动机器人（共3篇）
动机器人 篇1
0 引言
从运动形式来看,踝关节可视为球铰,具有绕3个垂直轴的转动,即背伸/跖屈、内翻/外翻、内旋/外旋。目前临床使用的踝关节康复训练器结构简单,功能单一,仅提供绕1个轴的转动(背伸/跖屈),因此康复训练并不全面。从关节运动的原理来看,肌肉群共同作用牵引骨骼产生运动,这与并联机构的工作方式非常相似。此外,并联机构具有高刚性、高承载能力等特点,且能以紧凑的结构实现多个自由度的运动。因此,采用并联机构来实现踝关节康复训练具有广阔的应用前景。近年来,国内外学者对此开展了广泛的应用研究。美国新泽西州立大学研制的Rutgers踝关节康复训练器借助于虚拟现实技术来帮助患者实现踝关节的康复训练[1]。由于其主体结构采用了气压驱动的六自由度Stewart平台,除带来噪声影响之外,还提高了整个设备的复杂性和成本。Dai等[2,3,4]所开发的踝关节康复机器人采用了3-SPS/S型并联机构。Liu等[5,6]提出的踝关节康复机器人则采用了3-RSS/S型并联机构。上述两类机构本质相同,由于中间球关节的约束作用,该类机构具有与踝关节相同的球面运动特征,但其转动中心与踝关节并不重合,因此可能引起踝关节非预期的运动。通过分析现有踝关节康复机器人的不足,边辉等[7]提出一种新型的2-RRR/UPRR并联机构。通过巧妙的设计,该机构具有远程回转中心,可保证机构转动中心与踝关节重合。这种机构采用了非对称结构,其回转中心固定,不能满足具有不同关节尺寸用户的使用需求。
本文采用基于3-PUS/S型并联机构的康复机器人来辅助病人实现踝关节的康复训练,通过踝关节到机器人的运动映射分析,以解决机器人回转中心与踝关节中心不重合的问题,为实现机器人的有效控制提供了依据。
1 踝关节康复机器人设计
如图1所示,人体踝关节可视为1个具有3个转动自由度(背伸/跖屈、内翻/外翻、内旋/外旋)的球关节。因此,为了全面、有效地实现踝关节的康复训练,机器人应具备球面运动的能力。传统的踝关节康复仪仅提供单个转动自由度,显然不能满足踝关节复杂运动的需要。本文采用3-PUS/S型并联机构来设计踝关节康复机器人。
假定并联机构满足:(1)机构原动件数等于机构末端执行器的自由度,即原动件数为3,机构既非欠驱动也非冗余驱动;(2)每个分支运动链仅含1个原动件,即分支运动链数为3;(3)各分支运动链具有相同的结构形式;(4)机构动平台与静平台之间通过1个S副(球面副)运动链连接,以保证机构实现绕定点(球面副中心点)的3个转动自由度。
满足以上条件的球面运动并联机构如图2所示。假定各构件之间通过单自由度的基本副连接,Kutzbach Grubler自由度计算公式为
其中,F为机构自由度,F=3;λ为机构所处空间的维数,λ=6;n为构件数,令n=3n'+2,n'为单个分支运动链所具有的构件数;g为机构运动副数,令g=3g'+1,g'为单个分支运动链所具有的运动副数;fi为第i个运动副的相对自由度。由于除球铰外,各运动副均为单自由度,因此将上述条件代入式(1)得
由于n'和g'皆为整数,因此可取n'=5,g'=6,即该类球面运动并联机构的分支运动链需包含6个单自由度简单副或等价的多自由度运动副,这里选用PUS型运动支链。然而,并联机构属于复杂空间机构,必须考虑各运动链对动平台所产生约束的类型、方向等因素对自由度计算公式所产生的影响[8]。旋量理论在分析机构自由度的数目及自由度的具体性质方面有其独特的优势,下面采用旋量理论来分析3-PUS/S型并联机构的运动特点。
图3所示的3-PUS/S型并联机构中,动平台和静平台之间通过3个对称分布的PUS运动支链连接。包含球铰O的中间支撑链上下端O1、O2分别与动静平台中心固定连接。下角点A1、A2、A3和上角点C1、C2、C3分别均匀布置在半径为r1和r2的圆周上。移动副P汇交于点D,且与静平台形成夹角θ。U副第一回转轴线与静平台平行且与P副方向垂直。在O点建立固定坐标系OXYZ,X轴位于O1A1O2平面内且与静平台平行,Z轴竖直向上。初始状态,动平台与静平台平行且点O、A1、O1、C2和O2位于同一平面内。
以运动支链A1B1C1为例,可将其等效为具有6个单自由度运动副的串联机构,各运动副相关轴线记为向量e1(1)、e1(2)、e1(3)、e1(4)、e1(5)和e1(6),其中e1(i)为第1个运动支链的第i个运动副轴线的单位方向向量。
由结构可知,轴线单位方向向量e1(1)可表示为
由于e1(2)与静平台平行且垂直于e1(1),因此有
式中,z为Z轴的单位方向向量。
单位向量e1(3)可表示为
式中,u1为杆B1C1的单位方向向量;l为B1C1的长度,定值。
球铰等价于3个轴线互相正交的转动副,其相关向量可视为
则可得该运动支链运动旋量系:
式中,b1为点B1的位置向量;r1为静平台外接圆的半径;h1为球铰中心O到静平台的距离;L1为移动副的位移;c1=(xc,yc,zc)为点C1的位置向量。
从式(7)可看出,该旋量系线性无关,即
根据互易螺旋理论,该运动支链对动平台无约束作用。对其他两运动支链进行分析可得到同样的结论,即动平台在PUS型运动支链的作用下,可存在任意形式的运动。因此,添加带球铰的中间支撑链即可限制动平台的平移运动。
由上面的分析可知,机构动平台仅存在绕定点的球面运动,该运动方式与踝关节的运动方式相同。
2 运动学分析
对运动链j(j=1,2,3)进行分析,由空间向量关系可得
式中,aj为点Aj的位置向量;c'j为点Cj在动平台坐标系下的位置向量;R为3×3的旋转矩阵。
式(9)两边同时点乘uj可得
当给定动平台的转角信息(α,β,γ),即可根据式(10)计算出各运动支链移动副的位移。
为了得到机构的速度关系式,将式(9)两边对时间t求导,得
式中,ωj、W分别为杆BjCj和动平台的角速度;aj为一常值向量,其导数为零。
式(10)两端点乘uj,可得
式(12)揭示了输入速度与动平台转速之间的关系,其矩阵的形式为
其中,J为3×3的Jacobian雅可比矩阵。
3 踝关节与机构的运动映射
尽管3-PUS/S型球面运动并联机构具有与踝关节相同的绕定点运动的特点,但其转动中心与踝关节中心并不重合。为了正确、有效地实现康复训练,必须对踝关节和机构的运动映射关系进行分析。
3.1 背伸/跖屈
背伸/跖屈是踝关节的主要运动形式。为了实现该种形式的训练,患者呈坐姿,并将其脚与动平台固定。将机构和患者下肢投影至OXZ平面。由于脚与动平台固定在一起,因此可将其视为一个构件OD,同样,机构静平台和座椅等静止部件可用构件OF来代替。这样,就可得到图4所示的平面四杆机构ODEF。
对四杆机构ODEF进行分析,得
消除式(14)中的角度σ,可得
动平台绕Y轴的角位移可表示为
式中,δ0为DO和OF的初始夹角。
背伸/跖屈角位移βf为Z轴和小腿DE之间的夹角:
当给定了背伸/跖屈角位移,即可通过式(10)、式(15)~式(17)来计算驱动器位移Lj。
3.2 内翻/外翻
为了实现内翻/外翻训练,将机构和患者下肢投影至OYZ平面,得图5。图5中,同样可得到一个近似的平面四杆机构ODEF。通过对该四杆机构进行分析,可得
式中,α为动平台绕X轴的转角;φ1为内翻/外翻运动角位移。
一旦给定内翻/外翻运动转角,就可通过式(10)、式(18)来计算驱动器位移Lj。
3.3 内旋/外旋
为研究踝关节内旋/外旋运动与机器人运动的映射关系,将机构动平台和患者下肢投影至OXY平面,得图6。图6中,患者脚随动平台C1C2C3绕Z轴转动,D0O和DO分别为脚初始方向和转动后的方向,其夹角∠D0OD即为踝关节内旋/外旋运动转角。由图6可知,转角∠D0OD与动平台欧拉角γ相等。
4 仿真实验
设相关参数如下:a=200mm,b=400mm,c=450mm,d=800mm,a1=200mm,b1=200mm,c1=100mm,d1=300mm,δ0=40°,∠O2OF=60°,在MATLAB中建立各转角关系式,当背伸/跖屈、内翻/外翻运动变化范围为[-30°,30°]时,仿真结果如图7、图8所示。
由图7可见,背伸/跖屈运动与动平台绕Y轴的转动并不相同,当背伸/跖屈运动线性均匀变化时,β呈非线性非均匀变化。因此将机器人回转中心等同于踝关节中心,将导致错误的控制结果。内翻/外翻运动(图8)可得到同样的结论。
5 结语
采用自由度分析方法,设计了具有球面运动能力的并联机构来辅助踝关节实现康复训练。旋量理论分析表明,机构的PUS运动支链不对动平台产生任何约束,具有与踝关节相同的球面运动的能力。在建立机构逆运动学的基础之上,将机构与人体下肢视为平面四杆机构。通过对该平面四杆机构的分析,得到踝关节到机构的运动映射关系。数值仿真表明,机器人回转中心与踝关节中心不重合,人-机运动映射有助于正确、有效地实现踝关节的康复运动控制。
摘要：设计一种康复机器人以帮助病人实现踝关节的康复训练。在自由度分析的基础之上,所设计的康复机器人采用3-PUS/S型并联机构。采用旋量理论验证了康复机器人可以实现与踝关节相同的球面运动。通过运动学分析得到机器人的雅可比矩阵。为解决机器人回转中心与踝关节中心不重合的问题,进行了踝关节到康复机器人的运动映射分析。最后通过数值仿真对运动映射进行了验证。
关键词：踝关节康复,并联机构,旋量理论,运动映射
参考文献
[1]Girone M,Burdea G,Bouzit M,et al.A Stewart Plat-form-based System for Ankle Telerehabilitation[J].Autonomous Robots,2001,10(2):203-212.
[2]Dai J S,Zhao T S,Nester C.Sprained Ankle Physio-therapy Based Mechanism Synthesis and Stiffness A-nalysis of a Robotic Rehabilitation Device[J].Auton-omous Robots,2004,16(2):207-218.
[3]Saglia J A,Tsagarakis N G,Dai J S.Inverse-kine-matics-based Control of a Redundantly Actuated Plat-form for Rehabilitation[J].Journal of Systems andControl Engineering,2009,223(1):53-70.
[4]Saglia J A,Tsagarakis N G,Dai J S.A High Perform-ance2-dof Over-actuated Parallel Mechanism for Ankle Rehabilitation[C]//Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation.Kobe,Japan,2009:2108-2186.
[5]Liu G Q,Gao J L,Yue H,et al.Design and Kinemat-ics Simulation of Parallel Robots for Ankle Rehabilita-tion[C]//IEEE International Conference on Mecha-tronics and Automation.Luoyang,China,2006:1109-1113.
[6]Liu G Q,Gao J L,Yue H,et al.Design and Kinemat-ics Analysis of Parallel Robots for Ankle Rehabilitation[C]//IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems.Beijing,2006:253-258.
[7]边辉,刘艳辉,梁志成,等.并联2-RRR/UPRR踝关节康复机器人机构及其运动学[J].机器人,2010,32(1):6-12.
[8]赵景山,冯之敬,褚福磊.机器人机构自由度分析理论[M].北京:科学出版社,2009.
动机器人 篇2
微型机器人能进入人类和宏观机器人所不能及的空间内进行检修、装配、运输等作业,具有广阔的应用前景。开展仿生微型机器人的运动机理、控制原理、驱动能源等方面的研究,开发不同驱动机理、不同结构的仿生微型机器人具有重要意义。
尺蠖是一种以屈伸步态移动的软体动物。本文根据SMA驱动方式的特点提出并设计了一种新型偏动式双程SMA微型驱动器,以此驱动器为基础研发出了一种新型尺蠖式仿生微型机器人,在该机器人中首次提出用四杆机构与SMA弹簧构成一种靠交替摩擦自锁方式行走的新型腿来替代关节型腿,这种四杆机构腿能有效改变微型驱动器输出力方向,也能通过改变其各杆的比例来改变步幅的大小。在我们所能查阅的资料和所掌握的综合行业信息中,尚没发现与本文结构相同的SMA尺蠖机器人,特别是没发现用四杆机构作为行走腿的微型机器人。
1 机器人基本结构和运动机理
微型机器人结构见图1[1],用矩形截面的60Si2Mn弹性弧杆做偏置元件,它与SMA主驱动弹簧构成偏动式双程SMA微型驱动器。SMA主弹簧在通电加热过程中收缩,当SMA弹簧变为奥氏体状态时屈服应力最大,驱动器处于高温力平衡态。SMA主弹簧在断电冷却过程中复原,弹性弧杆提供回复力,SMA主弹簧变为马氏体状态时屈服应力最小。表1列出了该机器人一个运动周期内各元件的加热时序[1],其中,A表示加热状态,B表示保温状态,C表示冷却状态。
驱动器及各弹簧的运动规律与周期见图2[1]。图2的原点表示SMA弹簧9开始加热;t1表示SMA弹簧9加热完成并保温,此时主驱动SMA弹簧6开始加热;t2表示SMA弹簧6加热完成并保温,此时SMA弹簧2开始加热,SMA弹簧9开始冷却;t3表示SMA弹簧2加热完成并保温;t4表示SMA弹簧9冷却完成,此时SMA簧6开始冷却;t5表示SMA弹簧6冷却完成,此时SMA弹簧2开始冷却;t7表示SMA弹簧2冷却完成。在t6时刻再次加热SMA弹簧9,开始下一个运动周期。l2和l3分别表示普通弹簧7和SMA弹簧9的输出位移,l1和l4分别表示普通弹簧4和SMA弹簧2的输出位移,l5表示SMA弹簧6和弹性杆弧5的输出位移。
1.主驱动(SMA)弹簧6的变化规律 2.前脚上驱动(SMA) 弹簧9的变化 3.前脚上复位(普通)弹簧7的变化规律 4.后脚上驱动(SMA)弹簧2的变化规律 5.后脚上复位 (普通)弹簧4的变化规律
2 主要部件的结构及工作原理
2.1 机械手结构及工作原理
文献[2]研究了一种悬臂梁式电热微机械手,本文对其改进后的基本结构及尺寸见图3。
微机械手由两个夹持臂构成,每个夹持臂包括由三根平行的矩形变截面硅梁构成的驱动臂,其顶端由连接梁相连,末端为硅基板。给不同的硅梁通电可实现通电张开或通电闭合的双向夹持运动。扩展臂依据具体夹持对象设计成相适应的形状。把原型的单硅基板改为两个上下平行硅基板结构,给不同的硅基板通电可实现机械手的上下摆动。文献[2]中,三个平行梁是等截面梁,硅基底板为实心基板。本文在每个梁的体积和质量均不变的前提下,将驱动臂改为三个不等截面但轴线相互平行的三平行梁结构,改善了驱动臂的受力条件,并使驱动臂重心向基板方向偏移。在基板质量不变的前提下,调整结构尺寸将实心硅基底板改为空心基板,提高硅基板的刚度。
2.2 四杆机构结构和工作原理[1]
图4所示为前刚性脚上四杆机构。普通弹簧CF与常温的SMA脚弹簧CE保持平衡,使四杆机构为原始态。CE弹簧加热收缩时克服CF弹簧阻力驱动四杆机构运动;CE弹簧冷却时拉力逐渐减小,在CF弹簧作用下四杆机构逐渐回复原始态。杆AC与刚性脚FE的初始夹角为75°,在CE弹簧拉力作用下先逆时针转18°使CD杆触地,再继续转57°将刚性脚FE抬起约0.83mm。在三角形ACE中,∠CAE=105°,由图4所示关系和余弦定理得
当杆AC的转角达到θ=75°时,∠C″AE=30°,由余弦定理可求C″E长度。因此,可以求出SMA脚弹簧CE的原始长度和被加热相变后的变形量。
后刚性脚上四杆机构在驱动器处于伸展状态时工作,因此,后刚性脚上四杆机构某些杆长和夹角不同于前脚,如图5所示。后脚上杆AC与刚性脚的初始夹角为60°,在SMA脚弹簧CE加热收缩拉力作用下逆时针旋转75°后将刚性脚抬起0.83mm。可见,后脚上杆CD触地时与地面的倾角小于前脚上杆CD触地时与地面的倾角,保证了后脚上的四杆机构有一定的传动角而机构自身不会发生传动自锁。
(a)四连杆自锁机构 (b)四连杆运动状态
3 机器人运动的摩擦自锁分析[1]
3.1 驱动器收缩过程受力分析
收缩过程如图6、图7所示。图7中,G为机器人重力;N为法向反作用力。用T1、T2表示前后脚阻力;f1、f2表示前后脚摩擦力。SMA弹簧6加热,由马氏体向奥氏体转变而收缩,驱动力FSMA渐增,FSMA与Ti(i=1,2)的垂直分量很小而水平分量大,摩擦力fi(i=1,2)小。当FSMA水平分量大于Ti水平分量及摩擦力fi时,前脚沿地面左滑移而后脚沿地面右滑移。驱动条件为
FSMAcos α>fi+Ticos βi i=1,2 (2)
式中,α为SMA主弹簧作用力与水平面夹角;β为弹性弧杆作用力与水平面夹角。
(a)后脚组件受力 (b)前脚组件受力
SMA弹簧6加热时,前脚SMA弹簧CE也加热收缩,克服普通弹簧CF阻力驱动四杆机构,CD杆触地后使前脚抬起,此时后脚四杆机构不动。随着α和β的增大,FSMA与Ti的水平分量减小而垂直分量增大,CD杆摩擦阻力f1增大而后脚摩擦阻力f2减小。当f1增至使CD杆绕其触地点转动而不向左滑移时,后脚在FSMA水平分量作用下克服f2力继续向右滑。CD杆自锁条件为
FSMAcos α≤T1cos β1+f1 (3)
3.2 驱动器舒张过程受力分析
舒张过程如图8、图9所示。SMA弹簧6冷却,由奥氏体向马氏体转变舒张,驱动力FSMA渐减。前脚SMA弹簧CE冷却使其CD杆抬起而前脚触地,此时后脚SMA弹簧CE被加热驱动四连杆,其CD杆触地使后脚抬起。舒张初期弹性弧杆5回复力T4与FSMA的垂直分量增大,当摩擦力f4增至使CD杆摩擦自锁时,CD杆绕触地点转动而不向左滑,受力状态为
fSMAcos α+f4≥T4cos β4 (4)
此时前脚摩擦力f3减小,在T3水平分量作用下前脚向右滑移。舒张后期α角减小,后脚CD杆摩擦自锁条件被破坏,前后脚同时舒展,但后脚向左滑移的距离小于前脚向右滑移的距离,此时机器人整体仍是前进运动。
上述两个过程的四个滑动摩擦力可表示为
i=1,2,3,4;j=1,2
式中,fi为刚性脚或连杆与地面的滑动摩擦力;μi为脚或杆与地面滑动摩擦阻尼系数;G为微机器人及夹持物的总重量。
(a)后腿分离体受力图 (b)前腿分离体受力图
式(5)中,当i取2、3时j取1,当i取1、4时j取2;当i为1、4时取“+”,i为2、3时取“-”。
为增大CD杆与地面摩擦因数以利于摩擦自锁,需在其端部镀高摩擦因数材料涂层(如橡胶[3])。为利于脚(图4中FE杆)沿地面滑移,需在脚底镀低摩擦因数材料涂层(如聚四氟乙烯)[4]。
SMA主弹簧6拉力与弹性弧杆5变形的关系非线性,因此,前后脚的摩擦自锁不一定一直出现在某一特定位置状态之后的持续状态,可能会出现某些断续状态的摩擦自锁,但这只影响机器人步伐精度,不影响机器人总体运动状态和前行趋势。
4 SMA驱动弹簧设计
4.1 SMA弹簧特性和基本参数
与普通弹簧相比,SMA弹簧有如下特性[5]:①载荷、位移、温度三者间为复杂非线性关系;②电阻率ρ和比热容c在相变中非常数,在完全马氏体和完全奥氏体状态,c基本不随温度改变;③在一个很窄的温度范围内,SMA材料的弹性模量变化较大,因此,形状恢复的动作很突然;④加载、卸载和升温、降温时存在滞后。
SMA弹簧结构为螺旋型,材料为TiNi合金,奥氏体、马氏体时弹性模量分别为EH=108GPa,EL=40GPa;高温时载荷FH=1.2N,行程Δδ=3.5mm;作用循环次数为20000～30000。基本设计过程如下:
(1)确定最大剪切应变γmax。对于NiTi合金,令γL为马氏体时剪切应变量;γmax与循环寿命成反比,选其值为1.5%。马氏体剪切弹性模量较小,在同样载荷下其应变大,则取
γmax=γL
(2)确定奥氏体时剪切应变γH。如果已知奥氏体时的弹簧位移量δH,由于γ正比于δ,此时的剪切应变γH由
(3)确定高温(奥氏体)时的剪切应力τH。由τH=γHEH得τH=0.56%×108GPa=0.6048GPa。
(4)选择弹簧指数C,计算应力修整系数k。本文选取C=4,则由
(5)计算弹簧丝直径d和弹簧中径D。弹簧丝直径为
弹簧中径为
D=Cd =6×0.16=0.96mm,取D=1mm。
(6)计算弹簧的有效圈数n。由
式中,Δδ为弹簧在高低温时的位移(变形)之差,也即弹簧的有效工作行程。
将Δγ=γL-γH代入上式可求得n值。因Δγ=γL-γH=1.5%-0.56%=0.94%,则得
同理可求:前脚四杆机构SMA脚弹簧丝直径为0.05mm,弹簧中径为0.25mm,有效圈数为9;后脚四杆机构SMA脚弹簧丝直径为0.05mm,弹簧中径为0.25mm,有效圈数为10。
4.2 SMA弹簧的温度响应分析[1,6]
SMA弹簧的响应时间是驱动器的重要性能参数,通过ANSYS瞬态分析得到在12V电压作用下,SMA弹簧的响应时间如图10所示。SMA弹簧温度达到327.7K所需的时间为4.7s,也即驱动器的响应时间为4.7s。在t=4.7s时SMA弹簧的温度场如图11所示,温度场基本满足弹簧内部温度均匀的假设。
由于SMA弹簧降温时只需降到马氏体相变结束的温度(304.5K),无需降到室温,所以,在后继的加热过程中,考虑从马氏体相变结束温度加热到马氏体逆相变结束温度,由图10可得响应时间是1.7s。驱动电压对机器人的响应时间影响较大,机器人响应时间随驱动电压的变化规律如图12所示。
SMA弹簧冷却到马氏体相变结束温度所需的时间为4.8s,如图13所示,也即SMA弹簧完成一次加热—冷却过程的时间为9.5s。同理可求出四杆机构上SMA弹簧CE的响应时间为2.5s。在此后的加热—冷却循环中,微型机器人的响应时间是6.5s。
5 结语
对新型尺蠖式微型机器人进行了整体结构和新型偏动式双程SMA驱动器设计。介绍了由SMA弹簧驱动的四杆机构与刚性化脚相配合产生的交替触地运动形式,分析了四杆机构摩擦自锁机理。确定了SMA弹簧的设计参数,分析了SMA弹簧在加热—冷却过程的相变力学特性,求解出微型机器人的响应时间和回复时间,确定了微型机器人的稳态运动条件。
由于新型偏动式双程SMA驱动器具有输出位移大、功重比高、机构简单、驱动电压低、能以自身为回馈等特点,使新型尺蠖式仿生机器人具有步幅大、攀爬力强、转向方便、承载力强等优势。
参考文献
[1]单彦霞.SMA驱动的尺蠖式仿生微型机器人[D].秦皇岛:燕山大学,2009.
[2]李宇鹏,阴学朴.电热微夹持器的结构设计与数值仿真分析[J].机械设计,2008,25(11):59-61.
[3]Kim Byungkyu,Lee Moon Gu,Lee Young Pyo,etal.An Earthworm-like Micro Robot Using ShapeMemory Alloy Actuator[J].Sensors and ActuatorsA,2006,125:429-437.
[4]Cai Mingdong,Langford Stephen C,Wa Mingjie,etal.Study of Martensitic Phase Transformation in aNiTiCu Thin-film Shape-memory Alloy UsingPhotoelectron Emission Microscopy[J].AdvancedFunctional Materials,2007,17(1):161-167.
[5]杨杰.形状记忆合金螺旋弹簧的性能测试及设计方法[J].中国科学技术大学学报,1992,22(1):51-57.
动机器人 篇3
鱼类是地球上最早的脊椎动物, 在大自然已经进化了至少5亿年, 其外形构造以及运动原理非常适合水下生活。鱼类在水中主要靠体干波动以及鱼鳍的规律性非定常运动实现各种运动, 包括启动、巡游、转向、加减速以及沉浮等动作。
鱼类的游动具有以下特点:
(1) 运动效率高, 阻力小。
(2) 机动性高。鱼类具有很好的启动、加速、转向、制动、悬停、上升下潜等机动能力。
(3) 噪声小、对环境的扰动小。鱼类的身体和尾鳍波状运动推进的噪声和对环境的扰动远远小于螺旋桨驱动的水下航行器。
因此, 仿照鱼类的外形以及游动机理, 制造出仿生机器鱼系统使之具有高效、灵活的水下巡游能力, 可以应用于复杂环境下资源探测、生物研究和军事侦察等领域。
目前仿生机器鱼研究是国内外水下机器人研究的热点, 大部分都采用电机驱动的模式, 也有一些研究机构采用形状记忆合金、压电陶瓷等智能材料作为驱动元件。如:美国MIT研制的RoboTuna和后续的仿鱼推进器[1], 日本运输省船舶技术研究所研制的PF系列机器鱼, 英国Essex大学研制的仿生机器鲤鱼[2]以及美国西北大学研制的波动鳍推进器[3]等。国内的仿生机器鱼主要有中科院北京自动化所的机器鱼和仿生海豚[4]、北京航空航天大学的SPC系列潜水器[5]和哈尔滨工业大学的形状记忆合金仿生机器鱼[6]以及中国科学技术大学的仿生机器鱼[7,8]和形状记忆合金仿生鱼鳍[9]。
以上提及的电机关节级连或人工肌肉驱动的仿生机器鱼, 主要存在体积冗余、难于防水、控制复杂等问题, 特别是电机旋转驱动机构的防水问题, 给仿生机器鱼的应用带来很大的制约。针对以上问题, 本文提出一种新型的采用磁动力驱动的仿生机器鱼推进机构, 能耗低, 不需要考虑驱动机构的防水问题, 而且控制方便简单, 续航能力得到了极大的提升。
1 磁动力仿生机器鱼机械设计
磁动力仿生机器鱼主要包括能够调整重心的鱼身和利用磁动力驱动提供推力的鱼尾两大部分, 如图1所示。鱼身部分包括系统控制模块和重心调整机构, 鱼尾部分包括磁动力摆动机构和柔性尾鳍。
1—鱼身部分2—鱼尾部分
1.1 鱼身部分
鱼身是一个密闭的壳体, 采用分体设计, 两个分体通过螺纹连接, 各缝隙处均适用密封胶进行密封。该设计不仅方便拆卸, 又具有较好的防水性能。鱼身的材料采用PVC, 在保证一定强度的前提下减少机器鱼的重量。鱼身的外形仿照真实鱼类, 采用曲面建模完成流线型的设计, 使其拥有较好的流体力学性能, 宽50mm, 长80mm, 左右鱼眼及鱼嘴部分各留一个红外测距传感器安装孔。设计中首先通过SolidWorks软件绘制鱼身的3D模型, 并通过该软件计算出鱼身内体积大小, 计算出所受最大浮力。估算出受到的浮力后, 还需要调整配重块重量使整个机器鱼重量与所受浮力大致相当, 使静止的机器鱼能在水中悬浮。设计完成后, 鱼身采用激光快速成型技术加工而成。
系统控制模块包括中央处理器、信息采集系统和驱动系统。系统控制模块的所有系统都集成在一块电路板上, 与重心调整机构平行放置。电源采用两节2 400mAh锂电池, 电池仓位于鱼身最下方, 降低重心, 提高机器鱼的稳定性。
重心调整机构是由舵机带动配重块来实现的, 配重块在舵机的驱动下可以通过前后移动来调节鱼体的重心, 从而改变鱼体的姿态。当配重块在前端时, 鱼头朝下, 鱼尾推着机器鱼下沉;当配重块在后端时, 鱼头朝上, 机器鱼向上浮起。配重块采用铅条进行切割, 使其拥有较大的密度, 力求在符合要求的前提下尽量节省空间。为了保持鱼身在水中的平衡, 分别测量了电路板和重心调整机构的精确重量, 并确定了两者在鱼身中的相对位置。
另外, 鱼身部分还包含一些配件, 如红外传感器探头、防水开关、充电桩等。红外传感器探头用来检测障碍, 通过软件实现自动避障, 从而达到自主巡游的目的。电源开关采用拨动式开关, 拨杆外表套上了防水软塞, 以防止水从缝隙中渗入鱼身中。三根充电桩用于为锂电池充电, 充电时两边的两根充电桩连接电源正负极, 中间则连接两节串联电池的中间结点, 用于对比两节电池的实时电量并自动平衡, 提高电池使用寿命。
1.2 鱼尾部分
鱼尾部分由磁动力推进机构和柔性尾鳍组成, 为仿生机器鱼的动力来源, 采用磁感应线圈与强磁摆子组合通过变化电流激励的方式来产生动力, 如图2所示。
线圈采用丝径0.15mm的漆包线缠绕在有机玻璃筒管上制成。漆包线为铜丝表面进行烤漆处理, 具有很好的导电性和表面绝缘性, 把漆包线沿着同一方向 (顺时针或逆时针) 紧密地缠绕在直径为40mm的有机玻璃筒管上, 即形成了中空的磁感应线圈。在线圈上接入电流即能产生磁场, 如果改变电流方向, 就能相应地改变线圈的磁场方向。只要交替改变电流方向, 就能得到交替变化的磁场。由于筒管中心轴线上漆包线的端点处磁场最强, 且沿着轴向方向, 故在此位置安装强磁摆子。
强磁摆子是采用两个圆形的铷铁硼永磁体吸合安装在旋转轴的中心位置上, 而旋转轴的两端则安装在两个小轴承上, 旋转轴的末端通过卡销把小轴承内圈锁住, 避免小轴承脱离。强磁摆子在磁感应线圈接入交变电流时, 就能左右自由地往复摆动。
柔性尾鳍主要是由尾柄和鳍面组成, 尾柄采用较硬的PVC薄板制成, 用于传递力矩;鳍面则参照自然界中的鱼类做成新月形, 并采用柔软的乳胶材料制成。连接在所述的磁动力摆动机构上, 当线圈中通过向交替变化的电流时, 磁动力机构就会带着柔性尾鳍左右摆动击水, 产生向前游动的推进力。为防止强磁摆子在电磁力的作用下偏转角度过大, 影响回摆动作, 尾柄被裁剪得较长, 另一端穿过强磁摆子伸入圆筒中, 并且在圆筒的适当位置加入限位块, 从而使鱼尾摆幅变得可控。
强磁摆子和柔性尾鳍的连接方式如图2所示, 柔性尾鳍和旋转轴是由两个圆形强磁体吸合夹持在中间, 同时用硅胶粘合固定, 这样方便安装和拆卸。当需要更换圆形强磁体时, 只要把硅胶去掉, 拆开两个强磁体, 便可把上下半轴取下, 换上新的圆形强磁体, 整体过程简单方便, 易于操作。
2 磁动力仿生机器鱼致动机理
2.1 机器鱼前进机理
仿生机器鱼前进推进力的运动控制主要分成4个节拍, 图3 (A) 为右静止状态 (图中向上为右, 向下为左) , 图3 (B) 为左摆驱动, 图3 (C) 为左静止状态, 图3 (D) 为右摆驱动。线圈的电流i方向如图3 (E) 控制信号图所示, 当处于图3 (A) 状态时, 线圈中不接入电流, 当向左摆动时, 此时线圈接入+I大小的电流, 则尾鳍运动到达最左边, 推进机构处于图3 (C) 的左静止状态, 当向右摆动时, 此时线圈接入-I大小的电流, 则尾鳍运动到达最右边。如此反复, 磁动力推进机构就能实现左右来回摆动, 提供向前推进的动力, 同时通过改变线圈电流i的大小和频率, 就能改变摆动的快慢和幅度, 从而改变推进力的大小。
2.2 机器鱼右转机理
仿生机器鱼右转动力的运动控制同样分成4个节拍, 图4 (A) 为右静止状态, 图4 (B) 为左摆驱动, 图4 (C) 为中间静止状态, 图4 (D) 为右摆驱动。线圈的电流i方向如图4 (E) 控制信号图所示, 当处于图4 (A) 状态时, 此时线圈中不接入电流, 当向左摆动时, 此时线圈接入+I大小的电流, 则尾鳍运动向左摆动到达中间位置, 推进机构处于图4 (C) 的中间静止状态, 当向右摆动时, 此时线圈接入-I大小的电流, 则尾鳍运动到达最右边。如此反复, 磁动力推进机构就能实现在右翼区域来回摆动, 提供向右转弯的动力, 同时通过改变线圈电流i的大小和频率, 就能改变摆动的速度和幅度, 从而改变转弯角度的大小。此种情况与上述前进情况的控制信号的不同就在于前进推进时向左向右摆动的时间是一样的, 而右转弯时向左摆动的时间只是向右摆动的一半, 所以柔性尾鳍就只在右翼区域来回摆动, 从而实现了右转弯。
2.3 机器鱼左转机理
仿生机器鱼左转动力的运动控制也是分成4个节拍, 图5 (A) 为右静止状态, 图5 (B) 为左摆驱动, 图5 (C) 为中间静止状态, 图5 (D) 为右摆驱动。此种情况与上述右转弯的情况原理相同, 只是控制信号的方向恰好相反, 在此不作赘述。
3 实验测试
磁动力仿生机器鱼样机如图6所示, 具体参数详如表1所示。为了获得仿生机器鱼游动性能, 我们首先测试了机器鱼的能耗, 并与使用舵机作为执行机构的能耗作了对比分析, 接下来对鱼尾摆动频率f对仿生机器鱼巡航速率的影响进行了研究。
实验是在充气游泳池中进行的, 尺寸大约为2.5 m×1.5m×0.5m。为保证所有实验能在同等条件下进行, 在实验中, 机器鱼的能源由稳压直流电源进行供电, 而不采用装在机器内部的电池。
图7是实验用的充气游泳池。
3.1 仿生机器鱼能耗实验
在实验中, 分别对舵机和磁动力推进机构在同样的环境中进行能耗测试 (摆幅A=16.2mm, 柔性系数K=0.48, 电源电压U=7.2V, 其中, 柔性系数K为弹性长度占尾鳍总长度的比例) 。如图8所示, 可以看出两种驱动方式中电流随频率增大而增大, 近似线性关系。同时, 磁动力推进机构的电流接近舵机的一半, 这说明磁动力的方式非常节能, 能耗比舵机减少了50%。有一点需要指出的是, 在实验中, 舵机由于机械响应性能的限制, 不可能实际达到4.8 Hz和6 Hz的频率, 所以此时摆幅较小, 电流快速增大, 如图中椭圆标注。
3.2 频率对速度的影响实验
为了考察速度和频率之间的关系, 我们对仿生机器鱼在不同频率下的速度进行了测试, 如图9所示, 实验结果如图10所示 (A1=16.2mm, A2=21.5mm, K=0.48) 。从中可以看出, 随着频率的增加, 速度先增加然后到达一个峰值随后再减小, 两条曲线变化趋势一致。这种现象是由于该推进机构存在一个速度极限, 导致了尾鳍的振幅不可能达到预设的值, 因此推进机构的推力在高频时会减小。在这项测试中, 两条曲线相互非常吻合, 都在1.6Hz的频率上取得速度最大值, 为100mm/s, 相当于1s半个身位的速度。
4 结语
本文设计和研制了一种新型的小型磁动力仿生机器鱼, 在这个设计中, 磁动力推进机构是一个亮点, 简单、节能且易于小型化。文章首先介绍了磁动力仿生机器鱼的结构设计, 并详细阐述了磁动力推进机构的致动机理, 为了研究仿生机器鱼的运动性能, 我们做了一系列实验并得出了结论:磁动力仿生机器鱼非常节能, 在同等条件下比舵机驱动减少50%的能耗;仿生机器鱼在频率1.6Hz时获得较高的运动效率。
在未来的工作中, 我们将会采用ANSYS对磁动力推进机构进行电磁场仿真, 同时, 还需要做更多的实验来研究游动效率、机动性能以及上浮和下沉的性能。
参考文献
[1]Triantafyllou M S, Triantafyllou G S.An Efficient Swimming Machine[J].Scientific American, 1995 (3) .
[2]Liu J, Hu H, Gu D.A Layered Control Architecture for Autonomous Robotic Fish[C]//Proceedings of IEEE/RSJ Int.Conf.on Intelligent Robots and Systems, 2006.
[3]Epstein M, Colgate J E, MacIver M A.A Biologically Inspired Robotic Ribbon Fin[C]//IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, workshop on Morphology, Control, and Passive Dynamics, 2005.
[4]Yu J, Su Z, Tan M, et al.Control of Yaw and Pitch Maneuvers of a Multilink Dolphin Robot[J].IEEE Transactions of robotic, 2012 (4) .
[5]梁建宏, 邹丹, 王松, 等.SPC-Ⅱ机器鱼平台及其自主航行实验[J].北京航空航天大学学报, 2005, 31 (7) .
[6]杭观荣, 王振龙, 李健, 等.基于柔性鳍单元的尾鳍推进微型机器鱼设计研究[J].机器人, 2008, 30 (2) .
[7]Yan Q, Han Z, Zhang S, et al.Parametric Research of the Experiment on a Carangiform Robotic Fish[J].Journal of Bionic Engineering, 2008, 5 (2) .
[8]韩珍, 颜钦, 张世武, 等.基于序列图像处理法的机器鱼转向机动性能研究[J].机器人, 2010, 32 (5) .