人的足所具有的大量的自由度,可以使机器人的运动更加灵活,对凹凸不平的地形的适应能力更强,在地表面极不规则的情况下足式机器人能用他万博体育注册官网,万博体育mantbex网页版,万赢体育安卓版的足与地面的点接触来支撑,整个机器人的躯体仍然能够行走自如,为了适应越来越多非正常环境下的机器人作业,机器人凭借着仿真理论和进化理论优势受到越来越多人的关注,成为了研究的前沿和研究的热点。

    1.越障机器人整体结构分析

    越障机器人整体以车型体现,六只行进足分别有六个各自工作的步进电机驱动,越障过程中分两组交替提供前进动力。攀爬时船型脚足5钩住坡面,提供前进动力进而向前越障,当达到指定排障位置时,伸缩臂3打开同时旋转轴盘2旋转到最佳排障位置,排障对称抓手4开始排障工作。

    2.行走机构正常行走步态原理分析

    从仿生学的角度和对纲昆虫的具体研究和分析,由于纲昆虫是经过大自然无法预测的环境变化及其对地壳运动后地球形成新地表的进化适应物种,因此昆虫的行走方式可能是最为适合地球上的各种复杂的地形,以继承相对应的昆虫种族的生存和繁衍,从行走方式上分析,昆虫行走时足分为两组交替行进,以一侧的前足后足和另一侧的中足作为一组,每一步都能组成一个三角的支撑结构,因此结构的稳定性是非常强的。

    3.仿生机器人腿部结构分析

    机器人腿部设计采用船型脚足结构,当机器人在相对平坦的山体或路面上行走的时候型脚足下侧的矩形金属摩擦面提供摩擦力来供给机器人行走。当爬坡越障行进时,首先机器人后足支撑前足爬行, 船型脚足两侧面上的矩形沟槽钩住山体或障碍物,然后另一组足开始以同样的方式进行一定范围的倾斜爬坡越障。

    4.机器人越障重心稳定性分析

    从正常的越障路径上来看,当越障高度在机器人承受范围之内时,脚足与攀爬坡面接触,利用重心的分力来提供向下的压力,进而产生摩擦力供机器人前进。从外形上来看机器人的整体重心集中在伸缩吊铲的底座上,当机器人运动时用三条工作的足来支撑整个机身。由于攀爬时机器人的重心会随着道路的平坦程度和坡度而变化因此设计了以下实验机器人从一定的高度开始攀爬,所以曲线从时间为零时在纵万博体育注册官网,万博体育mantbex网页版,万赢体育安卓版坐标上有一定的节距。启动机器人以后在大约10秒钟左右,机器人越障到攀爬的坡底,此时重心位置为零。由于站立腿1,3,4,6腿沿垂直方向投影形成的是一个四边形投影区域,其坐标分别为A(-143,1250),B(-982,1250),C(638,-1250),D(-982,-1250),O(0,0)。把已知数据代人公式

    得到d1=1440mm,d2=1257mm,d3=1440mm,d4=386mm,并且可以通过对图5所示余弦曲线y=cosx积分得到一个整周期内的面积,所以此刻机器人是稳定的。其最小稳定裕量d=min(d1,d2,d3,d4)=386mm[2]。通过以上计算过程,得到仿生机器人在越障时每个时刻的最小稳定裕量。

    在接下来的越障过程中由于设计的攀爬坡面分布有一定的规律,因此从整体上来看,机器人的整机重心按照越障高度,正常的增加和减少。因此设计符合工作性能要求,可以正常越障运行。

    5.仿生步行机器人运动位移分析

    对机器人进行逆向运动学仿真,实际上对机构进行逆向运动学仿真,即求解机构运动学反解,就是通过仿真求出动平台按某运动规律运动,以得到各驱动足伸缩迈进长度的变化规律。将关于机器人的定平台固定在大地上,选择机器人一组前足和中足上得一点作为动平台上的执行关键点,在该点上加一个二维的点激励Point Motion在ADAMS中,在模型上定义的激励是将样机中未约束的其他自由度做进一步约束,只不过这种约束是时间的函数[2]。添加的点激励对机构进行2个自由度约束,主要是两组机器腿中的一组,此时机构的自由度显示为0,具有确定的位形。在动平台的质点C上施加的二维的点激励函数方程为

    X轴方向Rot X=pi/12 sin(time);

    Y轴方向 Rot Y=pi/12sin(time)。

    设置仿真参数时间t=(pi)s,步长为0.01,然后进行运动学仿真。利用ADAMS提供的对象测量功能,测2个UPS驱动分支上转动副的位移变化,可得2个驱动分支的伸缩量随时间变化的规律,也就得到了机构的运动学反解。

    在ADAMS的后处理模块中,利用曲线处理工具中求导命令对图中的驱动足的位移一时间曲线分别求1阶、2阶导数,就能求出2个驱动分支的速度、加速度曲线[3]。

    6.仿生步行机器人速度分析

    在ADAMS软件中对位移的1阶倒数,结合实际分析机器人在各自的动力驱动的支配下,机器人由初始的速度为零情况下,随着时间的增加,速度也逐渐按照预设的情况增大。当增加到最大值时足部抬升到最高位置,因此机器人运行的最大速度位置为抬升的最高位置处,接下来速度又按照反方向的方式减少,此时的最大速比是原来的最大速度的4倍左右。说明接下来机器人的运行目的是在接受范围内的全力提速过程,以尽快达到指定位置。经过上面的分析得出机器人在运动过程中,速度变化分为两个过程,其一是初步的简单提速,第二个过程是按照人类预定指令进行比第一个过程更有效率的加速减速运动。进而本机器人在速度程序上得设计是符合实际情况的。

    7.结论

    本文运用软件ADAMS软件对仿生步行机器人的样机模型进行了运动学仿真与分析。仿真过程中通过对机器人足端点的运动轨迹规划及其运动仿真结果求得了垂直高度上的运动特性,避免了用常规方法求解仿生步行机器人运动学逆解的复杂运算,提高了仿生步行机器人的设计效率和研制水平,在机器人技术领域具有一定的理论意义和实用值。

    【参考文献】

    [1]蒋德军,宁立伟.湖南工程学院机械系.

    [2]叶献伟,陈樊.高建华浙江理工大学机电研究所.

    [3]张静,许东来.北京工业大学机电学院.




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