轮腿式步行机构设计及其运动仿真.pdfVIP

现代制造工程2 0 1 0 年第2 期机器人 轮腿式步行机构设计及其运动仿真 汪永明1 2 余晓流2 一 汪丽芳2 汤文成1 1 东南大学机械工程学院 南京2 1 11 8 9 2 安徽工业大学机械工程学院 马鞍山2 4 3 0 0 2 3 机器人学国家重点实验室 沈阳1 1 0 0 1 6 摘要 基于二级半转机构原理 提出一种新型的轮腿式步行机构 它由一级转臂 二级转臂和跨步杆组成 分析机构中各 转动关节的运动耦合关系 并给出机构不发生干涉的条件 在此基础上 利用二级行星轮系实现了该轮腿式步行机构 在C o s m o s M o t io n 仿真环境下 对该轮腿式步行机构进行了运动仿真 给出机构各关节的运动轨迹曲线 并分析该轮腿式 步行机构的车身起伏度 仿真结果表明 基于二级半转机构的轮腿式步行机构的车身垂直起伏度 比一级半转步行机构 车身的垂直起伏度小 关键词 轮腿式步行机构 干涉分析 运动仿真 起伏度 中图分类号 T P 2 4 2 3 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 l 3 1 3 3 2 0 1 0 0 2 0 1 3 8 0 4 D e s ig na n dm o t io ns im u l a t io no fw h e e l l e g g e dw a l k in gm e ch a n is m W A N GY o n g m in 9 1 Y UX ia o l iu 2 W A N GL i f a n 9 2 T A N GW e n ch e n 9 1 1S ch o o lo fM e ch a n ica lE n g in e e r in g S o u t h e a s tU n iv e r s it y N a n j in g21 l18 9 C h in a 2S ch o o lo fM e ch a n ica lE n g in e e r in g A n h u i U n iv e r s it yo fT e ch n o l o g y M a a n s h a n2 4 3 0 0 2 A n h u i C h in a 3S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fR o b o t ics S h e n y a n g11 0 01 6 C h in a A b s t r a ct B a s e do nt h ep r in cip l eo fd o u b l e h a l f r e v o l u t io nm e ch a n is m p r o p o s e dan e w s t y l ew h e e l l e g g e dw a l k in gm e ch a n is m w h ichisco m p o s e do faf r r s ts w iv e l in ga r n l as e co n ds w iv e l in ga n t ia n dt w os t r id in gr o d s e t c O nt h eb a s iso fa n a l y s iso ft h em o t io nco u p l in gr e l a t io n s h ipa n dn o n in t e r f e r e n ceco n d it io no ft h ed o u b l e h a f t r e v o l u t io nm e ch a n is m t h ew h e e l l e g g e dw M k in g m e ch a n is mw a sd e s ig l n e db yu s in gt w ot a n d e mp l a n e t a r yg e a rt r a in s B a s e do nm o t io ns im u l a t io ninC o s m o s M o t io ns o f t w a r e o h m in e dt h em o t io nt r a ilcu r v e so fj o in t sa n dt h ef l u ct u a t io no ft h ew h e e l l e g g e dw a l k in gm e ch a n is m T h es im u l a t io n ss h o wt h a tt h e f l u ct u a t io no ft h ew a l k in gm e ch a n is mb a s e do nd o u b l e h a l f r e v o l u t io nm e ch a n is mism o r es m a l l e rt h a nt h a to ft h ew a l k in gm e ch a n is mb a s e do nf ir s t h a if r e v o l u t io nm e ch a n is m K e yw o r d s w h e e l l e g g e dw a l k in gm e ch a n is m in t e r f e r e n cea n a l y s is m o t io ns im u l a t io n f l u ct u a t io n 探测车的行驶机构对于完成探测任务非常关键 根据其行驶机构的构型 可以分为轮式 履带式和腿 式等基本类型 许多学者针对各种类型的行驶机构进行了大量 的理论分析及实验研究 剖 旨在为探测车的设计提 供理论依据 步行机构因其良好的机动性和路面适应性 能够 在凹凸不平或松软的地面上行走而且效率不会明显 降低 与轮式 履带式等推进方式相比有着独特的优 势L 5J 本文基于二级半转机构原理 J 设计了一种用 于探测车的新型轮腿式步行机构 并进行了机构干涉 分析和C o s m o s M o t io n 环境运动仿真 1基于二级半转机构的轮腿式步行机构 步行是动物运动仿生的一个重要目标 但是常见的 步行机构大多倾向于对动物步行所有动作的模仿 这导 致了步行机构的复杂性及实用步行机构难以实现 二级半转机构是一种模拟动物器官运动且能够 产生步行效果的转动机构 它由一级转臂 二级转臂 和两个跨步杆组成 如图1 所示 一级转臂的一端与 主轴相连 另一端通过转动副与二级转臂中心相连 而在二级转臂的两端各装有一跨步杆 它们通过转动 教育部高校科技创新工程重大项目培育资金项目 7 0 8 0 5 4 机器人学国家重点实验室开放课题项目 R I D 2 0 0 8 1 6 安徽省高校自然科学基 金重点资助课题项目 K J 2 0 0 9 A 0 1 5 Z 江苏省科技攻关项目 B E 2 0 0 7 0 1 2 1 3 8 机器人 现代制造工程2 0 1 0 年第2 期 副连接 且两跨步杆始终处于相互垂直位置 主轴与 跨步杆之间通过齿轮来传递驱动力矩 随着一级转臂绕主轴转动 两个跨步杆分别从上 端的水平位置转变到下端的铅垂位置 当一级转臂 转动一圈时 二级转臂只转动1 2 圈 而跨步杆只转动 1 4 圈 且跨步杆在上半周与下半周的运动是不同的 当电动机通过主轴带动一级转臂转动时 两个跨步杆 依次与地面接触 就可以实现步行的功能 图1 中点 划线部分为二级半转机构的另一个动作位置 图1 二级半转机构 2 轮腿式步行机构设计 2 1 步行机构原理 基于二级半转机构原理 设计出轮腿式步行机 构 其机构原理如图2 所示 步行支架和安装支架用 于将轮腿式步行 机构与探测车车 体相连 在步行支 架上装有驱动电 动机和转向电动 机 驱动电动机到 主轴采用一级齿 轮减速传动 以提 高步行机构的承 载能力 主轴到 跨步杆采用由两 个行星轮系串联 构成的二级半转 机构 其中一级转 臂和二级转臂分 别是所在行星轮 系的行星架 同时 图2 轮腿式步行机构原理 它们又是转臂箱体 且Z 2 Z Z 9 2 2 6 根据行星 轮系传动比相关计算公式可得 1 一生 刍 上 1 Z 一一 一 l l 1 l5 2 7 0 9 03 2 一一Z6 一1 2 z 一 一一 一 l Z 6 一 恐9 2 一7 52 心 92 3 62 1 3 式中 m 垃 船分别为一级转臂I 二级转臂 和 跨步杆 1 2 的转速 分别为一级转臂I 二 级转臂 和跨步杆 1 2 的长度 分别为齿 轮5 齿轮6 齿轮9 的转速 z 毛 邑 磊分别为齿轮 3 齿轮5 齿轮6 齿轮9 的齿数 联立求解式 1 式 2 式 3 可知一级转臂 二级转臂和跨步杆三者之间的转速比为4 2 1 满足 二级半转机构的传动特性 2 2 步行机构运动耦合关系分析 要使二级半转机构构成的步行机构产生正确的 步行效果 其各转臂和跨步杆之间的运动必须满足一 定的耦合关系 即一级转臂 二级转臂和跨步杆三者 之间的旋转中心相对角速度的比值为4 2 1 又要保 证其转动方向的正确性 表1 为步行机构各关节旋转 中心转速方向几种可能的组合方案 仅以一级转臂顺 时针旋转为例 逆时针旋转时效果一样 表1 步行机构各关节旋转中心转速方向组合方案 组合方案一级转臂I二级转臂 跨步杆1跨步杆2 l一 2一 一 3一 一 4一一 5 一 通过C o s m o s M o t io n 仿真可知 当一级转臂绕主轴 旋转0 角度时 二级转臂相对于一级转臂向相反方向 旋转O 2 两跨步杆相对于二级转臂同向旋转0 4 即 采用表1 中的组合方案1 步行机构可以产生正确的 步行效果 2 3 步行机构干涉分析 由于步行机构中的二级半转机构中各杆采用同 侧布置 见图2 一级转臂和二级转臂不会发生干涉 且它们也均不会与跨步杆发生干涉 故仅考虑两跨步 杆的干涉问题 跨步杆二级半转机构干涉分析如图3 所示 若二级转臂0 0 固定 两跨步杆分别绕各自旋 转中心转动 其运动轨迹为两个圆面 两者重叠部分 则代表可能发生干涉的区域 如图3 的阴影区域 二 级半转机构干涉临界状态如图4 所示 以二级转臂 0 0 所在直线为X 轴 0 0 的中点为原点建立直角 坐标系 二级转臂0 0 长度为如 宽度为也 跨步杆 的长度为厶 下面分两种情况进行干涉分析 3 9 现代制造工程2 0 1 0 年第2 期机器人 图3 二级半转机构干涉分析 图4 二级半转机构干涉临界状态 2 3 1 当 3 厶时的干涉分析 由于两跨步杆转速相同 分别绕各自旋转中心转 动 其发生干涉的临界条件是 跨步杆2 刚进入阴影 区 而跨步杆1 则刚好离开阴影区 即两跨步杆的端点 A B 在阴影临界处重合 如图4 所示 由于D A O B 厶 2 故 0 A B O 为等腰直角 三角形 即co s a 如 厶 co s 4 5 v 互 2 则L 3 柜厶 故其不发生干涉的条件是 L 3 4 互 L 2 4 2 3 2 当L 3 L 2 时的干涉分析 当厶 L 时 两跨步杆的运动轨迹不会发生重 叠 即不会造成两跨步杆的干涉 但是 当跨步杆的长 度小于二级转臂的宽度 即L 3 必 时 会发生二级转 臂触地干涉 则二级半转机构无法构成步行机 综上分析 基于二级半转机构的轮腿式步行机构 不发生干涉且满足步行要求的条件是 马 L 3 2 2 5 3 轮腿式步行机构运动仿真 车身起伏度是车辆行驶时车身的变化幅度 基 于二级半转机构的轮腿式步行机构的车身起伏度就 是一级转臂主轴与地面距离的变化 为满足机构不 发生干涉和行星轮系齿轮传动要求 仿真时取轮腿式 步行机构的一级转臂长L 6 9 7 5 m m 二级转臂长 L 2 2 0 7 m m 跨步杆长L 3 2 6 0 m m 首先建立轮腿式步行机构虚拟样机模型 通过重 4 0 合 同心 平行和相切等配合关系建立机构各杆间的 约束关系 然后在C o s m o s M o t io n 仿真环境中定义机构 各关节旋转中心的角速度运动耦合关系 使一级转臂 旋转中心 二级转臂旋转中心和跨步杆旋转中心三者转 动副的角速度之比为一4 2 1 取一级转臂旋转中心转 动副的角速度为恒定值 进行机构的运动仿真 得到图 5 所示的轮腿式步行机构各关节旋转中心在竖直方向 的运动轨迹曲线 其中 一级转臂旋转中心垂直运动轨 迹曲线 相当于二级半转步行机构车身的垂直起伏曲 线 其上下起伏度为3 6 7 m m 二级转臂旋转中心垂直运 动轨迹曲线 相当于一级半转步行机构车身的垂直起伏 曲线 其上下起伏度为1 3 9 6 m m 可见 基于二级半转 机构的轮腿式步行机构的车身上下起伏度比一级半转 步行机构车身的垂直起伏度小得多 2 0 0 1 9 1 1 8 2 1 7 2 1 6 3 2 3 3 1 9 8 1 6 3 1 2 8 9 4 3 3 7 2 7 6 2 1 5 1 S 4 9 4 时间 s a 一级转臂旋转中心垂直运动轨迹 时间 s b 二级转臂旋转中心垂直运动轨迹 3 4 6 2 5 9 1 7 3 8 6 O 时间 s cl 跨步杆旋转中心垂直运动轨迹 时间 s d 跨步杆端部垂直运动轨迹 图5 轮腿式步行机构各关节旋转 中心在竖直方向的运动轨迹 4结语 1 轮腿式步行机构中各杆必须满足一定的运动 耦合关系 才能产生正确的步行效果 2 轮腿式步行机构不发生干涉且可以达到正确 步行效果的条件是 必 L v 互 L 2 3 基于C o s m o s M o t io n 对该轮腿式步行机构进行 运动仿真 给出了机构各关节的运动轨迹曲线 仿真 昌骞 楼迥稃牛 吕鲁蕾搀迥需牛 目目 糖罩臀瞥 暑IIl 捻掣臀降 机器人 现代制造工程2 0 1 0 年第2 期 结果表明 该二级半转机构的轮腿式步行机构的车身 上下起伏度小 参考文献 1 C h a cinM Y o s h id aK E v o l v in gl e g g e dr o v e r sf o rm in o r b o d ye x p l o r a t io nm is s io n s C in1 s tl E E E R A S E M B S I n t e m a t io n a lC o n f e r e n ceo nB io m e d ica lR o b o t icsa n d B io m e ch a t r o n ie s 2 0 0 6 B io R o b2 0 0 6 F e b2 0 2 2 2 0 0 6 P is a I t a l y 2 0 0 6 1 7 0 1 7 5 2 S h a n gJ L u oZ F a nD e ta 1 As ixw h e e l e dr o b o tw it h a ct iv es e l f a d a p t iv es u s p e n s io nf o rl u n a re x p l o r a t io n c inI n t e r n a t io n a lT e ch n o l o g ya n dI n n o v a t io nC o n f e r e n ce2 0 0 6 I T I C2 0 0 6 N o v6 72 0 0 6 H a n g z h o u C h in a 2 0 0 6 2 0 3 5 2 0 3 8 3 尚伟燕 李舜酩 邱法聚 等 新型四轮腿式月球车轮 腿结构设计及分析 J 武汉理工大学学报 交通科 学与工程版 2 0 0 8 5 8 2 2 8 2 5 4 高海波 张鹏 邓宗 等 新型八轮月球车悬架的研制 J 机械工程学报 2 0 0 8 0 7 8 5 9 2 5 孙付春 李瑶 基于C o s M o s M o t io n 的四足步行机构 的设计 J 机械 2 0 0 7 0 3 2 4 2 5 6 余晓流 骆辉 夏伟 基于半转机构的月球车移动系 统的运动学分析 J 中国机械工程 2 0 0 8 1 9 2 4 2 9 2 6 2 9 2 9 作者简介 汪永明 副教授 博士研究生 研究方向 机器人学 先进 制造技术 发表科研论文3 0 余篇 E m a il w y ma h u t 1 6 3 e o m 收稿日期 2 0 0 9 0 5 2 0 上接第3 1 页 5 最佳方案的选取 首先确定五维评判空间中理想评判集 为 J 歹 Z J 3 J 4d 5 1 0 0 0 0 按照海明贴近度公式分别求出四种方案的贴近 度d H J J i 江1 2 3 4 为 d 日 I 0 6 9 3 4 一 d 厂 J 2 0 6 9 9 4 d 日 厶 0 6 9 4 8 d I j 厶 0 6 8 4 4 一 d J 2 值最大 故厶为最佳 即表5 中武科大 一 新产品为最佳方案 由此论证了经过改造的自制新产 品在同类产品中具有一定的优势 2 4 评判结果的分析和处理 通过对各项指标综合模糊评判 应用最大隶属原 则 得出课题组现在生产的静电涂油机在市场上比较 受顾客的欢迎 但是同时发现对该产品评价一般的顾