基于雙自由度轉(zhuǎn)調(diào)機構(gòu)的仿生機器人設計

基于雙自由度轉(zhuǎn)調(diào)機構(gòu)的仿生機器人設計

0仿生機器人的設計目前，模仿機器人的研究是機器人學研究的熱點之一。模仿機器人包括模仿人類和模仿生物的機器人。前者模仿人的肌體構(gòu)造或器官功能,如仿人手、手臂、類人機器人等。后者模仿各種生物如螞蟻、象鼻、螃蟹等的功能。人型機器人的研究始于20世紀60年代,在歷經(jīng)數(shù)十年的研究中,著名的研究成果有日本人形娛樂機器人SDR-4X,美國麻省理工學院的COG機器人等。在仿生機器人的研究中,機器狗的研究同樣引起了人們的關注,如索尼公司的“愛寶”、波士頓動力學工程公司設計的四足機器人“大狗”等。上述仿生機器人的各關節(jié)均由串聯(lián)機構(gòu)組成,雖然串聯(lián)構(gòu)型在控制上比較容易實現(xiàn),且結(jié)構(gòu)簡單,但如下不足影響了其使用范圍:(1)剛度弱;(2)肢體功能不完全,如頸部、腰部等處采用了單轉(zhuǎn)動副,與生物體的實際運動差距較大,且不利于合理的運動補償、平衡的保持、姿態(tài)的變換等。為克服上述缺陷,周玉林等將并聯(lián)機構(gòu)引入仿人機器人研究,構(gòu)造了人形機器人的整體構(gòu)型。高峰提出各種仿生單元的研制是當前機器人仿生學研究的主要手段。由于生物體的許多關節(jié)具有多自由度的特性,故多自由度并聯(lián)關節(jié)的研究對仿生機器人的實現(xiàn)有積極意義。構(gòu)造新型少自由度并聯(lián)機構(gòu),并運用于新型仿生機器人的設計是極具挑戰(zhàn)的課題。并聯(lián)雙自由度轉(zhuǎn)動機構(gòu)RGRR-I和RGRR-II均只有3個活動構(gòu)件,且均具有工作空間/機構(gòu)尺寸比大、機構(gòu)耦合度為零的特點;RGRR-Ι可以實現(xiàn)繞固定坐標系z軸的擺動,幅度為–90o~90o,以及繞擺動軸x1軸360o的轉(zhuǎn)動;RGRR-II可以繞固定坐標系z軸360o的轉(zhuǎn)動,以及繞旋轉(zhuǎn)軸y1軸做–90o~90o的擺動;RGRR-I比RGRR-II剛度高,RGRR-II可以實現(xiàn)半球面無死點的運動。因此,RGRR-Ι、RGRR-II可以設計成仿生機器的關節(jié),并為新型仿生機器人的實現(xiàn)提供技術(shù)保證。本文依據(jù)狗的生理結(jié)構(gòu)和主要功能,研究并提出一種仿生機器人各關節(jié)運動的簡化方法,在此基礎上,運用RGRR-Ι、RGRR-II以及單自由度轉(zhuǎn)動機構(gòu)設計機器狗的各關節(jié),以構(gòu)造多自由度的混聯(lián)機器狗。1rgr-i和rgr-ii的機構(gòu)特征1.1rgr特征分析1.1.1y1軸的確定坐標系建立:以錐齒輪1的軸線為z1軸,箭頭指向從左向右;以錐齒輪2的軸線為x1軸,箭頭指向從下向上,根據(jù)右手法則確定y1軸,如圖1所示;在0時刻,固定坐標系Oxyz和動坐標系O1x1y1z1相重疊(z1軸與z軸始終重合)。1.1.2rgrr-工作空間分析(1)輸入、輸出角度之間的關系。當錐齒輪1、系桿3分別轉(zhuǎn)動α1、α3,其運動輸出構(gòu)件錐齒輪2在固定坐標系Oxyz的旋轉(zhuǎn)矩陣為式中,1θ、θ2分別為輸出構(gòu)件錐齒輪2繞坐標x1和z1(z)的轉(zhuǎn)角。(2)RGRR-Ι工作空間分析。RGRR-Ι型并聯(lián)機構(gòu)可以實現(xiàn)繞固定坐標系z軸的擺動,幅度為–90o~90o,以及繞擺動軸x1軸360o的轉(zhuǎn)動。(3)輸入、輸出角度速度、角加速度之間的關系。對式(1)求導,可以得出工作臺(行星齒輪2)在固定坐標系Oxyz中,描述角速度、角加速度的矩陣分別為1.2rgr特征分析1.2.1坐標系的建立圖2a為RGRR-II機構(gòu)簡圖,RGRR-II機構(gòu)中錐齒輪2固定不動,錐齒輪1和系桿3分別為運動輸入構(gòu)件,構(gòu)件為運動輸出構(gòu)件。坐標系建立如圖2b所示,以錐齒輪2分度圓錐的直徑為定坐標系Oxyz的y軸,且指向為水平向右;錐齒輪2分度圓錐的圓心為固定坐標原點O;以過O點系桿垂直軸的軸心線為z軸,向上為正;根據(jù)右手法則確定x軸。動坐標系O1x1y1z1的z1與定坐標系的z軸重合,y1為取系桿3的水平軸的軸線,用右手法則確定x1軸。在零時刻,定坐標系Oxyz的y軸和動坐標系O1x1y1z1的y1軸平行,且指向相同。1.2.2rgrr-iii型串聯(lián)機構(gòu)(1)輸入、輸出角度之間的關系式中,1β、β2分別為繞擺動軸y1的擺動角度和的固定軸z(z1)的旋轉(zhuǎn)角度;1α、α3分別是錐齒輪1和系桿3的運動角度。(2)工作空間。RGRR-II型并聯(lián)機構(gòu)可以實現(xiàn)繞固定坐標系z軸360o的轉(zhuǎn)動,以及繞旋轉(zhuǎn)軸y1軸做–90o~90o的擺動。(3)輸入、輸出角速度、角加速度之間的關系。分別對式(4)求一階、二階導數(shù),可以得出運動輸出構(gòu)件支架在固定坐標系Oxyz中下,描述角速度、角加速度的矩陣1.3rgrr-iii旋轉(zhuǎn)軸的改變RGRR-?可以實現(xiàn)繞固定坐標系z軸的擺動,幅度為–90o~90o,以及繞擺動軸x1軸360o的轉(zhuǎn)動;RGRR-Ⅱ可以實現(xiàn)繞固定坐標系z軸360o的轉(zhuǎn)動,以及繞旋轉(zhuǎn)軸y1軸做–90o~90o的擺動,即RGRR-II可以實現(xiàn)半球面無死點的運動,其工作空間大于RGRR-?;但RGRR-?的剛度高于RGRR-II。2狗的生理結(jié)構(gòu)分析和運動關節(jié)簡化2.1狗的生理結(jié)構(gòu)分析2.1.1牧馬的主要軟骨和關節(jié)犬體全身骨骼共有257~264塊組成,可分為中軸骨骼、四肢骨骼和內(nèi)臟骨骼。中軸骨骼位于犬體正中線上,構(gòu)成犬體的中軸,包括軀干骨和頭骨;四肢骨包括前肢骨和后肢骨,下面就牧羊犬的主要骨骼和關節(jié)做簡單介紹。軀干骨:軀干骨包括脊柱、肋和胸骨。脊柱有一系列椎骨,即頸椎、胸椎、腰椎、薦椎和尾椎,借助軟骨、關節(jié)和韌帶連接而成。前肢骨:前肢的肩帶與軀干不僅形成關節(jié),而且借助肩帶肌肉將肩胛骨與軀干連結(jié),其余關節(jié)自上而下依次是肩關節(jié)、肘關節(jié)、腕關節(jié)和指關節(jié)。后肢骨:后肢骨關節(jié)的連結(jié)有薦髂關節(jié)、髖關節(jié)、膝關節(jié)、跗關節(jié)和趾關節(jié)。后肢各關節(jié)與前肢各關節(jié)相對,除趾(指)關節(jié)外,各關節(jié)角方向相反,各關節(jié)均有側(cè)副韌帶,故為單軸關節(jié),主要進行屈伸運動。2.1.2雙軸關節(jié)的特點根據(jù)關節(jié)運動軸的數(shù)目?？梢苑譃槿N。(1)單軸關節(jié):是在一個平面上,圍繞一個軸運動的關節(jié)。犬的四肢關節(jié)多數(shù)為單軸關節(jié),如腕、肘、指等關節(jié),一般只能圍繞橫軸、在矢狀面上作屈、伸運動。(2)雙軸關節(jié):可以圍繞兩個運動軸進行活動的關節(jié),除了可以沿橫軸作屈、伸運動外,還可以沿縱軸左右擺動。(3)多軸關節(jié):有3個互相垂直的運動軸,這種關節(jié)多面呈球或窩狀,可以作多種方向的運動,除能作屈、伸、內(nèi)收和外展運動外尚能做旋轉(zhuǎn)運動,如髖關節(jié)、脊柱骨。2.1.3骨髓炎的運動關節(jié)的運動,關節(jié)在肌肉的作用下,可以發(fā)生各種運動。關節(jié)運動與關節(jié)面的形狀及其相關韌帶的構(gòu)造有著密切的關系,歸納為4種基本形式。(1)伸、屈運動:關節(jié)沿橫軸運動,運動是使關節(jié)的兩骨接近,關節(jié)角變小為屈,關節(jié)擴大為伸。(2)內(nèi)收、外展運動:關節(jié)沿縱軸運動,使骨向正矢面移動為內(nèi)收;相反,使骨遠離正矢面的運動為外展。(3)旋轉(zhuǎn)運動:骨環(huán)繞垂直軸做旋轉(zhuǎn)運動。向前內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)時稱為旋內(nèi),相反,稱為旋外,如犬的髖關節(jié)能作小范圍的旋轉(zhuǎn)運動。(4)滑動:是一種簡單的運動方式。相對關節(jié)面的形態(tài)基本一致,一個關節(jié)面在另一關節(jié)面上輕微滑動,如頸椎關節(jié)突之間的運動。2.1.4腰椎骨的一般形態(tài)本文用歐拉角RPY角來描述運動性質(zhì),定義R表示轉(zhuǎn)動、P表示移動、H表示螺旋運動、S表示球面運動;字母R、P、Y為下標表示運動方位,滾動、俯仰和擺轉(zhuǎn)分別用RR、RP、RY表示,如PY為沿Y軸的移動;用“–”、“+”表示運動之間的串并關系,如SR+P+Y表示具有R、P、Y三轉(zhuǎn)動的并聯(lián)球面機構(gòu),UR-P表示R、P兩轉(zhuǎn)動串聯(lián)機構(gòu)。狗的頸椎:狗的頸椎共有6塊。除第1頸椎和第2頸椎比較特殊外,其他4塊頸椎呈典型的椎骨的一般造型。第1頸椎又稱環(huán)椎,形如環(huán)狀可實現(xiàn)屈伸,和較小的側(cè)擺運動,可簡化為P、R方向轉(zhuǎn)動RP、RR。第2頸椎又稱樞椎,其特點四具有高而長的棘突,呈長板狀,借助椎體前的棘突與環(huán)椎形成可動性關節(jié),骨頭可以自由轉(zhuǎn)動,可以簡化為Y方向的轉(zhuǎn)動RY。第3~5頸椎,越靠近胸椎其椎骨變得越短,第6頸椎呈胸椎的形態(tài),椎體短,棘突發(fā)達,可實現(xiàn)小量的屈伸、側(cè)擺和環(huán)轉(zhuǎn)運動。狗的胸椎:狗的胸椎共有13塊,可實現(xiàn)少量的回旋運動,簡化為Y軸的轉(zhuǎn)動RY。狗的腰椎:狗的腰椎共有7塊,可實現(xiàn)脊柱的屈伸和側(cè)屈運動,可簡化為P、R方向轉(zhuǎn)動的RP、RR。肩關節(jié):肩關節(jié)是肩胛骨和上臂構(gòu)成的單關節(jié)。關節(jié)角頂向前,關節(jié)囊松大,無副韌帶,故關節(jié)的活動性大,為多軸關節(jié)。主要進行屈伸運動,但犬仍能作一定程度的內(nèi)收、外展及外旋運動?？珊喕?自由度的球面副S。腕關節(jié):前臂腕關節(jié)和腕骨尺骨間關節(jié)共有一個關節(jié)腔,能進行屈、伸運動和旋內(nèi)或旋外運動,可簡化為P、Y方向的轉(zhuǎn)動RP、RY。肘關節(jié):骨肘關節(jié)只能做屈伸運動。可簡化為轉(zhuǎn)動P方向的轉(zhuǎn)動RP。髖關節(jié):髖關節(jié)能進行多向運動,但主要是屈伸運動,并可伴有輕微的內(nèi)收、外展和旋內(nèi)、旋外運動,可簡化為3自由度的球面副S。膝關節(jié):膝關節(jié)為單軸復關節(jié),能做屈、伸運動?？珊喕癁镻方向的轉(zhuǎn)動RP。跗關節(jié)又稱飛節(jié),微動以起緩沖作用?？珊喕癁镻、Y方向的轉(zhuǎn)動RP、RY。2.2動物關節(jié)的獨立運動能力任何一款仿生機器是指模仿生物的部分功能,但不排除在某項功能上,仿生機器超越被模仿生物,如機器人的抗輻射、耐熱等能力超過了人類。由于多年的進化,生物各關節(jié)的運動一般難以用機械結(jié)構(gòu)完全實現(xiàn),故需要根據(jù)仿生機器人的設計要求,對各關節(jié)的獨立運動的重要性/權(quán)重做出評定,以英文字母A、B、C為序,A>B>C,在設計各關節(jié)的機械結(jié)構(gòu)時,所選用的機構(gòu)構(gòu)型應能優(yōu)先滿足重要性/權(quán)重高的獨立運動。牧羊犬各關節(jié)的獨立運動重要性/權(quán)重見下表。表狗的生理關節(jié)及功能評判2.3rgrr-iii機構(gòu)設計頸關節(jié):依據(jù)第2.1節(jié)的分析,可知在頸關節(jié)主要實現(xiàn)兩個方向的轉(zhuǎn)動即RY、RP。RGRR-I和RGRR-II機構(gòu)均有2個轉(zhuǎn)動自由度,但RGRR-II機構(gòu)的末端可以實現(xiàn)半球面無死點的運動,且機器狗的頭部重量比較輕,不需要很高的剛度,故選用RGRR-II機構(gòu),如圖3所示。運用RGRR-II機構(gòu)構(gòu)造機器狗的頸關節(jié),可以進行大范圍的觀察。腰關節(jié):從上表的分析可知,RP、RY的權(quán)重分別為A、B,且軀干要承受相當?shù)呢撦d,且對機構(gòu)的剛度要求較高,故選用如圖4所示的RGRR-I機構(gòu)做機器狗的腰關節(jié)。肩關節(jié):根據(jù)上表的分析,繞P軸、Y軸、R軸轉(zhuǎn)動的權(quán)重分別為A、B、C,因RGRR-I不僅可以實現(xiàn)繞P軸、Y軸,且剛度特性好,故選用RGRR-I機構(gòu)設計狗的肩關節(jié),滿足RP、RY的運動要求。肘關節(jié)和膝關節(jié):從上表可知,肘關節(jié)和膝關節(jié)可以選用單自由度轉(zhuǎn)動機構(gòu)既可。腕關節(jié)和跗關節(jié):根據(jù)上表,腕關節(jié)和跗關節(jié)主要實現(xiàn)RP、RY,且有比較高剛度的要求,故選用RGRR-I機構(gòu)。3別表2:圖6、2根據(jù)上述,設計機器狗前肢、后肢分別如圖5、6所示;所設計的機器狗分別如圖7、8所示。從圖7、8可以看出,所設計的機器狗有24自由度。4生物狗各關節(jié)的獨立運動(1)由于多年的進化,生物的各關節(jié)運動一般難以用機械結(jié)構(gòu)完全實現(xiàn),故在研究仿生機器的過程中,必須抓住生物系統(tǒng)的一些基本行為特征,保持生物系統(tǒng)和人造系統(tǒng)在基本原理上的一致,本文提出重要性/權(quán)重法作為簡化各關節(jié)運動的依據(jù),在機器狗的設計中,根據(jù)其生理結(jié)構(gòu)和任務賦予的主要功能,依據(jù)重要性/權(quán)重,對生物狗各關節(jié)的獨立運動做出評定,以英文字母A、B、C為序,且A>B>C,設計時,優(yōu)先考慮運用相應的機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)權(quán)重高的獨立運動。(2)并聯(lián)雙自由度轉(zhuǎn)動機構(gòu)RGRR-I和