机器人机构

机器人机构（共8篇）

机器人机构 篇1

0 引言

爬行机器人是机器人研究领域的重要研究方向之一, 主要针对于机器人在外壁和管道的爬行研究。管道机器人分为内管道爬行机器人和外管道爬行机器人。内管道机器人主要用于执行管道内检测, 研究比较成熟[1,2,3]。而管道外检测是一项强度大、危险性高的作业, 因此外管道的作业耗费资源大, 所以外管道机器人的研究是必要的, 但目前较内管道机器人相对薄弱[4,5,6]。本文根据直动推杆圆柱凸轮机构的往复直线运动特点, 配合凸轮动作并结合夹紧机构对推杆进行锁止, 以实现机器人的爬行。按照机器人的爬行规律设计了推杆的运动规律和凸轮实际廓线。并对机构进行运动学分析, 分析结果表明该设计满足管外爬行机器人机构的运动要求。

1 直动推杆圆柱凸轮机构

图1所示为直动推杆圆柱凸轮机构是在圆柱面上开有曲线凹槽的构件, 由于凸轮与推杆的运动不在同一平面内, 所以是一种空间凸轮机构。机构通过圆柱凸轮转动, 带动滚子沿着凸轮上的凹槽运动, 实现推杆的往复直线运动。

2 直动推杆圆柱凸轮机构实现爬行的可能性与运动机理

根据管外爬行机器人的运动要求, 机器人机构应能实现前进、暂停、后退动作。本设计利用直动推杆圆柱凸轮机构具有的运动特点, 采用双凸轮的形式配合夹紧装置来实现机器人的爬行。如图1所示该机构由2个直动推杆圆柱凸轮及夹紧机构组成。

直动推杆圆柱凸轮在圆柱凸轮旋转时, 推杆能够实现推程、回程、休止3种运动状态。利用2个廓线相反的圆柱凸轮, 通过夹紧机构锁定特定运动状态的推杆, 机构会相对管道产生运动。

装置每个循环可以分为3个运动过程:

如图2 (a) 所示阶段一, 推杆Ⅰ处于推程状态, 推杆Ⅱ处于休止状态, 此时夹紧机构Ⅱ工作, 对推杆Ⅱ进行锁紧, 推杆Ⅰ向右运动一个推程h, 机器人相对管道静止不动。

如图2 (b) 所示阶段二, 推杆Ⅰ处于休止状态, 推杆Ⅱ处于回程状态, 此时由于夹紧机构Ⅱ继续对推杆Ⅱ进行锁紧, 凸轮向右运动一个推程h, 机器人相对管道向右爬行h。

如图2 (c) 所示阶段三, 推杆Ⅰ处于回程状态, 推杆Ⅱ处于推程状态, 此时夹紧机构Ⅰ工作, 对推杆Ⅰ进行锁紧, 凸轮向右运动一个推程h, 机器人相对管道向右爬行h。

机构运动的每个循环中, 爬行距离为2h。

3 机构的设计与分析

对机构的运动规律进行设定:凸轮旋向相同, 转速为40°/s;推杆的推程、回程、休止状态时间相同均为1 s;推杆行程为20 mm。

根据机构运动规律得到推杆运动规律方程:设凸轮以等角速度ω转动, 在推程结束时, 凸轮的运动角为δ0, 推杆完成行程h, 当采用一次多项式运动规律, 则有:

式中:s为杆位移;v为滚子推杆运动速度;a为滚子推杆运动加速度;c0和c1为常数;δ为凸轮的运动角。

推杆推程的运动方程为:

推杆回程的运动方程为:

式中, δ0′为凸轮回程运动角, 注意凸轮的转角δ总是从该段运动规律的起始位置计量起。如图3、图4所示分别为两推杆位移-时间, 速度-时间关系。

4 直动推杆圆柱凸轮廓线设计

如图5所示为一直动推杆圆柱凸轮机构, 若将此圆柱凸轮的外表面展开在平面上, 则得到一个长度为2πR的移动凸轮, 最后将作出的移动凸轮图卷于以半径R为圆的圆柱体上, 并将所作出的曲线描在圆柱体的表面上, 此即为所求的圆柱凸轮的轮廓曲线 (其中β和β′分别表示理论轮廓线以及工作轮廓线) 。

若推程s=g (φ) 、回程s=G (φ) 以及滚子中心至圆柱凸轮轴线间的距离 (称为平均圆柱半径τr) 已知, 设滚子半径τR。则:

推程的实际轮廓线为:

回程的实际轮廓线为:

式中:x0为回程起始点x的初值;y0为回程起始点y的初值。

5 运动仿真分析

机构动作顺序见表1。

6 结论

本文根据直动推杆圆柱凸轮机构的往复直线运动特点, 配合凸轮动作并结合夹紧机构对推杆进行锁止, 以实现管外爬行机器人机构的设计。按照机器人的爬行规律设设计计了了推推杆杆的的运运动动规规律律和和凸凸轮轮实实际际廓廓线线。。并并对对机机构构进进行行运动学分析, 分析结果表明该设计满足管外爬行机器人机构的运动要求。直动推杆圆柱凸轮机构具有结构简单紧凑、成本低以及其轮廓线的多变性等的特点, 对于管外爬行机器人机构的本体设计提供了一种新的选择模式。也为管外爬行机器人机构设计发展提供一定的参考依据。

参考文献

[1]梁亮, 胡冠昱, 朱宗铭.内外螺旋管道机器人的动力学建模和数学仿真[J].系统仿真学报, 2013, 21 (11) :2546-2551.

[2]年四成, 张延恒, 孙汉旭.柔性蠕动式管道机器人弯道驱动能力研究[J].华中科技大学学报, 2014, 42 (8) :54-57.

[3]郭瑞杰, 李杰, 王忠.一种管道机器人爬行机构的工作原理[J].机床与液压, 2012, 29 (11) :26-30.

[4]王殿君, 李润平, 黄光明.管道机器人的研究进展[J].机械设计杂志社, 2008, 36 (4) :185-187.

[5]蔡高参, 周校民, 王忠.基于双曲柄滑块机构的缆线爬行机器人机构本体设计[J].机械设计, 2010, 27 (11) :24-27.

[6]贾朝川, 杨婷, 符茂胜.管外爬行机器人及其控制系统设计[J].皖西学院学报, 2014, 30 (2) :20-23.

机器人机构 篇2

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水下机器人清刷机构的设计 篇3

1 清刷机构的结构设计

清刷机构的清刷功能依靠刷盘上的刷毛作旋转运动来实现, 同时刷盘还具有随船体表面变化的轴自适应功能。清刷机构结构如图1。其刷盘1的旋转由电机10通过上旋转轴8、连接键7、下旋转轴2带动。连接键7固定在上旋转轴8上, 并始终在下旋转轴8内壁键槽中作往复运动, 轴向的自适应性所需的压力由压缩弹簧6来提供。

1.刷盘2.下旋转轴3.套筒端盖4.滑动轴承5.外套筒6.压缩弹簧7.连接键8.上旋转轴9.支撑板10.电机

2 水下动力学模型建立

水下清刷机构安装在机器人本体上, 通过机器人的移动来清除船体表面的海生物和锈蚀。当机器人的行走速度为2～8m/min工作时, 在单位时间内机器人的移动距离很小, 因此假设机器人处于静止状态对清刷机构进行动力学建模[3]。

清刷机构刷盘在水下作旋转运动, 可由式 (1) 来表示: M=MG+Mv+Mf (1)

式中:M-水下电机所需提供力矩, N·m;Mv-刷盘受到海水的粘滞阻力矩, N·m;Mf-摩擦阻力矩, N·m;MG-刷盘惯性阻力矩, N·m。

刷盘受到海水的粘滞阻力矩为:

式中:γ-海水的密度, kg/m3;Rp-刷盘半径, m;ν-海水的运动粘性系数, m2/s;ω-刷盘旋转的角速度, rad/s。

刷盘与船体表面摩擦阻力矩为:

式中:F-刷盘对船体表面的正压力, N;f-刷丝与船体表面之间的摩擦系数;r-刷盘无刷丝部分半径, m;R-刷盘有刷丝部分半径, m。

刷盘启动时惯性阻力矩为:

式中:Rp-刷盘半径, m;m-刷盘质量, mg;n-刷盘转速, r/min;t-刷盘启动时间, s。

所以水下电机功率W应满足下式,

由图2所示粘滞阻力矩与刷盘半径和转速的关系图, 从图中可以得出刷盘在水下作旋转运动受到的粘滞阻力矩随着刷盘半径的增大和转速的增加而显著的升高。由于机器人所能承受的负载及安装空间有限, 因此要在清刷效果与转速之间寻找到一个二者都可兼顾的转速值, 选刷盘半径150mm, 刷盘的转速为300r/min。

当Rp=150mm, n=300r/min时, 进而可由公式 (1) 、 (2) 、 (3) 、 (4) 求出水下电机所需提供力矩M=20.613N·m, 电机的提供的最小功率Wmin=0.37kW。

3 运动仿真

3.1 运动方程建立

为了描述刷盘上的刷丝的具体运动过程, 在清刷机构的根部建立基础坐标系为图3中的OXYZ所示, 利用齐次坐标变换原理[4,5], 建立当前坐标系的位姿变换矩阵。

设清刷机构的刷盘转动角速度为ω1, 轴向的往复移动距离为l2, 清刷机构本体长度为l1, 则经过时间t, 有下列变换矩阵:

(a) 坐标系 O1X1Y1Z1沿坐标系OXYZ的Z轴移动了l1得到矩阵10T, 如公式:

(b) 坐标系O2X2Y2Z2沿坐标系O1X1Y1Z1的Z1轴移动了l2得到矩阵21T, 如公式:

(c) 坐标系O3X3Y3Z3绕坐标系O2X2Y2Z2的Z2轴旋转θ得到矩阵32T, 如公式:

(d) 坐标系O4X4Y4Z4沿坐标系O3X3Y3Z3的Y3轴移动了R得到矩阵43T, 如公式:

这样, 可得出清刷机构中刷盘上刷丝的相对基础坐标系的位姿变换公式如下:

其中θ=ω1·t、l2=Acos (ω2t+φ) 、Rp和l1为常数。图4为坐标变换图。

则经过时间t, 清刷机构中刷盘上刷丝的相对基础坐标系的轨迹坐标为:[-R·sinθ, R·cosθ, l1+l2]。

3.2 清刷机构运动仿真

采用Pro/E Wildfire[6,7]软件中的Mechanism机构运动分析模块进行清刷机构的运动仿真[8], 可以大大提高工作效率、缩短设计周期, 保证设计质量。在进行仿真前, 先利用Pro/E软件中的Part零件模块绘制出清刷机构各部件的三维实体模型, 再应用Assembly装配模块将各绘制好的零部件进行装配并建立连接形成三维实体装配图如5图所示。

完成清刷机构的虚拟装配后, 就可进入Pro/E中的Mechanism机构运动分析模块进行运动仿真, 按照图6要求条件设置各参数。

设伺服电机1实现刷盘的匀速转动ω1=300r/min, 伺服电机2完成轴向正弦往复运动, 由l2=Acos (ω2t+φ) , 简化为l2=20cost, 其中, l2为刷盘的轴向移动距离, mm;A为刷盘轴向最大工作距离, mm;ω2为角速度, rad/s;φ为模拟相位, rad。

如图7所示刷丝顶点运动轨迹, 经测量刷盘轴向的最大移动距离为40mm, 满足设计要求。

4 结论

针对水下船体表面清刷机器人的工作环境, 设计了清刷机构;通过工作原理分析和水下受力分析建立动力学模型并确定了刷盘的结构参数;进行运动学仿真, 验证了设计的可行性;为设计和制造水下清刷机构提供了理论依据。

参考文献

[1]王丽慧.水下机器人清刷作业机构研究[J].机械制造, 2005 (8) :20-22.

[2]安永东.水下船体表面清刷机器人检测系统研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2007.

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[5]牧野洋.空间机构及机器人机构学[M].北京:机械工业出版社, 1987:53-58.

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[7]朱玉红.基于Pro/E的机械零件虚拟装配方法[J].机械制造与自动化, 2004 (2) :69-70.

缆索机器人及喷涂机构实现方法 篇4

斜拉桥是大跨度桥梁的最主要桥型,由索塔、主梁、斜拉索组成。斜拉索是重要的受力部件。加强斜拉索防腐保护的研究,是当前斜拉桥的重要研究内容之一。针对斜拉索在空气中的环境污染腐蚀等问题,目前的保护形式主要是人工维护,它有维护工期长、成本高和工作环境危险性高等缺点[1],因此有研究缆索机器人取代人工维护的必要。

缆索机器人作为机器人的一种,在工程实践中有着较为广泛的运用,如除了对斜拉桥的缆索进行喷漆等维护外,还可用于供电电缆的维护、架空管道的维护等。基于此目的,本课题拟开发一种自动沿索爬升并能完成喷涂任务的缆索机器人。

目前的国内外各种爬升模型,有直线连续爬升、夹紧蠕动爬升、螺旋攀援爬升和吸附爬升等几种方式。其中,螺旋爬升方式有利于减小爬升阻力,但不利于操作机构及必要作业物资的携带。当缆索截面为较小的圆形或近似圆形时,真空或磁力吸附其上的爬升方式难于实现[2]。目前研究成功的有电动连续式爬缆机构、气动蠕动式、液压蠕动式爬缆机构。气驱动或液压驱动爬缆机构结构较复杂,需要空气压缩站或液压站,气缸或液压缸行程所限,只能实现脉动式前进,速度较慢,成本较高。本文提出一种新的电驱动爬缆机构,该机器人结构合理,可有较高的爬升速度,主要功能是用来给斜拉桥缆索喷漆,代替传统的人工操作。经过扩展设计还可用于缆索检测和清洗等。

2 机器人结构

2.1 机器人整体结构

机器人整体结构如图1所示,其主要部件有PLC、爬升机构和操作机构等。

2.2 电驱动爬升机构

该电驱动爬升机构由机架,锥形夹头机构,链传动机构,驱动电机,光电编码器,滚动轮,步进电机,喷涂机构等部分组成,如图2所示。

锥形夹头机构是一个单向自动定心夹紧装置。外壳内的锥体[3]在弹簧的作用下上移,使120°均布的3颗滚动体,由于套螺母内锥面的作用向中心收拢夹紧缆索,机构静止;工作时,电机带动链传动机构,锥形夹头机构中的滚动体因相对运动滑向椎体大端,松开缆索,使机体上升。

为使喷涂装置正常作业,机器人返回运动时,采用恒速系统控制下滑速度。

1.机架2.链传动机构3.驱动电机4.光电编码器5.滚动轮6.步进电机7.缆索8.喷涂机构9.锥形夹头机构

机器人爬升到缆索顶部时,传感器给PLC到顶信号,步进电机正转,驱动偏心轴将锥体向下压,滚动体松开缆索,机器人靠重力作用自然下滑。下滑时经光电编码器检测达到一定速度时,PLC控制步进电机反转,滚动体向椎体小端运动,摩擦力增加,速度下降。如此往复,达到匀速下滑目的。下滑的同时,PLC控制操作系统进行喷漆作业。

3 喷涂机构

以南京长江二桥为例,最长斜拉索长335.8m,钢丝根数为265根丝,最大表面积为105m2,按17m2/L/单遍(干膜30μm计)计算,加上50%的喷涂损耗,缆索机器人需携漆量为13L。市场上容量20L的涂料压力桶为30kg左右,可挂在机架的上底板上。

为防止涂漆过程中缆索上有漏漆现象,可将喷涂机构设计成如下两种形式。如图3所示。

方案11.初级2.次级3.连接杆4.滑块5.导轨6.喷枪方案21.初级2.次级3.导轨4.喷枪5.连杆

方案1:该喷涂机构由圆筒形直线感应电机[4]的初级1、次级2、一组连接杆3、滑块4、导轨5和一组喷枪6构成。电机的初级固定在机架上底板上(图2未标记),次级2作往复直线运动,带动与之铰接的一组连接杆3,3推动滑块4在导轨5中运动,PLC控制涂料筒及喷枪开启,对缆索6实现喷漆过程。导轨5由内圈和外圈构成,共同固定在机架上底板上。图3(a)和图(b)为该喷涂机构的两个极限位置。

方案2:该喷涂机构也是由圆筒形直线感应电机的初级1、次级2、导轨3、一组喷枪4、连杆5构成。电机固定方式与方案1相同,连杆5与之铰接。导轨由上圈和下圈组成,下圈固定,上圈可相对下圈周向相对运动,喷枪与上圈固定连接。电机的次级带动连杆往复运动时,导轨上圈带动喷枪实现摆动喷漆。PLC控制涂料筒及喷枪开启,实现喷漆过程。两个方案中,电机的往复运动靠控制线路来实现。导轨和连杆尺寸可根据缆索直径,喷枪喷幅等通过优化设计实现。

4 结语

本文介绍了一种新型缆索机器人及两种喷涂机构的实现方法,是缆索涂装方面的一种新思路。

摘要：缆索机器人上升时,运动机构主体由两个锥形夹头机构和链轮组成,锥形夹头机构起导向作用。下降时,光电编码器的数字信号通过PLC模块处理控制步进电机,进而控制锥形夹头机构,进行速度控制。机器人在匀速下降时通过自动喷漆机构进行喷漆。

关键词：缆索机器人,PLC,锥形夹头机构,喷涂机构

参考文献

[1]吕恬生,罗军.缆索涂装机器人(CPR)爬升机构的研制[J].机械设计与制造工程,1999,28(4):32-34.

[2]张家辉,吕恬生,王钧功,等.斜拉桥爬缆机构的研制[J].中国机械工程,2001,12(12):1348-1351.

[3]党根茂.电子精密机械导论(第10版)[M].西安:西安电子科技大学出版社,2006.

蛇形机器人的机构设计及运动分析 篇5

随着科学技术的发展和人们生活水平的提高,有关机器人领域的研究也越来越受到科学家和社会各界的关注,并且目前已取得了很大的成绩。蛇形机器人是一种新型的仿生物机器人,它实现了像蛇一样的“无肢运动”,是机器人运动方式的一个重大突破。蛇形机器人在许多领域有着广泛的应用前景,如在有辐射、有剧毒、地震、狭小管道等不适宜人类工作的场合,这些优势已经在部分生产应用中得到了充分的证实。对于蛇形机器人的研究,日本、美国等国家研究的相对比较多[1,2,3,4]。国内主要是国防科技大学、中科院沈阳自动化研究所等科研单位在这方面有一定的研究。

在取得了较大成效的同时,也存在着环境适应性差、运动控制不稳定等问题,对灾害搜救工作不能实时、准确的做出响应。为了改进这类问题,笔者设计了本研究所述的蛇形机器人。该蛇形机器人可以在复杂环境中起伏前进,并能够实现侧移、翻转、平面蜿蜒等多种运动形式。通过对蛇形机器人模型的运动分析,笔者研究出了一种蛇形机器人的运动方式,并在其实体上得到了有效的验证。

1 蛇形机器人的机构设计

仿照生物蛇的运动特点和运动机理,蛇形机器人的机械结构由多个相同的模块串联构成,每个模块都具有独立的驱动和控制系统,可以产生在有限范围内的相对运动。通过控制各个模块的运动,并相互协调,蛇形机器人就可以实现多种运动形式。

1.1 机械结构的模块化设计

为了能够逼真地模仿蛇的运动形式,同时为了方便设计以及降低成本,本研究运用了模块化的设计理念[5],设计了在结构上类似于蛇的微小关节的模块,各模块在结构上相同,并且具有几乎相同的电路和控制程序,蛇形机器人结构如图1所示。这些微小模块组成整条机器蛇,来完成所设计的多种运动模式。这样即使是某一关节在运动过程中损坏,可以丢弃损坏的关节,并由剩余的关节来完成动作。除此之外,模块化设计中相同的模块系统的设计、制造和装配过程是统一的,大大减少了制造成本和加工的复杂程度。

本研究设计的是一种两自由度模块,如图2所示,每个自由度都具有单独的驱动和控制系统,该两自由度模块是蛇形机器人的最小结构单元,每个模块均有两个永磁直流行星齿轮电机,一个电机控制一个自由度,具有单独的控制程序。当进行空间运动时,每个单元模块都是具有两个自由度组合的关节。关节的旋转运动采用锥齿轮的传动来实现,所以该模块具有结构简单、运动灵活、易于控制、鲁棒性强等特点。它主要由6部分组成:电机固定板、控制单元、模块壳体、连接内环、大、小锥齿轮等。大锥齿轮与连接内环固结,电机固定在电机固定板上,电机固定板与模块壳体固定连接,因此电机的输出力矩通过小锥齿轮直接传递给大锥齿轮,来实现蛇形机器人的万向运动。控制单元主要由电机和电路控制板组成,每个电路控制板控制两台电机,但电机之间的控制程序是相对独立的。在这些结构中电机固定板、大、小锥齿轮需要硬度大、不易变形的材质,选择合金钢材料;模块外壳、连接环对硬度要求相对较低,本研究选择铝合金材料。单元模块的结构参数如表1所示。

1.2 单元模块的连接方式

根据蛇骨架结构的连接特点,以及在自然环境中不同的运动方式,本研究设计的模块单元的连接方式如图3所示,是主动驱动的连接方式,电机固定在电机固定板上,运行时与模块单元保持相对静止。连接内环上的大锥齿轮和销轴均与连接内环固接。每一模块单元内平行放置两个反方向的电机,一个电机控制一个旋转方向的运动,即一个电机控制一个自由度。通过电机转动产生绕其本体轴线的力矩,通过小锥齿轮转换成单元壳体的扭转力矩,来完成三维动作。由该单元模块组成的蛇形机器人具有很强的运动能力。

1.3 电机的选择

本研究所选择的电机是北京欧特利机电设备有限公司的24JX10K/2430永磁直流行星齿轮电机,包含有直径24 mm的加强型行星齿轮减速器,允许负载10 kg·cm,特别适合于要求直径小、出力大的仪器以及设备。

应蛇形机器人小型化的要求,本研究对齿轮传动装置提出了高效率和小型化的要求,由于行星齿轮传动装置采用数个齿轮同时传递载荷,使功率分流并合理使用了内啮合,因此具有一系列的特点,如结构紧凑、体积小、重量轻、传动比范围大、传动效率高、输入输出轴同心等。本研究选用PWM信号控制电机的原则有以下两方面:(1)24JX10K/2430永磁直流电机体积小、重量轻、转速低,这样蛇形机器人的每个模块就可以做的比较小,便于机器人整体的小型化,使之可以在很狭窄的环境下自由运行;(2)PWM信号控制简单、信号平稳,只需要给出脉宽信号就能让电机运行到目的地位置,使蛇形机器人的稳定性和抗干扰性得到提高,便于在恶劣的环境下保持稳定的运动状态。

2 蛇形机器人的运动步态分析

蛇形机器人的运动过程归根结底就是运动连杆依次传递的过程,传递过程中连杆运动形态的不同组合构成了不同的运动曲线。本研究主要是以由运动连杆组成的运动波形为研究对象进行研究的,以下讨论了蛇形机器人三连杆组合的运动步态和多连杆组合的运动步态[6,7,8,9,10,11,12]。

2.1 由三连杆组成的运动步态描述

由于加工制作的机器人样机由6段组成,本研究把机器人简化为6段固定长度的连杆系统。假设蛇形机器人的初始状态为一条直线,相邻连杆转过的最大角度范围是±60°。由蛇尾向蛇头方向运动,三连杆的运动波形是由蛇尾传递到蛇头的一个周期的运动过程,运动波的传递过程如图4所示。

完整的三连杆波形运动由3个阶段组成:

第1阶段。三角波形成过程,如图4(a)所示“a、b、c”3个过程。“a”为初始状态,由L1~L6 6段组成,相邻两段间的连接方式由具有两自由度且运动是相互独立的关节组成,假设图中奇数关节序号控制水平方向的自由度,偶数关节序号控制竖直方向的自由度。“b”状态为运动开始阶段,L3、L4、L5、L6保持静止状态,关节4以恒定的角速度ω0顺时针向上匀速旋转,同时关节2以2ω0的角速度逆时针向下匀速旋转,当运动到“c”状态时,即L2与L3的夹角达到30°的时候,此时L1与L2之间夹角为60°,达到本系统蛇形机器人的最大旋转角度,第1个完整的三角波形成。

第2阶段。波形传递阶段,如图4(a)所示“d、e、f”3个阶段。在“d”阶段,关节6作用,L3顺时针向上匀速旋转。关节2、4开始与第一阶段反向的运动,最终运动到L1水平状态,L2、L3形成完整的三角波形状,如“e”所示状态,以此类推,波形逐次向前推进,最后形成“f”阶段所示的状态。

第3阶段。波形复原阶段,如图4(a)所示“f、g”两个过程。关节8以角速度ω0顺时针向下匀速旋转,关节10以2ω0角速度逆时针向上匀速旋转,一直到L4、L5、L6成水平状态,如“g”过程所示,此时完成了三角波由蛇尾传递到蛇头的一个周期过程。

在一个运动周期内,整个系统前进的距离用L表示,机器人每段的长度为l,则有:

2.2 三连杆波形传递的模型分析

波形初始形成阶段如图5所示,在波形形成的初始阶段,P0、P1、P2为动结点,Pi(i≥3)为静止结点,即波形从状态“a”到状态“c”,P0、P2位于x轴,则D P0P1P2形成等腰三角形,现定义关节顺时针旋转为正,逆时针旋转为负,在此过程中关节4以角速度ω0正向旋转,旋转最大角度极限为30°,相反关节2以2ω0的角速度负方向旋转,当达到α=30°时,蛇尾的第1个完整三角波完成。

波形传递阶段如图6所示,在波形传递阶段动结点为Pi+1和Pi+2,其余结点为静止结点,Pi和Pi+3之间的距离D固定,即:D=l+2l cosα。例如,机器人从状态“c”运动到状态“e”,只有结点2和结点3运动,结点1和结点4之间的距离保持不变。图6中θi表示组成运动波形的连杆与水平地面的夹角,ϕi表示相邻连杆间的夹角。

根据如图6所示四边形的关系,可以得到如下的矢量关系:

即:

运用欧拉公式,式(2)可以改写为下列方程式:

消去θ4解得:

其中:

利用半角公式解有关于θ2的方程式(5),可得:

由式(4)可得:

由图5所示的几何关系,可得相邻连杆之间夹角的关系如下:

则ϕ1、ϕ2、ϕ3、ϕ4之间存在着一定的数学关系,通过控制Pi结点处电机来控制角度θ1的变化(由30°变化到0°,ϕ4由0°变化到30°),从而控制三角波形传递的整个过程。

3 试验

为了验证上面所介绍的蛇形机器人运行方式的可行性,本研究利用机器人实体进行了实验,实验结果如图7所示,展示了一个周期的运动过程。在实验过程中,一定要保证机器人与地面之间的摩擦系数相对较大,否则会出现滑移现象,导致实验失败。

机器人执行的是一个三维运动,通过各个模块的协调动作,三角波由蛇尾依次传递到了蛇头部分。运动过程中尽量使电机处于低速旋转的状态,可避免机器人整体发生侧翻现象,提高整个系统的稳定性。

4结束语

通过对蛇形机器人样机单元模块和关节的精心设计,使其能够按照三连杆的运动步态运动。本研究借助软件仿真和机器人实体试验,验证了本研究所述机器人的运动步态方法是可行的。与此同时该研究也存在着不足,由于各个关节的调速范围比较大,对驱动电机的性能要求较高,其次是本研究尚处于前期阶段,不管是结构方面还是控制方面尚有很大的改进空间。所以,在以后的工作中还需要对机器人的控制系统和运动步态进行优化设计。

摘要：蛇形机器人以其独特的身体结构和运动形式能够适应各种复杂环境。为了验证蛇形机器人的运动能力,设计了一种前进中可做周期性运动的蛇形机器人,重点讨论了其关节机构的设计和运动原理;通过建立蛇形机器人运动的数学模型,并结合其运动的周期性,详细分析了三连杆模型的运动步态特性。研究结果表明,三连杆运动步态提高了蛇形机器人的运动能力。

关键词：蛇形机器人,周期性运动,关节设计,三连杆,运动步态

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基于轮球自平衡机构的机器人设计 篇6

自平衡机器人的概念源于二十世纪八十年代,基于倒立摆的模型,其系统是一个非线性、强耦合、多变量和自然不稳定的系统[1]。

轮球自平衡机构组成的机器人通过自身的平衡调节器,使其在球上近似平稳的站立,实现动态平衡。球与地面有一个微小的接触点,和一般的多轮车相比,单足平衡机器人灵活性更好。可以应用到大型购物中心、际会议或展览场所等领域,根据不同的应用场合加入各类不同功能,例如加入避障、定位和网络访问控制,实现物体运送的功能

1 机器人机构及自平衡原理

1.1 机器人机构

机器人结构主要由主控制器、主框架、蓝牙模块、陀螺仪模块、各类模块等组成。机器人总高度为28cm;身长25cm,宽25cm;全向轮直径5cm;球直径18cm。机器人模型如图1所示。

图1中数字代表:1为构架,2为电机驱动,3为主控制器独立电源,4为OLED,5为主控制器,6为蓝牙模块,7为24V电源8为稳压模块,9为总开关,10为直流电机,11为全向轮。

根据上述模型,设计完成第一代轮球自平衡机器人(无球部分机构)样机如图2所示。

1.2 轮球移动机器人自平衡原理

该机器人驱动部分是通过三个电机驱动的轮子,组成一个平面,彼此相差120度。该部分与球组成一个移动机构,该球直径应该满足R球>α*R万向轮组, α为实验安全系数,这里取1.414。

在机器人维持平衡过程中,由于变化的角度相对较小,把机器人的运动系统近似的看成平面,建立的运动模型如图3所示。

模型中三个电机两两相隔120度,Vr是万向轮运动正方向的运动速度,V是任意的某一方向的运动速度,a是V和0度线间的夹角,通过调节三个电机的转速和正反转合成V,由于本模型的建立是在刚性物体的基础上,得到以下公式:

通过上述的数学模型,实现机器人在保持自平衡基础上的二维运动。Vr1,Vr2,Vr3分别代表万向轮系统中3个轮的转速。

2 基于多传感器设计机器人控制系统

本文设计的单足自平衡机器人,以STM32为控制核心,以MPU-9150实现姿态检测,得到角速度和角加速度,经过卡尔曼数据融合得到真实的姿态值。通过PID算法对实时姿态值处理得到PWM波,对以F2807S为开关管的H桥电机驱动进行控制,以三号足球为机器人的单足,实现机器人在足球上保持平衡。利用OLED显示屏实现人机交互,通过蓝牙模块进行通讯。机器人多传感器控制系统框图如图4所示。

3 机器人多传感器控制系统硬件设计

3.1 系统的供电电路设计

单足自平衡机器人的电源是3.7V的锂电池,选用AMS1117三端稳压器将3.7V电压转成3.3V给单片机供电,如图5所示。

3.2 姿态检测电路设计

轮球自平衡移动机器人为保持平衡,需实时采集机器人的姿态值,在本设计选用MPU-9150姿态传感器,通过对加速度值和速度值的处理可得到机器人的姿态值。姿态检测电路如图6所示。

3.3 电机驱动电路设计

本文设计的电机驱动电路是N沟道MOS管全桥电路,主要由控制电路和主电路组成,实现直流电机的加、减速和正反转的功能。

图7为电机驱动信号逻辑电路图,图中控制电路使用与非门逻辑器,控制端口使用0和1来控制电机正反转,PWM波占空比来控制电机转速,达到最优的控制效果。

图8为电机驱动主电路图,图中IRF2807S为MOS管,漏极电流为82A,最大电压为75V。IR2104S是半桥驱动器,使得电路可以无需脉冲变压器驱动,得到所须的工作频率,提高了电路的频率稳定性。

4 机器人多传感器控制系统软件设计

4.1 姿态检测软件设计

控制器通过I2C传输协议读取姿态传感器中的速度和加速度值,进行处理,得出姿态角(倾斜角和航向角),流程如图12所示。

姿态传感器程序中包括读取相应寄存器中的值和整个处理得出初始值两个部分,其中BUF[12]是一个用于陀螺仪数据缓存的数组,ACCEL_XOUT_L、ACCEL_YOUT_L、ACCEL_ZOUT_L分别表示X、Y、Z轴的角加速度值得低八位数据;ACCEL_XOUT_H、ACCEL_Y O U T _ H 、 A C C E L _ Z O U T _ H分别表示X 、 Y 、 Z轴的角加速度值得高八位数据;GYRO_XOUT_L、GYRO_YOUT_L、GYRO_ZOUT_L分别表示X、Y、Z轴的角速度值得低八位数据;GYRO_XOUT_H、GYRO_YOUT_H、GYRO_ZOUT_H分别表示X、Y、Z轴的角速度值得高八位数据;A_X、A_Y、A_Z为整合处理后的角加速度初始值;G_X、G_Y、G_Z则为整合处理后的角速度初始值。

4.2 基于卡尔曼滤波器设计机器人姿态估计器

卡尔曼滤波器的控制主要有两个方面:预测与更新。在预测时,通过上一时刻状态的判断,计算出实时状态;在更新时,实时观测值使预测阶段取得的测量值最优化,得出最新估计值。卡尔曼滤波步骤如下:

1)先验状态估计:

2)先验估计误差协方差:

3)卡尔曼增益:

4)后验状态估计:

5)后验误差协方差:

在上面各式中:Axˆk-1上的n阶矩阵;B控制向量uk-1上的n*1输入控制矩阵;Q表示n*n过程干扰协方差矩阵模型;R表示m*m过程干扰协方差矩阵模型。经过上面五个主要步骤后保存误差值,并将较准确的角度值输出。

程序中使用公式Angle+=(Gyro_y-Q_bias)*dt计算出机器人某一个轴的角度,Q_bias表示陀螺仪输出值与期望值之间的误差,Angle就是系统预先估计值,然后得到观测方程;但加速度传感器采回的角度值Accel就是类似于系统中的测量值,从而得出系统的状态方程式。

Q_angle和Q_gyro各代表了系统对加速度传感器及陀螺仪传感器的信任程度。根据Pdot[0]=Q_angle-PP[0][1]-PP[1][0]计算出先验估计协方差的微分值,再把实时估计值进行线性化计算。之后计算系统估计角度的协方差矩阵PP。计算卡尔曼增益K_0和K_1,K_0用于最优预算值,K_1用于处理最优预算值的偏差和刷新协方差矩阵PP。通过进一步的计算得较真实的机器人姿态值。

4.3 PID控制器设计

4.3.1 PID控制器原理

PID因其简单的结构、较高的稳定性和便于调整的特性,得到了广泛的应用。

上图为PID控制示意图,r(t)为输入量;e(t)为稳态误差量;u(t)为PID输出量;c(t)为实际输出量。PID的输入e(t)与输出u(t)的等式为:

在式(13)中,Kp为比例系数;T1为积分系数;TD为微分系数,PID调节器原理简单、适应性强,实现自平衡机器人的控制方案是完全可行的。

4.3.2 PID控制器实现

在本系统中,Uk代表卡尔曼数据融合后机器人的实时倾斜角;U代表机器人直立时的倾斜角;ek为实时倾斜角度值与期望值的误差;Kp、Ki和Kd分别为比例、积分和微分环节的系数;Pp、Pi和Pd分别为比例环节、积分环节和微分环节增益量;P为PID输出量,用来控制PWM波的占空比,实现电机的转速控制。

5 基于多传感器的机器人自平衡实验

5.1 卡尔曼滤波器参数设计

机器人在调节过程中会出现轻微的抖动,通过卡尔曼滤波使抖动部分更为平缓。在对滤波器进行调试的过程中,要对卡尔曼滤波器的陀螺仪、加速度传感器的权值Q_gyro、Q_angle和卡尔曼增益R_angle设定参数,设定完成后可发送数据到上位机显示,如图11所示。

上图为卡尔曼滤波调试图,图中1表示姿态传感器原始曲线,2表示经过卡尔曼滤波后的曲线。从图可以看出,姿态值的初始曲线有很多的尖峰,噪声比较大,经过卡尔曼滤波后的波形比较的平滑,毛刺较少,可以比较精确的体现出机器人姿态的真实情况。

5.2 PID控制参数整定

通过实验,比例调节能使自平衡机器人完成动态平衡,但是响应时间较长,同时在稳定的位置不停地抖动,加入积分和微分调节使机器人的动态偏差减小,缩短调节反应时间。

PID参数的整定过程:第一步调整比例系数值的大小,使机器人能直站立起来,机器人在实现站立的过程中可能会伴随着抖动现象,第二步,将比例系数值降低到设定值的70%左右,小幅度的增大微分的系数值让机器人可以稳定的平衡。

6 结束语

面向服务型行业中对移动机器人的需求,设计轮球自平衡机器人,应用多传感器实时检测机器人位姿信息,应用卡尔曼滤波算法对数据进行优化,通过整定PID控制器参数实现了该机器人的自平衡。实验结果表明该设计能使机器人在无干扰情况下实现自平衡,并通过有干扰自平衡实验表明了该控制器的鲁棒性。该设计为机器人实用化提供了新的技术和方法。

摘要：通过轮球自平衡原理设计了机器人机构,应用多传感器完成该机器人自平衡姿态控制器设计,其中通过姿态传感器实时检测机器人姿态,并应用卡尔曼滤波对陀螺仪与加速度计数据进行优化。通过整定PID参数实现机器人与标准比赛足球组成系统的自平衡。通过无干扰自平衡实验和扰动下自平衡实验表明该设计的有效性。

机器人机构 篇7

颞下颌关节是咀嚼运动中至关重要的关节,由开闭口运动、下颌的前后运动和下颚的侧向运动组成,咀嚼、言语等功能均是依靠颞下颌关节完成的,通常是这三种运动的合成,依靠对这三种运动的研究可以有效地揭示与下颌相关的运动的作用机理。

下颌运动所需的驱动力主要由咀嚼肌收缩产生,根据力学原理,咀嚼肌产生的生物力也具有力的三要素,即力作用点、大小和方向,其分别对应于咀嚼肌于上颌骨及下颌骨上的附着点、横截面积和附着方向。结合人类解剖学分析可知,下颌运动中主要的作用肌肉是咬肌、颞肌、翼内肌、翼外肌和韧带。

为了将咀嚼系统进行数字化处理,需要将下颌受力状态进行简化,因而本文中只对颞肌、咬肌和翼状肌在下颌运动中产生的影响进行研究分析,同时将各咀嚼肌的伸缩运动简化为线性驱动器的收缩和拉伸运动,将各咀嚼肌附着点简化为三自由度球铰链,最大程度上简化机械结构,结合颞下颌关节相应的结构数据,建立其模型。

2 机构设计

为描述颞下颌关节运动特性,首先应建立对应的坐标系并选取一定的参考点。选取的下颌骨参考点坐标及咀嚼肌接入点坐标如表1和表2所示。

咀嚼机器人结构及坐标系简图如图1所示,其中,IP,LCP、RCP,LMP、RMP分别表示咀嚼机器人切点,左、右髁突点,左、右磨牙点(在图1中用*表示);L1,L2,…,L6代表线性驱动器;M1,M2,…,M6代表肌肉在下颌骨的接入点;S1,S2,…,S6代表肌肉在颅骨的接入点。

根据表1、表2相关参数,基于Stewart运动平台,以颅骨为静平台,以下颌骨为动平台,利用Autodesk Inventor建立仿人类下颌机器人三维模型,如图2所示。

3 仿真分析

为验证机器人仿人类下颌运动的可行性,有必要对模型进行仿真分析。以人类正常的咀嚼运动幅值和频率取值,给定相对于切点IP的振动曲线,以仿真时间为横坐标,以位移为纵坐标,得到IP点的运动轨迹,如图3所示。

4 受力分析

本文在完成咀嚼模拟机器人三维建模的基础上,在Autodesk Inventor Simulation模块中,对咀嚼肌线性驱动器进行有限元静力学研究,主要对应力和应变及安全系数等参数进行分析。

图4为下颌做咀嚼动作的复合运动时右侧颞肌、咬肌、翼状肌受力情况。

其中,t=1.340 s时,翼状肌线性驱动器受最大力为179.7 N;t=0.645 s时,咬肌线性驱动器受最大力,大小为55.1 N;t=0.980 s时,颞肌线性驱动器受最大力为101.1 N。

对咀嚼肌线性驱动器相关系数统计如表3所示。

由分析可知,各驱动器球副与下颌骨接入处应力、应变一般较大,不过根据表3统计各线性驱动器应力/应变最大值、安全系数最小值,结合仿人类下颌机器人的工况,可知有限元分析获得结果均未超过其相应的许用值,咀嚼机器人工作状况良好,可以满足工作需求。

5 结语

机器人机构 篇8

随着社会的不断发展和人民生活水平的不断提高, 医疗外科领域也在不断地进步。传统的腹腔镜手术已经满足不了人们对治疗效果的要求, 由此, 微创外科手术应运而生[1]。近年来以Computer Motion公司的ZEUS和Intuitive Surgical公司的Da Vinci为代表的手术机器人均推动了世界微创手术的进步[2]。这两款手术机器人都拥有3D视觉成像系统, 但是还没有力感知、力反馈功能。对于力反馈的研究国外起步的较晚, 在国内的研究也不成熟[3]。

本文在主从式手术机器人的研究基础上, 重点研究手术机器人从手的力觉感知、力反馈系统, 使手术机器人拥有视觉、力觉双感知系统, 更加完善手术机器人的机能, 使手术操作者更深一层地感知手术环境, 从而完善外科手术的整个过程[4]。

1 微创外科手术机器人结构

1.1 主从手力感知与力反馈控制系统

微创外科手术机器人主要由主操作手、从操作手和控制系统组成。主操作手由手术医生控制, 通过主手控制系统将手术机器人的位姿信号传递给从操作手;从操作手进行手术的直接操作, 通过数据采集卡采集力传感装置测得的夹持信号并传至PC端进行运算生成控制信号, 再把控制信号传递给控制主手运动的驱动器对主手的运动进行力反馈控制[5]。图1为主从手力感知与力反馈系统控制原理图。

1.2 从手夹持手机械结构

微创手术机器人主手的主要功能是把手术医生的模拟操作转化为数字信号并传入控制中心, 而从手机械手实现微创手术操作的执行任务, 所以从手机械手在整个系统中占据着很重要的地位。

手术机器人从手夹持手的总体结构包括4个部分:驱动装置、传动装置、夹持机构和力感知装置。由于微创手术是在病人腹腔中操作完成的, 所以要求从手整体结构尺寸小且紧凑, 而且对人体内组织没有损害, 传动方式采取钢丝绳传动。图2为从手机械结构图。

1.3 力感知方法研究

在微创手术过程中从手夹持手在人体的腹腔内进行操作, 为了直接获得手指夹持力的大小就需要在夹持末端安装载有力感知功能的机构, 此机构应具有整体结构小、耐腐蚀性高等特点。

1-底座;2-电机;3-联轴器;4-钢丝绳;5-底座Ⅱ;6-绳管;7-螺孔;8-手指;9-编码器;10-手指座;11-销轴;12-导辊;13-末端支架

2 力觉传感器设计

2.1 传感器的结构与布置

机构是用来进行运动、力或能量传递或转换的机械装置, 传统刚性机构是由运动副连接的刚性杆件组成的。而柔顺机构也能传递或转换运动、力或能量, 但与刚性机构不同, 柔顺机构不仅由运动副传递运动, 还至少从其柔性部件的变形中获得一部分运动。传感装置的结构主要考虑到以下两点: (1) 能够直接检测到夹持手夹持时与目标体接触力的信息; (2) 不能影响手术操作的各个环节。为此将力传感装置做成柔顺机构并集成在夹持手指的末端, 在柔顺机构上附着应变片以完成力信号的捕捉。图3为力传感装置柔顺机构。

此柔顺机构的上表面与夹持手的手指端直接接触安装在一起, 下表面是粘贴的一层相同材质的薄片, 与上表面的空间距离为3mm, 由于夹持手在夹持物体时多以几何中点为受力点, 所以在薄片的中心粘贴应变片, 图3中的镂空部分是走线用的。图4为柔顺机构手指装配图。

2.2 传感器的材料选择

考虑到微创手术过程中机械装置在患者腹腔内运动并且与病人的内组织相接触, 这就要求材料的耐腐蚀性以及对人体组织的无害性, 因此传感器需要选择耐腐蚀的材料, 经过比较, 选择传感器弹性体的材料为医用不锈钢1Cr18Ni9Ti, 其力学性能参数见表1。

2.3 传感器形变参数校核

之所以选择柔顺机构作为力传感的载体是因为柔顺机构的结构简单并且可以通过应变片的粘贴来实现力信号的采集。将柔顺机构视为一柔性简支梁, L为梁的长度, F为作用在中点的集中力, 图5为中点受力的柔顺机构。

关于微创手术钳在真实手术环境中所需的操作力, Dong-Soo Kwon进行了一系列的分析和研究, 得出微创手术钳对人体器官组织的夹持力不应大于1N[6], 但是为了接下来实验工作的显著性取最大夹持力为10N, 中点受力的简支梁挠曲线方程为:

其中:E为简支梁的弹性模量;I为简支梁的截面惯性矩。由式 (1) 可求出在x=L/2处有最大的挠度:

将相关参数代入式 (2) , 计算出ymax=0.27 mm, 小于柔性机构中间的间隙。

2.4 夹持手驱动方式及驱动设备的选择

本次研究采取电机直驱的方式, 由于减速器中存在回程, 并且在微创手术中的控制精度要求很高, 无论是通过硬件或者是软件减小回程都不足以达到精度的要求, 所以采取电机直接驱动的方式。图6为手指受力图, 其力矩平衡方程为:

其中:Fe×Re为驱动夹持手电机的输入转矩;Fj为柔顺机构受到夹持手夹持人体组织器官的力;Ro为Fj作用点到O点的距离;Mf1为两个手指座的摩擦转矩;Mf2为手指座与末端支架内壁的摩擦转矩。

将相关参数代入式 (3) , 可求出所需最大输入转矩为406N·mm;由于夹持手的运动是在低速的状态下进行, 而有刷电机在低速时拥有良好的刚性, 所以选取驱动电机为Maxon公司的RE50空心杯有刷电机。

3 柔性体瞬态动力学仿真分析

瞬态动力学分析可采用3种方法, 即完全法 (Full) 、缩减法 (Reduced) 及模态叠加法 (Mode Superposition) , 本次分析采用完全法。将三维软件创建的模型导入到ANSYS中, 选择单元类型, 设置材料属性, 同时进行网格划分。柔顺机构的网格划分如图7所示。

设置初始条件时, 将初始位移和初始速度均设为默认值0, 选择分析类型为Transient。设置载荷步结束时间为1.0, 载荷子步数为5, 将图7中的底面进行X, Y, Z向的位移约束, 同时对图7上表面施加压力0.000 134 MPa并在Write LS File命令中将上述载荷步设置作为载荷步1写入载荷文件。重复上述操作, 分别施加0.000 29 MPa、0.000 4 MPa、0.000 53MPa、0.000 7 MPa为2~5步的载荷, 并且写入载荷文件, 最后求解。图8为柔顺机构的位移云图。

拾取形变底表面中线上靠近几何中心的3个节点绘制位移曲线, 如图9所示。其中, 横坐标为长度L。

结果表明, 柔顺机构在受到压力时发生的形变值与理论值相互吻合, 所设计的柔顺机构合理, 而且从图8和图9中可以看出:柔顺机构底表面上的几何中心位置的形变量最大, 而且形变的线性度适合应变片对数据的采集。

4 结论

本文在建立微创手术机器人从手夹持手模型的基础上, 针对末端夹持机构进行研究, 设计了可集成在手指上的力觉传感装置。通过夹持力的计算, 确定了电机的参数及驱动方式, 最后通过有限元瞬态分析表明力觉传感装置的形变量与手指受力的线性度密切相关, 并且确定了应变片粘贴的最佳位置。手指的夹持力作用于柔顺机构并且使柔顺机构的形变趋于线性, 这为确定控制系统中力信号的处理及转换奠定了基础。

摘要：针对微创手术机器人, 研究设计了载有力感知功能的从手夹持手, 介绍了夹持手末端柔顺机构力觉传感器的设计、驱动装置及驱动方式的选择, 并基于ANSYS软件分析了微创手术机器人夹持手在夹持过程中传感器形变与受力的关系。仿真及分析结果表明传感器的形变与受力基本趋于线性关系, 为进一步研究手术机器人夹持手的力感知与力反馈的控制奠定了基础。

关键词：微创手术,柔顺机构,力感知,瞬态学分析

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