双足步行机器人结构可视化设计_杨宇

双足步行机器人结构可视化设计＊

杨宇,陶学恒

(大连工业大学机械工程与自动化学院,辽宁大连　116034)

摘要:采用Wa t t-21型平面六杆机构作为基本的行走机构,探讨了步行机器人行走机构应有的特性,完成了机构的运动分析。同时为了便于分析,利用P r o/E建立了双足步行机器人的三维模型,并在软件中进行了运动仿真。利用计算机的可视化设计技术来修正设计参数。

关键词:双足步行机器人;运动仿真;可视化设计

中图分类号:T P24;T H789 文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2008)01-0020-03

机器人技术作为信息技术和先进制造技术的典型代表和主要技术手段,已成为世界各国竞相发展的技术。研制具有人类外观特征,可以模拟人类行走与基本操作功能的类人型机器人,一直是人类的梦想之一,而双足步行机器人属于模拟人类行走的机器人。步行机器人技术是一种涉及仿生学、机构学、传感技术及信息处理技术等综合高科技的技术,无论是医疗康复的应用研究,还是航天科技的探测器,甚至日常生活的玩具都能够见到步行机器人的身影,步行机器人对人们生活的影响正日益增大,对步行机器人的研究也更加深入。对于步行机器人的发展,如何解决步行机器人结构运动的问题是步行机器人发展中亟需研究的问题之一。

目前的划分标准是按照步行脚的足数来划分的,可以分为单足、双足、三足和多足,其中又以双足步行机器人为机器人领域的研究热点,主要由于自动化程度高,动态系统复杂及丰富的动力学特性,并且对于环境的适应能力强,能够跨越大的障碍物。从步行机器人的机构分析着手,对采用Wa t t-21型六杆机构作为类人型腿机构的步行机器人进行分析,并且通过P r o/E软件进行了几何建模,在计算机上实现步行机器人的可视化设计,同时在仿真环境下对步行机器人的设计参数进行验证,确定是否达到所设计的目的和修正腿机构的协调运动。显然,这一工作若在物理样机上进行实验验证,必然会加大设计和试验周期,而通过计算机技术,将大幅度地提高效率。

1　双足步行机器人组成结构及

原理分析

步行机器人的研究是一门综合性很强的学科,在一定程度上代表着一个国家的高科技发展水平。对于采用Wa t t-21型六杆机构的步行机器人,其主要结构分为两部分:腿机构和驱动机构,并且两者之间是采用串联的形式连接。通过步行机器人的结构示意图(图1),可以清晰地了解这两部分。腿机构的运动是步行机器人的关键机构,其性能决定了机器人速度、稳定性、刚度等性能,因此,对于腿机构的研究就显得格外重要。腿机构可以简单看成一个双摇杆机构,在连杆的一端引出伸出端,尾端的轨迹可以近似看成人类行走时的轨迹,而驱动机构则是采用一个曲柄摇杆机构,通过圆周运动的驱动装置就可以带动运转。在两者之间,将驱动机构的摆杆作为腿机构的动力源,实现了驱动机构与腿机构的串联形式。由于两部分都是平面四杆机构,要真正模拟人行走时的姿态是存在着困难的,但通过选取合理的参数,可以将伸出杆的轨迹控制在所要实现的范围之内

。

图1　步行机器人结构示意图

在图1中可以看到在A B C D四杆机构中,A B杆可绕A点进行圆周运动,是四杆机构的驱动元件,B C杆是连杆,C D杆是摇杆,此部分是步行机器人的驱动部分结构。在D H F E四杆机构中,D H杆是四杆机构的驱动元件,H F杆是连杆,F E杆是摇杆,单独地看,认为D H F E是双摇杆机构。将C D杆与D H杆以适当的角度连成一体,通过一个驱动设备就可将机构驱动,在H F连杆上引出引杆F G,G点的轨迹近似于人类行走时的轨迹。由于将C D杆与D H杆连在一起,可将两杆看成一个构件,因此整体上看此机构是六杆机构。

2　双足步行机器人结构可视化设计

计算机可视化技术的迅速发展,使得双足步行机器人的快速设计成为可能。一方面,通过计算机建立起几何模型,真实地反映实体结构;另一方面,通过运动仿真可以确定步行机器人的行走姿态,并且可方便地修改设计尺寸,达到最佳的行走

第25卷第1期2008年1月

机　械　设　计

J O U R N A LO FM A C H I N ED E S I G N

V o l.25　N o.1

J a n. 2008

＊收稿日期:2007-04-18;修订日期:2007-08-24

作者简介:杨宇(1982-),男,辽宁葫芦岛人,硕士研究生,主要从事机械C A D,C A M方面的研究工作。DOI:10.13841/https://www.360docs.net/doc/7e16397307.html, ki.jxsj.2008.01.022

姿态。可视化设计直观地反应出设计参数对设计结果的影响,

同时修改方便,大量缩短了试验周期。2.1　双足步行机器人几何建模

几何模型是可视化设计的基础,采用商业化C A D 软件P r o /E 来建立模型十分适合,它提供了强大的机械设计模块,可方便地观测到所设计的模型。由图1分析可知驱动机构和腿机构均是四杆机构。腿机构的几何模型如图2所示,图中①②③组合为腿机构的模型,连杆与引杆以一个角度连接在一起,呈现出“Y ”字形,通过调整角度来得到所需要的轨迹。驱动机构的几何模型如图3所示,图中④为驱动机构的模型,驱动杆为短杆,作圆周运动,实现驱动。两部分连接在一起,组成完整的运动机构。图4所示为装配完成后的双足步行机器人。步行机器人驱动机构要使用一个动力源来驱动两条腿的运动,采用蜗轮机构两端输出,保证两条腿的运动周期是相同的,其中驱动机构中的摆杆与腿机构的摇杆是一个零件,在各自的几何模型中采用不同的编号进行区分

。

2.2　双足步行机器人运动仿真过程

在P r o /E 中,运动仿真的过程主要分4个部分:创建机构、添加驱动器、进行机构仿真及分析仿真结果。将定义的实体装配在一起,并且定义连接单元的运动形式,这样的整体称为一个机构。拖动可移动的零件,观察模型装配连接的情况,设置连接轴约束,并且拍摄快照作为执行分析的起点位置。由于是蜗轮蜗杆的传动,可以看成是齿轮的连接,定义它们的连接轴并且输入它们的节圆大小,在属性一栏中输入传动比的数值,完成了齿轮连接的设定。定义机构中添加伺服电动机,选择蜗杆的轴线为连接轴,根据需要选择所需电动机的各项参数,完成伺服电动机的定义。建立分析的类型,可以选择运动学分析选项,设定起始时间与终止时间,并且选择拍摄快照的位置为起始位置。这样准备工作做完,可以执行仿真。仿真过程可以保存为.m p g 文件,在其他视频软件上播放。图6所示为步行机器人在运动过程中的运动姿态,可以清晰地看到运动过程中每

一点的变化。

3　结束语

随着步行机器人应用领域的不断扩大,对步行机器人的设计提出了更高的要求,这种利用P r o /E 软件建立双足步行机器人的三维几何模型,并进行了计算机仿真的方法,使设计者对步行机器人的具体结构有了直观感性认识。按照可视化设计的参数制作的成品模型,与设计的演示结果相一致,证明了可视化设计的可用性。文中研究的双足步行机器人的行走姿态机构的可视化设计,对于在平地的动态行走及跨越障碍,甚至

在不平的路面行走等要求,还有待进一步地研究。

参考文献

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计[J ].机电产品开发与创新,2006,19(2):34-36.

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社,2003.

[5]　和青芳,徐征.产品设计与机构动力学分析[M].北京:机械工

业出版社,2005.

S t r u c t u r a l v i s u a l i z a t i o nd e s i g no f d o u b l ef e e t w a l k i n gr o -b o t

Y A N G Y u ,T A O X u e -h e n g

21

2008年1月杨宇,等:双足步行机器人结构可视化设计

多支承变截面转子轴系模型求解及有限元验证技术

＊

孙少军,张俊红,高建,岳立喜

(天津大学机械工程学院,天津　300072)

摘要:以200WM 汽轮发电机组模拟轴系为例,运用模态综合法建立了动力学模型。采用二分法和L U 分解法分别

获得系统的固有频率和主模态,并采用N a s t r a n 软件进行有限元分析验证上述理论和方法的正确性。最后,根据工程实际中出现的激励方式,采用N e w m a r k 时间差分法和五点空间差分法联合求解强迫弯曲振动动力学响应,该工作不仅对于这类多支承变截面转子轴系的理论分析具有重要的研究意义,还对其结构优化设计具有十分重要的指导作用。

关键词:汽轮发电机;模态综合法;有限元中图分类号:T H 133 文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2008)01-0022-04

大型转子轴系是汽轮发电机组中的一个核心部件,也是一

个结构复杂的连续体,具有无穷多阶弯曲和扭转模态。其自身结构及动态特性不仅是发电机组振动噪声产生的根源之一,而且还极大地影响其自身的疲劳寿命[1]。目前对多自由度系统动态特性的研究很多,如L i uH [2]基于连续单元影射的思想,提出一种新型的单元影射方法并对此进行研究。此外,还讨论了初始条件对转子轴承系统的影响规律。该方法的最大特点是可以对非线性动力学系统进行整体分析。王正[3]提出一种将机架对转子的影响通过机架阻抗反映出来的转子-轴承-机

架系统对质量不平衡响应的计算方法。其他学者采用诸如有限元法[4,5]、传递矩阵法[6]、模态综合法[7]等对转子轴系进行分析研究,都取得了一定的成果。然而,对于多支承变截面这类大型转子轴系的研究则一般都很困难。

据此,根据系统低阶固有频率相等的原则搭建了200WM 汽轮发电机组转子轴系试验模型,在此基础上,运用模态综合法建立系统的二阶动力学方程,并分析系统的自然频率、主模态等固有特性参数及动力学响应。最后,用有限元方法进行验证。

1　系统动力学建模

汽轮发电机组大型转子轴系的振动能量主要集中在轴系

的低阶模态,轴系对低阶振型比较敏感,对高阶振型的敏感性则相对较低。因此,建立能满足工程需要的集中质量模型,如图1所示。该模型可保证集中质量模型的前几阶模态与实际机组轴系一样,即保证实际机组的基本振动特性。图2为微元轴段所受的力矩示意图。其中Q y 和Q z 为微元轴段在y 和z 两个方向所受的剪力;Q y d x 和Q z d x 为微元轴段两侧剪力所产生的力矩;M x ,M y 和M z 分别为x ,y 和z 的3个方向上的弯矩。对整个轴系来说,Q y d x ,Q z

d x ,M x ,M y 与M z 都属于内力矩

。图1　

模型轴系结构图

图2　微元轴段所受的力矩示意图

根据图2所示微元受力分析,并考虑本构关系,得微元y 向的二次微分方程为:

ρA 2Y t 2+E I d e 4Y x 4

-ρI d 4Y x 2 t 2-2ρI d Ψ 3Z x 2 t

+k y y Y+k y z Z=0(1)

式中:k y y ,k y z

———油膜轴承的动力特性参数;ρ———密度;A ———截面积;E ———材料弹性模量;

I d e

———截面变形部分的直径惯性矩;I d

———截面对y 轴的惯性矩;Ψ———转子的转速;

Y ———各点在y 方向上的振型函数;Z ———各点在z 方向上的振型函数。

(S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n ga n dA u t o m a t i o n ,D a l i a n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y ,D a l i a n 116034,C h i n a )

A b s t r a c t :T a k i n gt h eW a t t -21t y p e dp l a n a r s i x -r o dm e c h a -n i s m a s t h eb a s i cw a l k i n gm e c h a n i s m ,t h ed u ec h a r a c t e r i s t i c s f o r t h ew a l k i n gm e c h a n i s m o f w a l k i n gr o b o tw a sd i s c u s s e da n d t h e m o v e m e n t a n a l y s i so f m e c h a n i s m w a sa c c o m p l i s h e d .A t t h es a m e t i m e ,f o r t h e s a k e o f c o n v e n i e n t f o r a n a l y s i s ,t h e 3Dm o d e l o f d o u b -

l e f e e t w a l k i n g r o b o t w a s e s t a b l i s h e d b y t h e u s e o f P r o /E .A n d t h e m o v e m e n t s i m u l a t i o n w a s c a r r i e d o u t i n s i d e t h e s o f t w a r e .T h e d e s i g -n i n g p a r a m e t e r sw e r em o d i f i e db yt h ev i s u a l i z a t i o nd e s i g n i n g t e c h -n o l o g y o f c o m p u t e r .

K e y w o r d s :d o u b l e f e e t w a l k i n g r o b o t ;m o v e m e n t s i m u l a t i o n ;v i s u a l i z e d d e s i g n

F i g 6T a b 0R e f 5

“J i x i e S h e j i ”7250

第25卷第1期2008年1月

机　械　设　计

J O U R N A LO FM A C H I N ED E S I G N V o l .25　N o .1

J a n . 2008

＊收稿日期:2007-04-03;修订日期:2007-08-10

作者简介:孙少军(1965-),男,山东潍坊人,博士研究生,主要从事振动主动控制和机械动力学方面的研究。