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仿金花蛇軀體形變機構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計

2015-06-09 12:33:59姜祖輝馮寶林趙世標(biāo)鄭中山
機械與電子 2015年9期
關(guān)鍵詞:拉簧金花繩索

姜祖輝,馮寶林,趙世標(biāo),鄭中山

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院,安徽合肥230026;2.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院,安徽合肥 230031)

仿金花蛇軀體形變機構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計

姜祖輝1,馮寶林2,趙世標(biāo)1,鄭中山1

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院,安徽合肥230026;2.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院,安徽合肥 230031)

0 引言

隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展,在空間環(huán)境中分布的太空垃圾威脅和影響操作設(shè)備的安全?,F(xiàn)有的空間展收裝置(如繩索連接類型、馬達驅(qū)動類型等)的展開方式,受限于傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu),很難滿足姿態(tài)調(diào)整的需要,也難以適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境。由于金花蛇整個脊柱本身的變形屬性,使其在空中滑行方式與其他動物不同,它身體的三維姿態(tài)在滑翔過程中不斷變化[1]。換句話說,不斷變形的蛇身有更多的自由度且能實現(xiàn)更快速姿態(tài)調(diào)整。強大的肌肉張力是實現(xiàn)快速響應(yīng)的動力;與此同時,整個脊柱的結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)其較大的變形[2-3]。在此,提出了一種新型具有較多自由度的線驅(qū)動仿生機構(gòu),可以在操作中有效地實現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整。

1 仿生機構(gòu)的設(shè)計

整個機構(gòu)由多個模塊化關(guān)節(jié)串聯(lián)而成,采用并聯(lián)線驅(qū)動結(jié)構(gòu)[4-11]。如圖1所示,模塊化關(guān)節(jié)串聯(lián)后,其末端通過螺釘緊固在基座上,8個繞線伺服電機固定在基座另一面。

圖1 線驅(qū)動仿生機構(gòu)整體裝配圖

在線驅(qū)動關(guān)節(jié)設(shè)計中,采用模塊化關(guān)節(jié)設(shè)計。如圖2所示,球副被拆分為俯仰副和旋轉(zhuǎn)副串聯(lián),俯仰副設(shè)定為十字軸聯(lián)接,但是考慮到對稱性,分別在俯仰副的兩端各加一個旋轉(zhuǎn)副。

每個關(guān)節(jié)包含2個圓盤,4根彈簧,2根階梯軸,

軸的一端插入軸承孔,通過萬向節(jié)將兩軸連接。關(guān)節(jié)的回復(fù)力用拉簧來提供,兩圓盤通過外側(cè)的安裝孔由拉簧連接,并開有小孔以使驅(qū)動繩索穿過。因彈簧的彈性性能和萬向節(jié)的變向功能,整個關(guān)節(jié)能作伸縮運動,也能向各方向擺動。

在整個機構(gòu)中,主要有2種對稱的繞線方法(螺旋式繞法和直線繞法)使得機構(gòu)形變。圖3a為螺旋式繞法,紅色繩索和藍色繩索分別對稱地通過圓盤上的小孔,從左向右看,在空間上為螺旋形狀(順時針),同樣的,還有一組相同的對稱繩索逆時針穿過圓盤上的繞線孔(從左向右看),可以使得機構(gòu)向反方向扭轉(zhuǎn);圖3b為直線式繞法,4條繩索直接穿過繞線孔,來實現(xiàn)機構(gòu)向相應(yīng)的4個方向彎轉(zhuǎn)。

圖2 線驅(qū)動關(guān)節(jié)裝配剖圖

圖3 2種繞法示意圖

2 動力輸入計算

作為主動機械裝置的機器人,在原則上機器人的每個自由度都應(yīng)該具有單獨傳動。從控制觀點來看,機器人系統(tǒng)往往代表冗余的、多變量的和非線性的自動控制系統(tǒng),也是一個復(fù)雜的動力學(xué)耦和系統(tǒng)。每個控制任務(wù)的本體就是一個動力學(xué)任務(wù)。由于拉格朗日法求解的簡便性,本部分采用拉氏方程對機器人進行動力學(xué)建模。

2.1 設(shè)定機器人連桿系統(tǒng)基坐標(biāo)系及建立拉格朗日動力學(xué)方程

拉格朗日函數(shù)L被定義為整個系統(tǒng)動能和勢能的差,且整個系統(tǒng)的動能和勢能為機器人各個連桿的動能和勢能之和。

在機器人底部建立三維笛卡爾坐標(biāo)系,并做如下簡化:機器人關(guān)節(jié)中的旋轉(zhuǎn)副和俯仰副合成一個球副,來連接相鄰的2個連桿;機械關(guān)節(jié)的質(zhì)量主要集中在圓盤中心處,因此連桿的質(zhì)點被設(shè)置在連桿的中心。如圖4所示。

圖4 機器人簡圖

Mi為所求機器人關(guān)節(jié)處的廣義力,在此為力矩。

2.2 求解相應(yīng)機器人關(guān)節(jié)

本部分根據(jù)機器人的3種主要動作模式來分析和求解,在分析和求解的過程中,由于計算的復(fù)雜性,在動力學(xué)建模的過程中忽略重力和摩擦力對形變角的影響。為了方便求解,引入2個變量α和β,其中α和β分別表示機器人末端執(zhí)行器在基坐標(biāo)系的彎轉(zhuǎn)角度和扭轉(zhuǎn)角度。

2.2.1 徑向彎曲模式

完成徑向彎曲的動作,需要對相應(yīng)方向的直線繩索進行拉伸,θ2i(i=1,2,3,4)代表相應(yīng)關(guān)節(jié)彎轉(zhuǎn)角;T代表繩索張力。在設(shè)定條件下,由于每一部分繩索的張力相同,整個機器人的變形速度不大,并且重力對于拉簧張力對機器人關(guān)節(jié)的變形角影響也很小,所以每個關(guān)節(jié)的彎轉(zhuǎn)角可認為是相同的,且有:

如圖5所示,力矩MiB為關(guān)節(jié)內(nèi)繩索拉力和拉簧彈力的合成力矩為:

圖5 彎曲模式下關(guān)節(jié)骨架

根據(jù)式(3)~式(6)聯(lián)立方程組,即可得到Ti的表達式。

2.2.2 扭轉(zhuǎn)模式

完成單純的扭轉(zhuǎn)動作,需要2根螺旋纏繞的繩索在同速下拉伸。θ2i-1(i=1,2,3,4)代表相應(yīng)關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)角;T1、T2代表繩索張力。同樣的,拉簧拉力、繩索的張力以及扭轉(zhuǎn)角可做如下處理:

圖6 在扭轉(zhuǎn)模式下關(guān)節(jié)骨架

由胡克定律可得:

根據(jù)式(7)~式(11)聯(lián)立方程組,即可得到繩索拉力的表達式。

2.2.3 扭轉(zhuǎn)彎曲模式

在扭轉(zhuǎn)彎曲模式下,機器人需要1根螺旋纏繞的繩索在勻速下拉伸。在圖7的基坐標(biāo)系中,θ2i-1和θ2i可由運動學(xué)反解得出[1213](因為本部分對建模

圖7 彎曲扭轉(zhuǎn)模式下關(guān)節(jié)骨架

根據(jù)式(13)~式(15)聯(lián)立方程組,即可得到Ti的表達式。

3 控制平臺設(shè)計與實驗

3.1 系統(tǒng)概述

控制系統(tǒng)主要由上位機、PLC、伺服驅(qū)動器和伺服電機組成。上位機輸入變量經(jīng)由PLC處理后,通過驅(qū)動器對伺服電機執(zhí)行控制,從而使得機器人完成相應(yīng)的位姿。整個控制系統(tǒng)布局如圖8所示。

圖8 控制系統(tǒng)

整個系統(tǒng)初始化后,輸入變量α和β,并轉(zhuǎn)化為機器人位姿數(shù)據(jù),通過PLC對電機驅(qū)動器發(fā)出指令,從而驅(qū)動電機,使得機器人完成相應(yīng)動作。整個控制流程如圖9所示。

圖9 控制流程

3.2 實驗

根據(jù)之前的樣機設(shè)計,選定材料加工非標(biāo)件,并對整個樣機進行組裝,整個實體樣機如圖10所示。對于非標(biāo)件,為滿足整個機構(gòu)的強度以及輕量化要求,選材為航空鋁材質(zhì)7075;選定電機型號為安川SGMPS系列電機,配套驅(qū)動器型號為SGDVR70F,主控PLC為MP2300。控制箱電機組

圖10 機器人樣機

機器人的動作實現(xiàn)如圖11所示。其中,圖11a,圖11b和圖11c的輸入變量(α,β)分別為(π/4,0),(0,π/4)和(π/4,π/4)。從圖11可以看出,由于重力、繩索本身柔軟度以及摩擦力的影響,在實際情況下,機器人每個關(guān)節(jié)的相應(yīng)形變角度有所不同,從而導(dǎo)致最終機器人的位姿有少許的偏差,但此方法具有可行性。

圖11 機器人動作實驗

4 結(jié)束語

根據(jù)金花蛇的骨骼和肌肉系統(tǒng)的研究,設(shè)計了一種新型的線驅(qū)動機械機構(gòu),并對此機構(gòu)進行動力學(xué)建模和控制系統(tǒng)設(shè)計。在動力學(xué)分析過程中,設(shè)定每個關(guān)節(jié)的形變角度近似相等,并引入新變量(α,β)簡化最終結(jié)果表達式。在控制系統(tǒng)設(shè)計中,同樣使用(α,β)作為變量輸入,并對此進行實驗,證明了可行性,從而對其他類似的線驅(qū)動機器人設(shè)計提供一種新的思路。

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System Design of Mechanism Based on Characteristics of Chrysopelea ornata Spine

JIANG Zuhui1,F(xiàn)ENG Baolin2,ZHAO Shibiao1,ZHENG Zhongshan1
(1.Institute of Engineering Sciences,University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China;
2.Hefei Institutes of Physical Science,Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031,China)

提出了一種全新的基于金花蛇脊椎特性的形變機構(gòu),它可以實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)和彎曲等多種動作。受金花蛇脊椎空間變形特性的啟發(fā),分析金花蛇脊柱骨解剖學(xué)特征和肌肉分布特征,設(shè)計仿生機械機構(gòu)。相對于傳統(tǒng)的類似機構(gòu),本機器人采用線驅(qū)動,結(jié)構(gòu)更加簡單,擁有更多自由度且可以適應(yīng)多種工作環(huán)境。并對此機構(gòu)進行動力學(xué)建模和控制系統(tǒng)設(shè)計。

仿金花蛇軀體形變;機構(gòu)設(shè)計;動力學(xué);控制系統(tǒng)設(shè)計

This paper proposes a new design of mechanism based on the spine structure of the Golden Tree Snake(Chrysopelea ornata),which is capable of performing a wide range of motions,such as torsion and bending.Inspired by the Golden Tree Snake’s vertebrae spatial deformation characteristics and the anatomy of the snake’s spine and muscle distribution characteristics,this robot is cable-driven,and thus has more simple structure,more freedom and can be adapted to various working environment.In this paper,the mechanism design,dynamic analysis,control platform design and experiment are also presented.

mechanism based on characteristics of flying snake spine;mechanism design;dynamic analysis;control system design

TP242

A

1001-2257(2015)09-0076-05

國家自然科學(xué)基金資助項目(51275505)2個角接觸軸承,2個軸承蓋和1個萬向節(jié)。圓盤上內(nèi)外側(cè)都均布著4個安裝孔用于緊固軸承蓋,角接觸軸承安裝在圓盤中心凸臺的孔內(nèi),通過軸承蓋使其軸向位置固定,將階梯

姜祖輝(1987-),男,河北滄州人,碩士,研究方向為機器人、機械設(shè)計;馮寶林 (1972-),男,安徽合肥人,博士,副研究員,研究方向為仿生設(shè)計、機械設(shè)計,通信作者。

2015-04-13

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