Towardsabio-inspiredlegdesignforhigh-speedrunning
對高速運行仿生腿的設計
班級:機械工程學生:李**學號:331402000***
高速地面運動不可避免地涉及高加速度和腿上大量負載。這就會帶來一個具有挑戰(zhàn)性的關于腿設計在重量和強度之間的權衡。本文介紹了一種靈感來自肌肉骨骼結構新的機器人腿部設計。此外,我們還提出了一個優(yōu)化方案,最大限度地提高強度重量比。使用腱骨協(xié)同定位體系結構,在步幅過程中骨的應力降低高達59%。一個新的泡沫核心成型技術能夠創(chuàng)建類似于哺乳動物的骨骼結構特點的機器人腿部。這個方法允許我們使用更輕的聚合物結構,比傳統(tǒng)的制造方法制造的更便宜和更快,并最終可以大大縮短設計迭代周期時間。摘要文獻的主要內容1簡介2髕腱協(xié)同定位設計3單腿運行測試4結果與討論5輕腿的制造6結論1簡介在自然界中,運行速度是捕食者和獵物之間生存的一個重要方面。動物,如獵豹和羚羊已經演變成為快速和敏捷的運動員。通過觀察發(fā)現(xiàn)它們的長和瘦骨抵抗彎矩和高速行駛過程中引起的高地面反作用力的能力是耐人尋味的。這種能力既承受很高的地面反作用力,同時盡量減少對腿部轉動慣量之間的權衡,在高速運動時可以自然的解決。在這項工作中,我們將提出一個關于如何自然處理這種權衡假設。隨后,我們將評估這個假設的仿生機器人腿設計。1.1設計權衡地面反作用力直接相關的責任因子1。在穩(wěn)態(tài)運行時,總垂直脈沖循環(huán)一個周期的運動必須與總引力沖動滿足動量守恒:Fzdt=mgT.
上述公式描述,對于一個循環(huán)運行,小責任因素必然會造成更高的地面反作用力。通常情況下,高速行駛需要更高的步頻和低的責任因數(shù)[1]。另一方面,快腿在擺動階段前伸是更高的步頻的關鍵。這是因為腿驅動具有改變方向兩次(地面行程到牽引和牽引到回縮),而在飛行階段創(chuàng)建一個循環(huán)的軌跡。這需要高加速度和小腿的減速度。如此高的步頻可以通過兩種方式來實現(xiàn):(1)增加驅動器的能力(2)減小腿慣性。在設計一個高速腿式機器人的兩個設計約束是敏捷性和結構完整性,它們之間規(guī)定一個緊要權衡要求低慣量和高強度。1.2機器人的腿部形態(tài)許多仿生機器人形態(tài)被設計用來降低遠端腿的轉動慣量。文獻中使用的技術:定位驅動器更靠近身體(例如導電弓,電纜驅動器等);使用無源順從連接下驅動的腿,以盡量減少腿慣性。串聯(lián)彈性驅動方法使用機械順從性減少腿的阻抗。另一個常見的設計技術來處理強度和重量之間的權衡是使用高強度重量比的材料,如碳纖維、鋼鐵、鋁合金和鈦鎂合金。使用管式元素也普遍,特別是在高速機器人。我們的目標是從生物力學觀察假設的設計原則和發(fā)展可行的工程解決方案來設計質輕而強壯的腿。作為這一目標,基于假設我們提出一個新的仿生腿為四肢行走的機器人設計。2、髕腱協(xié)同定位設計2.1假設我們假設增效協(xié)同定位的骨頭和肌腱在運行減少在骨骼彎矩。生物學家認為,腿部的骨頭攜帶負載由于地面的影響并不是唯一組成部分。當骨頭在壓縮負載下肌肉,肌腱和韌帶張緊。當骨骼在壓縮超過張緊時有更好的強度和肌腱和肌肉在高度張緊有更高的強度,高強度分的布負載允許設計質輕和強大。作為一個例子,考慮人類的解剖骨骼腿(圖1(a))。當有大型負載運行期間,腳踝將經歷一個高的時刻(約一個重70公斤的人承受309牛)。然而,地面反作用力分布在軸力和肌肉骨骼和肌腱單位因此避免大彎矩。同樣的原理可以應用于趾行的的遠端肢體結構(如貓和狗)和有蹄類動物。圖1所示。骨骼和肌腱/韌帶的協(xié)同安排在人(A)所示,和馬的腳(b),(c)和(d)分別顯示骨上的概念壓力剖面沒有和腱。2.2理論分析有蹄類動物評估潛在的腿在高速應用運行機器人設計,重要的是要確定的壓力腿的組件造成的地面壓力的反應。圖2。麻省理工學院(a)的腿設計機器人獵豹。承擔張緊部分是最小化的高強度材料制成的彎曲的骨頭。(b)沒有肌腱參數(shù)表示。(c)髕腱協(xié)同定位的設計。紅線代表一個等價的鉸接結構。3單腿運行測試使用本文描述的方法評估腿的性能設計,我們已經開發(fā)出一個原型的腿麻省理工學院機器人獵豹。在運行中識別一個腿地面反作用力裝置,我們還設計了一個實驗裝置可以用來模擬一個運行步驟在平面約束。主要部分有計算機、傳感器和電力電子坐落在機器之上。兩個長度測量激光傳感器(MICRO-EPSILON勞工1030-8)在一個倒V裝置用來計算的高度和身體的螺旋角,如圖所示。單腿跳實驗瞬時快照4結果與討論
在本節(jié)中,我們將腿報告的結果優(yōu)化執(zhí)行,并基于髕腱協(xié)同定位的設計如2.2節(jié)所述。此外,我們還將演示在真正的腿上實驗使用本文描述的設計原則加載條件。4.1髕腱協(xié)同定位結果4.2結構優(yōu)化的結果4.3有限元分析4.1髕腱協(xié)同定位結果客觀地評價髕腱的協(xié)同定位的設計(圖2(b))的腳踝腿結構剛度設計(圖2(a)),我們比較強調兩種不同的結構設計方法。圖2提供應力松弛的腿結構、髕腱同時協(xié)同定位的設計合規(guī)的腿已被證明。然而,腿的設計進一步優(yōu)化,以減少腿上的總壓力減少腿部的整體重量,對運行是必要的。4.2結構優(yōu)化的結果我們描述了一個優(yōu)化問題,可以解決獲取設計參數(shù)并且總重量最小化的腿結構。使用優(yōu)化工具箱Matlab,我們解決了這個問題。優(yōu)化的目標是最小化方程中定義的整體重量中定義的約束方程。我們使用函數(shù)定義在MATLAB優(yōu)化工具箱獲取解決方案。4.3有限元分析使用前一節(jié)中描述的優(yōu)化設計的結果作為一個指導原則,我們基于髕腱主機代管概念開發(fā)了下體重腿設計,同時考慮制造約束。優(yōu)化的結果提供最低容許截面半徑和腳。最終的設計維度半徑和腳的最小截面作為參考,隨后平滑特性的設計,以便更好地聯(lián)合力量。評估潛在的性能的腿設計,對麻省理工學院的獵豹,我們利用Solidworks進行靜態(tài)有限元分析評估特定加載的腿。這個分析的目的,我們假設在最大的地面反作用力的時候,腳線連接到肩膀。我們獲得壓力剖面的結構對于地面的反作用力進行有限元分析模擬。此外,為了簡化分析,我們假設嚴格的機械結構。這找到了需要解決的問題泡沫芯的變形材料的實際使用原型,捕獲所需的高度非線性應變率方程。有限元分析的結果為兩個設計概念如圖所示。兩個不同的模型代表了腳踝剛度設計腿(左)和設計使用髕腱協(xié)同定位方法(右)。有限元分析l腳踝剛度設計腿(左)和髕腱協(xié)同定位方法(右)在1000N垂直荷載。我們已經表明,髕腱間的協(xié)同定位腳和半徑,提供了質輕更強的腳和半徑。在本節(jié)中,我們將解釋一個仿生制造方法制造重量輕的骨骼結構。從生物結構的啟發(fā)如骨頭的柔性、質輕和內在低剛度(松質骨)和高剛度shell(皮質骨),這將允許骨頭輕而堅固。這種設計可以承受高彎曲時刻的高區(qū)慣量。5輕腿的制造5.1泡沫芯復合加工為制造高強度重量比結構機器人獵豹的前腿,我們開發(fā)了原型方法稱為泡沫芯復合制造。這允許我們合成制造腿結構使用實驗室規(guī)模成型方法。這制造過程如圖所示制造泡沫芯復合機器人結構步驟。(a)模具由數(shù)控銑,(b)泡沫芯鑄出RTM,(c)定位磁盤組成的外殼材料泡沫,(d)無線內部真空澆注設備室將樹脂殼型,(e)完整的半徑鏈接和截面。5.2肌腱連接在髕腱協(xié)同定位設計時,制造的另一個挑戰(zhàn)的腿是適當?shù)碾斓墓趋澜Y構。用粘合劑粘合外面的肌腱容易疲勞失效,在剝皮部分應力集中在腱的邊緣點。我們來解決這些問題采取兩種方法:埋置和ladder-locking。如圖顯示了封裝腱的腳使用型內嵌入技術。6結論在本文中,我們提出了一個基于在髕腱協(xié)同定位應用體系骨骼結構承受彎矩的設計理念。我們通過分析和實驗證明這一設計理念,使我們能夠顯著改善具體魯棒性的高性能移動腿結構機器人技術。除了改進的健腿結構、髕腱協(xié)同定位,還對允許并發(fā)引入合規(guī)和強化腿結構的節(jié)能運行具有潛在的影響。此外,我們還引入了一個新的原型技術,允許快速和廉價的制造泡沫芯poly-urethane復合。使用這種技術,我們創(chuàng)建半徑重12