机械工程发展现状作业

Towardsabio-inspiredlegdesignforhigh-speedrunning

对高速运行仿生腿的设计

班级：机械工程学生：李**学号：331402000***

高速地面运动不可避免地涉及高加速度和腿上大量负载。这就会带来一个具有挑战性的关于腿设计在重量和强度之间的权衡。本文介绍了一种灵感来自肌肉骨骼结构新的机器人腿部设计。此外，我们还提出了一个优化方案，最大限度地提高强度重量比。使用腱骨协同定位体系结构，在步幅过程中骨的应力降低高达59％。一个新的泡沫核心成型技术能够创建类似于哺乳动物的骨骼结构特点的机器人腿部。这个方法允许我们使用更轻的聚合物结构，比传统的制造方法制造的更便宜和更快，并最终可以大大缩短设计迭代周期时间。摘要文献的主要内容1简介2髌腱协同定位设计3单腿运行测试4结果与讨论5轻腿的制造6结论1简介在自然界中，运行速度是捕食者和猎物之间生存的一个重要方面。动物，如猎豹和羚羊已经演变成为快速和敏捷的运动员。通过观察发现它们的长和瘦骨抵抗弯矩和高速行驶过程中引起的高地面反作用力的能力是耐人寻味的。这种能力既承受很高的地面反作用力，同时尽量减少对腿部转动惯量之间的权衡，在高速运动时可以自然的解决。在这项工作中，我们将提出一个关于如何自然处理这种权衡假设。随后，我们将评估这个假设的仿生机器人腿设计。1.1设计权衡地面反作用力直接相关的责任因子1。在稳态运行时,总垂直脉冲循环一个周期的运动必须与总引力冲动满足动量守恒:Fzdt=mgT.

上述公式描述，对于一个循环运行，小责任因素必然会造成更高的地面反作用力。通常情况下，高速行驶需要更高的步频和低的责任因数[1]。另一方面，快腿在摆动阶段前伸是更高的步频的关键。这是因为腿驱动具有改变方向两次（地面行程到牵引和牵引到回缩），而在飞行阶段创建一个循环的轨迹。这需要高加速度和小腿的减速度。如此高的步频可以通过两种方式来实现：（1）增加驱动器的能力（2）减小腿惯性。在设计一个高速腿式机器人的两个设计约束是敏捷性和结构完整性，它们之间规定一个紧要权衡要求低惯量和高强度。1.2机器人的腿部形态许多仿生机器人形态被设计用来降低远端腿的转动惯量。文献中使用的技术：定位驱动器更靠近身体（例如导电弓，电缆驱动器等）;使用无源顺从连接下驱动的腿，以尽量减少腿惯性。串联弹性驱动方法使用机械顺从性减少腿的阻抗。另一个常见的设计技术来处理强度和重量之间的权衡是使用高强度重量比的材料,如碳纤维、钢铁、铝合金和钛镁合金。使用管式元素也普遍,特别是在高速机器人。我们的目标是从生物力学观察假设的设计原则和发展可行的工程解决方案来设计质轻而强壮的腿。作为这一目标,基于假设我们提出一个新的仿生腿为四肢行走的机器人设计。2、髌腱协同定位设计2.1假设我们假设增效协同定位的骨头和肌腱在运行减少在骨骼弯矩。生物学家认为,腿部的骨头携带负载由于地面的影响并不是唯一组成部分。当骨头在压缩负载下肌肉,肌腱和韧带张紧。当骨骼在压缩超过张紧时有更好的强度和肌腱和肌肉在高度张紧有更高的强度,高强度分的布负载允许设计质轻和强大。作为一个例子,考虑人类的解剖骨骼腿(图1(a))。当有大型负载运行期间,脚踝将经历一个高的时刻(约一个重70公斤的人承受309牛)。然而,地面反作用力分布在轴力和肌肉骨骼和肌腱单位因此避免大弯矩。同样的原理可以应用于趾行的的远端肢体结构(如猫和狗)和有蹄类动物。图1所示。骨骼和肌腱/韧带的协同安排在人(A)所示,和马的脚(b),(c)和(d)分别显示骨上的概念压力剖面没有和腱。2.2理论分析有蹄类动物评估潜在的腿在高速应用运行机器人设计,重要的是要确定的压力腿的组件造成的地面压力的反应。图2。麻省理工学院(a)的腿设计机器人猎豹。承担张紧部分是最小化的高强度材料制成的弯曲的骨头。(b)没有肌腱参数表示。(c)髌腱协同定位的设计。红线代表一个等价的铰接结构。3单腿运行测试使用本文描述的方法评估腿的性能设计,我们已经开发出一个原型的腿麻省理工学院机器人猎豹。在运行中识别一个腿地面反作用力装置,我们还设计了一个实验装置可以用来模拟一个运行步骤在平面约束。主要部分有计算机、传感器和电力电子坐落在机器之上。两个长度测量激光传感器(MICRO-EPSILON劳工1030-8)在一个倒V装置用来计算的高度和身体的螺旋角，如图所示。单腿跳实验瞬时快照4结果与讨论

在本节中,我们将腿报告的结果优化执行，并基于髌腱协同定位的设计如2.2节所述。此外,我们还将演示在真正的腿上实验使用本文描述的设计原则加载条件。4.1髌腱协同定位结果4.2结构优化的结果4.3有限元分析4.1髌腱协同定位结果客观地评价髌腱的协同定位的设计(图2(b))的脚踝腿结构刚度设计(图2(a)),我们比较强调两种不同的结构设计方法。图2提供应力松弛的腿结构、髌腱同时协同定位的设计合规的腿已被证明。然而,腿的设计进一步优化,以减少腿上的总压力减少腿部的整体重量，对运行是必要的。4.2结构优化的结果我们描述了一个优化问题，可以解决获取设计参数并且总重量最小化的腿结构。使用优化工具箱Matlab,我们解决了这个问题。优化的目标是最小化方程中定义的整体重量中定义的约束方程。我们使用函数定义在MATLAB优化工具箱获取解决方案。4.3有限元分析使用前一节中描述的优化设计的结果作为一个指导原则,我们基于髌腱主机代管概念开发了下体重腿设计,同时考虑制造约束。优化的结果提供最低容许截面半径和脚。最终的设计维度半径和脚的最小截面作为参考,随后平滑特性的设计,以便更好地联合力量。评估潜在的性能的腿设计，对麻省理工学院的猎豹，我们利用Solidworks进行静态有限元分析评估特定加载的腿。这个分析的目的,我们假设在最大的地面反作用力的时候，脚线连接到肩膀。我们获得压力剖面的结构对于地面的反作用力进行有限元分析模拟。此外,为了简化分析,我们假设严格的机械结构。这找到了需要解决的问题泡沫芯的变形材料的实际使用原型，捕获所需的高度非线性应变率方程。有限元分析的结果为两个设计概念如图所示。两个不同的模型代表了脚踝刚度设计腿(左)和设计使用髌腱协同定位方法(右)。有限元分析l脚踝刚度设计腿(左)和髌腱协同定位方法(右)在1000N垂直荷载。我们已经表明,髌腱间的协同定位脚和半径，提供了质轻更强的脚和半径。在本节中,我们将解释一个仿生制造方法制造重量轻的骨骼结构。从生物结构的启发如骨头的柔性、质轻和内在低刚度(松质骨)和高刚度shell(皮质骨)，这将允许骨头轻而坚固。这种设计可以承受高弯曲时刻的高区惯量。5轻腿的制造5.1泡沫芯复合加工为制造高强度重量比结构机器人猎豹的前腿,我们开发了原型方法称为泡沫芯复合制造。这允许我们合成制造腿结构使用实验室规模成型方法。这制造过程如图所示制造泡沫芯复合机器人结构步骤。(a)模具由数控铣,(b)泡沫芯铸出RTM,(c)定位磁盘组成的外壳材料泡沫,(d)无线内部真空浇注设备室将树脂壳型,(e)完整的半径链接和截面。5.2肌腱连接在髌腱协同定位设计时，制造的另一个挑战的腿是适当的腱的骨骼结构。用粘合剂粘合外面的肌腱容易疲劳失效，在剥皮部分应力集中在腱的边缘点。我们来解决这些问题采取两种方法:埋置和ladder-locking。如图显示了封装腱的脚使用型内嵌入技术。6结论在本文中,我们提出了一个基于在髌腱协同定位应用体系骨骼结构承受弯矩的设计理念。我们通过分析和实验证明这一设计理念，使我们能够显著改善具体鲁棒性的高性能移动腿结构机器人技术。除了改进的健腿结构、髌腱协同定位，还对允许并发引入合规和强化腿结构的节能运行具有潜在的影响。此外,我们还引入了一个新的原型技术,允许快速和廉价的制造泡沫芯poly-urethane复合。使用这种技术,我们创建半径重12