雙足載人機器人的結構設計范文

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摘要

針對輪椅在跨越樓梯、臺階、溝壑等障礙時不便的問題，結合腿式機器人，文中提出了一種新式雙足載人機器人的行走機構設計方案。對機器人的行走機構進行了結構設計，其控制簡單，僅具有兩個自由度。同時為了得到使人體感覺最舒適的乘坐高度，對機器人大腿結構的運動曲線進行三次求導得到加加速度，并通過對加加速度的絕對值分析，確定最優高度。同時，利用Matlab對結果進行仿真，驗證了該機器人機構的運動平穩性。經多次試驗數據分析，軟件評定結果和數學計算理論值基本一致，誤差≤1%。

關鍵詞

機器人;自由度;高度優化;加加速度

輪椅是年老體弱者及下肢傷殘者必不可少的代步工具，隨著無障礙設施的增多，輪椅使用者的活動范圍逐步加大，但樓梯、臺階、溝壑等障礙卻使輪椅的行動受到限制［1］。移動機器人在非結構環境中的運動特性一直是機器人技術研究的熱點問題。目前，機器人有3種類型的移動結構:輪式、履帶式和腿式［2］。輪式機器人結構簡單、速度快、控制方便、運動穩定、耗能低，但其不適合于跨越像樓梯等障礙，越障能力較差。履帶式機器人有著較強的地形適應能力，但由于摩擦阻力較大，因此耗能高且運動速度低。腿式機器人是最靈活的運動機構，但具有復雜的機械結構并且不易控制。攀爬樓梯是移動機器人適應非結構化環境所必備的功能之一，也是乘坐輪椅最難跨越的障礙。針對輪椅跨越障礙時的不足和腿式機器人行走時的靈活性，結合兩者提出了一種雙足載人機器人的行走機構。

1機械人腿部結構

腿式機器人的腿部可具有多個自由度，使運動的靈活性大幅增強，其可通過調節腿的長度保持身體水平，也可通過調節腿的伸展程度調整重心的位置，因此不易翻倒，且穩定性更高［3］。根據要求，提出一種連桿結構方式，結構簡圖如圖1所示。其中，n=8，pL=11，pH=0。根據自由度的計算公式F=3n－2pL－pH，得出F=2，在此結構中，大腿可帶動小腿運動，反之亦可，則需兩個舵機分別驅動。

2舵機的選用

舵機主要包括模擬舵機和數字舵機。模擬舵機，需要不斷地PWM信號才可保持鎖定角度;數字舵機，只需發送一個信號就能鎖定角度不變，控制精度高、線性度好，輸出角度準確且響應速度快。在處理抖動和越位方面更方便精準，數字舵機的加、減速更柔和，更平滑，能更有效地為電機提供啟動所需轉矩。本文選用LD－1501MG機器人專用舵機，該舵機扭力大、速度快、噪音低，虛位和死區都特別小，斷電可用手扭動360°，上電控制可180°精確轉動，適合做中高端機器人，具體參數如表1所示。

3機械腿位置控制求解

為使人坐在上面時可平穩前進，需盡量保持重心高度不變，即保持平動。所以，要求大腿前端始終應該與地面平行。即O2點應減少上下波動，沿著水平線l2平移。根據要求，在AutoCAD中做出結構簡圖，如圖2(a)所示。令O2A=a=300mm，O1A=b=300mm。建立如圖2(a)所示模型，為進一步研究O2點的運動特征，以O1為坐標原點建立坐標系，如圖2(b)所示。要保證人體感覺舒適，重點對與其相接觸的O2A桿進行分析，因此主要分析式(2)。但直接根據φ1的變化無法準確描述O2點的波動情況，在此對式(2)進行3次求導，得到O2A桿終端加速度的變化率，稱為加加速度［4］。加速度的時間變化率只在少數國外物理教材中簡略地提到，因一般均認為加速度a的時間變化率并不重要［5］。事實上，至少在力學界，加速度的時間變化率已被定義為“jerk”，并已在物理期刊中出現，我國力學界已采用“加加速度”這一中譯名，又稱急動度。用j表示加加速度。在工程學中經常需要用到加加速度，尤其是在交通工具設計以及材料等問題。交通工具在加速時將使乘客產生不適感，該種不適感不僅來自于加速度，也與加加速度有關。在這種情況中，加速度反應人體器官在加速度運動時感受到的力，加加速度則反應這作用力的變化快慢。較大的加加速度將使人體產生相當的不適感，例如在電梯升降，汽車、火車等加速和轉彎的過程中。因而在設計交通工具時，加加速度是必須要考慮的因素［6］。在非線性動力學中，加加速度也有一定應用。載人腿式機械人作為一種交通工具，顯然具有非線性動力學特征，本文有必要對加加速度進行分析。

4高度優化

4.1Matlab最優求解對機器人大腿運動曲線進行求一次導、二次導和三次導，得a桿的角速度ω，角加速度a以及角加加速度j。為求得最優高度h，分別研究t=0s，t=0.01s，t=1s時刻的加加速度。在Matlab中編寫程序，得到O2點在不同高度下不同時刻的加加速度，如表2所示。加加速度代表加速度變化的快慢，根據j的意義，求t=0s和t=1s時刻各高度所對應的加加速度的絕對值，并在Matlab中進行結果仿真，如圖3所示。根據表2及圖3可知，t=0s時j為常數，此后j的絕對值將逐漸減小，因此只需研究t=1s時刻各高度所對應加加速度的絕對值。由圖3可知，當h=500mm時，j1=0.000590981＜ξ=1×10－3，加加速度最小，運動最為平穩。

4.2結果驗證為驗證結果是否合適，對t=0－1s求其角速度ω，角加速度a以及加加速度j。此時視h=500mm為已知條件，在Matlab中編寫程序，求得結果如表3所示。并根據此結果進行仿真，得到此時的角速度ω，角加速度a以及加加速度j曲線，如圖4所示。由表3和圖4可知，加加速度的絕對值逐漸減少趨向于0，保證機器人行走時做到平穩減振，人體感覺自然舒適。此時的加速度及角速度曲線也較為光滑，基本符合要求，但由于初始加加速度的絕對值仍＞ξ=1×10－3，這說明桿長和速度仍需要完善，應對不同階段的速度及各個桿長進行優化。在該種情況下，速度和高度均為未知數，對于這種多參數的優化，文中可使用變分法。

5變分原理

變分法的基本問題是求泛函的極值問題和相應的極值函數［7－8］。

6結束語

本文設計了一種可載人的腿式爬樓梯機器人結構，通過加加速度的分析，用Matlab進行高度優化及結果仿真，該機器人具有較大的平穩性。經多次試驗數據分析驗證，軟件評定結果與數學計算理論值基本一致，誤差≤1%。

參考文獻

［1］于蘇洋，王挺，王志東，等．基于傾翻與滑移穩定性準則的輪椅機器人爬樓梯控制方法［J］．儀器儀表學報，2014，35(3):676－684．

［2］司躍元，趙新華，侍才洪，等．輪履復合機器人行走機構的設計及運動學分析［J］．機械設計與制造，2013(7):191－193．

［3］劉靜，趙曉光，譚民．腿式機器人的研究綜述［J］．機器人，2006，28(1):81－88．

［4］李樹榮，張強．計算機數控系統光滑時間最優軌跡規劃［J］．控制理論與應用，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，佘守憲．關于加加速度的若干機械運動分析及Matlab模擬［J］．大學物理，2005，24(2):57－62．

［7］梁立孚．變分原理及其應用［M］．哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2005．

［8］林畛主．變分法與最優控制［M］．哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，1987

作者：顧巖秀 華云松 單位：上海理工大學 光電信息與計算機工程學院