新型的氣壓式仿人機(jī)器人腰部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)仿真

王穎嫻

(西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安 710032)

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，仿人機(jī)器人走進(jìn)人們的視野，機(jī)器人市場(chǎng)正在不斷擴(kuò)大，未來(lái)生活中人們必將會(huì)越來(lái)越依賴機(jī)器人去完成各種任務(wù)。機(jī)器人的擬人化行為不僅可以給人們帶來(lái)身體及心理上的舒適感，而且可以提高人機(jī)的合作效率。仿人機(jī)器人是一個(gè)多自由度、非線性、具有復(fù)雜運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特征的系統(tǒng)，仿人機(jī)器人主要是根據(jù)人體的各部分的基本結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行研究，腰部機(jī)構(gòu)作為仿人機(jī)器人的核心樞紐起著不可或缺的重要作用，其傳動(dòng)過(guò)程、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、剛度控制等均對(duì)最終的運(yùn)動(dòng)形態(tài)有所影響，因此腰部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的柔性以及穩(wěn)定性，決定著仿人機(jī)器人的最終質(zhì)量[1]。 目前，機(jī)器人的傳動(dòng)方式主要是以電機(jī)作為動(dòng)力源，本文所介紹的仿人機(jī)器人具有差動(dòng)腰部機(jī)構(gòu)，除了受自身動(dòng)力學(xué)影響之外，還會(huì)受到手臂和車體運(yùn)動(dòng)以及外力矩等因素的影響，腰部結(jié)構(gòu)是雙臂與車體的鏈接樞紐，所以腰部各關(guān)節(jié)的位姿跟蹤精度直接會(huì)影響雙臂末端的作業(yè)精度，它所受到的來(lái)自車體和雙臂的動(dòng)力學(xué)影響也很大，不能忽略。

1 總體設(shè)計(jì)概述

仿人機(jī)器人是集機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)、傳感等核心部件以及仿生、交互、智能等技術(shù)于一體的綜合平臺(tái)，是我國(guó)“十一五”期間先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域設(shè)立的重點(diǎn)項(xiàng)目。仿人機(jī)器人的研究會(huì)促進(jìn)先進(jìn)機(jī)器人部件的更新，帶動(dòng)先進(jìn)機(jī)器人智能技術(shù)的發(fā)展。隨著對(duì)仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、感知、作業(yè)能力要求的不斷提高，對(duì)高精度的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、高性能的電機(jī)驅(qū)動(dòng)、高性能的感知系統(tǒng)以及運(yùn)動(dòng)能力提出了更高的要求。機(jī)器人腰部在整個(gè)系統(tǒng)中占重要作用，是整個(gè)機(jī)器人的中介樞紐，所以對(duì)腰部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)始終受到人們關(guān)注。

1.1 腰部機(jī)構(gòu)的作用

(1)腰部是連接仿人機(jī)器人上肢與下肢的樞紐。

(2)腰部各關(guān)節(jié)的精度直接影響仿人機(jī)器人的雙臂作業(yè)精準(zhǔn)度。

(3)腰部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)直接影響仿人機(jī)器人腿部的行走狀態(tài)。

(4)腰部負(fù)責(zé)自由調(diào)整仿人機(jī)器人的重心。

1.2 腰部機(jī)構(gòu)的功能需求

(1)要具備與真實(shí)人體腰部相類似的靈活空間以及自由度。

(2)要確保關(guān)節(jié)的承重能力以及精準(zhǔn)度。

(3)要保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)的位置不在關(guān)節(jié)以及運(yùn)動(dòng)部件上。

1.3 設(shè)計(jì)原則

(1)仿生性：包括高度、動(dòng)作、自由度等在內(nèi)的結(jié)構(gòu)和功能都應(yīng)該盡量仿人。

(2)穩(wěn)定性：仿人機(jī)器人涉及關(guān)節(jié)較多，控制線路復(fù)雜，而且瞬間的轉(zhuǎn)矩會(huì)比較大，因此，對(duì)控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)元件的要求較高。

(3)高剛度：仿人機(jī)器人需要具備良好的剛性，避免機(jī)械變形、插件松動(dòng)等現(xiàn)象。

(4)低成本：在滿足功能需求的基礎(chǔ)上，盡可能選擇常見材料以及元器件，降低系統(tǒng)成本。

1.4 設(shè)計(jì)思路

(1)將電機(jī)與傳動(dòng)鏈都固接在下板，降低腰部高度從而降低了重心，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(2)電機(jī)布置避開關(guān)節(jié)以及運(yùn)動(dòng)件，降低負(fù)載的同時(shí)提高了運(yùn)動(dòng)的精準(zhǔn)度。

(3)采用兩個(gè)差動(dòng)輪系封閉式傳動(dòng)，降低電機(jī)功率，減少電源消耗。

(4)利用柔索，提升了系統(tǒng)的柔性，增強(qiáng)仿人機(jī)器人工作時(shí)的安全性。

(5)利用連桿，擴(kuò)大腰部機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)范圍，提升腰部機(jī)構(gòu)的承載能力[2]。

2 新型氣壓式仿人機(jī)器人腰部機(jī)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)腰部機(jī)構(gòu)的構(gòu)成要素以及功能要求，整個(gè)控制系統(tǒng)可以劃分為PC機(jī)、控制部分、驅(qū)動(dòng)部分、動(dòng)力電機(jī)、傳感器以及結(jié)構(gòu)平臺(tái)?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

腰部結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)主要采用上位機(jī)、下位機(jī)分層的控制策略以及指令化的控制方式。借助PC機(jī)強(qiáng)大的邏輯判斷運(yùn)算能力與信息處理能力，上位機(jī)系統(tǒng)解析出用戶輸入的指令，將運(yùn)動(dòng)參數(shù)發(fā)送給下位機(jī)完成相應(yīng)的運(yùn)控控制。同時(shí)下位機(jī)也會(huì)將運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和傳感器信號(hào)反饋給上位機(jī)，方便用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。仿人機(jī)器人是根據(jù)人體各個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)機(jī)理開發(fā)的具備動(dòng)力學(xué)特性的智能化系統(tǒng)，腰部機(jī)構(gòu)既是核心的樞紐又負(fù)責(zé)調(diào)整重心，是仿人機(jī)器人不可或缺的重要組成部分，其整體結(jié)構(gòu)包括氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)以及電源系統(tǒng)。具體部件由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、差動(dòng)輪系、連桿、柔索以及變剛度結(jié)構(gòu)單元等組成[3]。

2.2 運(yùn)動(dòng)指標(biāo)

(1)俯仰運(yùn)動(dòng)：前傾角度范圍為0到45°，后仰角度0到5°。

(2)側(cè)傾運(yùn)動(dòng)：左右側(cè)傾角度范圍為正負(fù)15°。

(3)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：角度范圍為正負(fù)90°。

(4)運(yùn)動(dòng)速度：0.2弧度/s 。

(5)加速度：0.1弧度/s。

2.3 腰部機(jī)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)

(1)傳動(dòng)過(guò)程

仿人機(jī)器人的腰部傳動(dòng)過(guò)程由差動(dòng)輪系實(shí)現(xiàn)，兩個(gè)差動(dòng)輪系采取封閉式傳動(dòng)，依然保持系統(tǒng)存在兩個(gè)自由度，如圖2所示。

圖2 差動(dòng)輪系封閉式傳動(dòng)

其中，I1、I2代表驅(qū)動(dòng)電機(jī)，A1、A2代表輸出軸，P1、P2代表加法器。運(yùn)行的時(shí)候由I1、I2驅(qū)動(dòng)P1的輸出軸A1轉(zhuǎn)動(dòng)，與此同時(shí)也驅(qū)動(dòng)P2的輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，然后通過(guò)圓錐齒輪來(lái)使輸出軸A2進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而完成傳動(dòng)過(guò)程。中間輪g4、g5可以改變旋轉(zhuǎn)的方向，輸出軸A1、A2則可以作為機(jī)器人側(cè)傾以及俯仰運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)軸，使仿人機(jī)器人既可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的側(cè)傾或者俯仰，也可以實(shí)現(xiàn)兩者結(jié)合在一起的復(fù)合型運(yùn)動(dòng)。

(2)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

將仿人機(jī)器人的軀干等零部件安裝在上板上，差動(dòng)輪系封閉式傳動(dòng)系統(tǒng)安裝在下板上，如圖3所示。

圖3 仿人機(jī)器人腰部機(jī)構(gòu)圖

其中1、11、2、21代表連桿，3、31代表柔索，A1、A2代表輸出軸，具體工作原理如下：

a) 連桿1、11位于中間版的中心軸線。上端與中間板連接，連桿1的下端與A1連接，連桿11與下板通過(guò)鉸鏈連接在一起，連桿1由輸出軸A1進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[4]。

b) 連桿2、21一端和中間板連接，另一端和上板連接。將連桿2、21的兩端分別固接在中間板與上板的中心軸線上，上板就會(huì)隨著中間板同步運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)腰部機(jī)構(gòu)的側(cè)傾運(yùn)動(dòng)。

c) 柔索3、31一端與上板中心軸線固接，另一端與輸出軸A2固接，并且采用反向連接的方式使3、31的運(yùn)動(dòng)方向是相反的。由柔索3、31來(lái)驅(qū)動(dòng)上板就可以實(shí)現(xiàn)腰部機(jī)構(gòu)的俯仰運(yùn)動(dòng)。

(3)剛度控制

本設(shè)計(jì)中利用柔索和非線性變剛度結(jié)構(gòu)單元來(lái)驅(qū)動(dòng)仿人機(jī)器人的俯仰運(yùn)動(dòng)，剛度調(diào)節(jié)的范圍在理論上可以達(dá)到零到無(wú)窮大。非線性變剛度結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)組成，如圖3所示。

圖3 非線性變剛度結(jié)構(gòu)單元

其中包括2個(gè)動(dòng)滑輪、4個(gè)定滑輪、線性彈簧、柔索以及回轉(zhuǎn)臂?；剞D(zhuǎn)臂改變轉(zhuǎn)角進(jìn)而調(diào)整動(dòng)滑輪間的距離，和線性彈簧組合起來(lái)覺得柔索的剛度變化情況，使仿人機(jī)器人的柔性更好，進(jìn)而提高系統(tǒng)的安全性[5]。

3 新型氣壓式仿人機(jī)器人腰部機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

3.1 動(dòng)力學(xué)模型

我們利用高效牛頓-歐拉算法來(lái)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，將全部桿件的速度、加速度、慣性矩陣、力和力矩等以自身?xiàng)U件坐標(biāo)系做參照，使計(jì)算驅(qū)動(dòng)力矩的時(shí)間與仿人機(jī)器人的關(guān)節(jié)數(shù)成正比關(guān)系。力矩表達(dá)形式，如式(1)。

τ(t)=D(q(t))q(t)+h(q(t),q(t))+c(q(t))

(1)

式1)中，τ(t)代表各個(gè)關(guān)節(jié)力矩的等效列向量，q(t)代表各個(gè)關(guān)節(jié)加速度或者角加速度列向量，q(t)代表各個(gè)關(guān)節(jié)速度或者角速度列向量，q(t)代表各個(gè)關(guān)節(jié)位移或者角位移列向量[6]。

如果忽略關(guān)節(jié)之間的哥氏力，力矩取慣性力、離心力與重力的疊加，則公式(1)可簡(jiǎn)化為式(2)。

τ(t)=D(q(t))q(t)+h(q(t))q(t)2+c(q(t))

(2)

如果再不考慮各個(gè)關(guān)節(jié)之間的耦合作用，最終簡(jiǎn)化后的仿人機(jī)器人的腰部機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型為式(3)。

(3)

3.2 運(yùn)動(dòng)仿真

(1)工作流程

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)已經(jīng)成為改進(jìn)設(shè)計(jì)、提高性能的有效手段，是虛擬樣機(jī)技術(shù)中不可或缺的一部分。指的是利用物理信息以及幾何信息獲得機(jī)械系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)，并在虛擬環(huán)境中模擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)，以便于對(duì)運(yùn)動(dòng)情況和受力情況進(jìn)行分析。降低開發(fā)成本的同時(shí)還大幅提升了設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率，其具體流程，如圖4所示。

圖4 運(yùn)動(dòng)仿真流程

(2)運(yùn)動(dòng)仿真

仿人機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真是從機(jī)械設(shè)計(jì)的角度考慮，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所服務(wù)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真分析來(lái)獲得相關(guān)的關(guān)節(jié)速度、加速度等數(shù)據(jù)，為后續(xù)工作提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與參考[7]。

本設(shè)計(jì)中通過(guò)Mechpro2005接口軟件定義Bodies以及Joints參數(shù)之后，將三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件，運(yùn)用step函數(shù)對(duì)仿人機(jī)器人腰部機(jī)構(gòu)的俯仰運(yùn)動(dòng)以及側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得出相關(guān)關(guān)節(jié)的位置、角速度以及角加速度結(jié)果，如圖5、圖6所示。

圖5 腰部俯仰運(yùn)動(dòng)仿真

圖6 腰部側(cè)傾運(yùn)動(dòng)仿真

4 總結(jié)

仿人機(jī)器人的腰部機(jī)構(gòu)是連接上肢與下肢的樞紐，控制著整個(gè)身體的重心，并且運(yùn)動(dòng)形態(tài)直接影響雙臂以及雙腿的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，在運(yùn)行過(guò)程中需要完成的運(yùn)動(dòng)包括俯仰、側(cè)傾以及回轉(zhuǎn)等，其傳動(dòng)過(guò)程、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及剛度控制都決定了其靈活性與柔性，本文給出了詳細(xì)設(shè)計(jì)方案并建立了動(dòng)力學(xué)模型，最終得出的運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果表明本設(shè)計(jì)方案可行、可靠。