基于雙自由度轉(zhuǎn)調(diào)機(jī)構(gòu)的仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)

0仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)目前，模仿機(jī)器人的研究是機(jī)器人學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。模仿機(jī)器人包括模仿人類和模仿生物的機(jī)器人。前者模仿人的肌體構(gòu)造或器官功能,如仿人手、手臂、類人機(jī)器人等。后者模仿各種生物如螞蟻、象鼻、螃蟹等的功能。人型機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)60年代,在歷經(jīng)數(shù)十年的研究中,著名的研究成果有日本人形娛樂(lè)機(jī)器人SDR-4X,美國(guó)麻省理工學(xué)院的COG機(jī)器人等。在仿生機(jī)器人的研究中,機(jī)器狗的研究同樣引起了人們的關(guān)注,如索尼公司的“愛(ài)寶”、波士頓動(dòng)力學(xué)工程公司設(shè)計(jì)的四足機(jī)器人“大狗”等。上述仿生機(jī)器人的各關(guān)節(jié)均由串聯(lián)機(jī)構(gòu)組成,雖然串聯(lián)構(gòu)型在控制上比較容易實(shí)現(xiàn),且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但如下不足影響了其使用范圍:(1)剛度弱;(2)肢體功能不完全,如頸部、腰部等處采用了單轉(zhuǎn)動(dòng)副,與生物體的實(shí)際運(yùn)動(dòng)差距較大,且不利于合理的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、平衡的保持、姿態(tài)的變換等。為克服上述缺陷,周玉林等將并聯(lián)機(jī)構(gòu)引入仿人機(jī)器人研究,構(gòu)造了人形機(jī)器人的整體構(gòu)型。高峰提出各種仿生單元的研制是當(dāng)前機(jī)器人仿生學(xué)研究的主要手段。由于生物體的許多關(guān)節(jié)具有多自由度的特性,故多自由度并聯(lián)關(guān)節(jié)的研究對(duì)仿生機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)有積極意義。構(gòu)造新型少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu),并運(yùn)用于新型仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)是極具挑戰(zhàn)的課題。并聯(lián)雙自由度轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)RGRR-I和RGRR-II均只有3個(gè)活動(dòng)構(gòu)件,且均具有工作空間/機(jī)構(gòu)尺寸比大、機(jī)構(gòu)耦合度為零的特點(diǎn);RGRR-Ι可以實(shí)現(xiàn)繞固定坐標(biāo)系z(mì)軸的擺動(dòng),幅度為–90o~90o,以及繞擺動(dòng)軸x1軸360o的轉(zhuǎn)動(dòng);RGRR-II可以繞固定坐標(biāo)系z(mì)軸360o的轉(zhuǎn)動(dòng),以及繞旋轉(zhuǎn)軸y1軸做–90o~90o的擺動(dòng);RGRR-I比RGRR-II剛度高,RGRR-II可以實(shí)現(xiàn)半球面無(wú)死點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。因此,RGRR-Ι、RGRR-II可以設(shè)計(jì)成仿生機(jī)器的關(guān)節(jié),并為新型仿生機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)保證。本文依據(jù)狗的生理結(jié)構(gòu)和主要功能,研究并提出一種仿生機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)化方法,在此基礎(chǔ)上,運(yùn)用RGRR-Ι、RGRR-II以及單自由度轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)器狗的各關(guān)節(jié),以構(gòu)造多自由度的混聯(lián)機(jī)器狗。1rgr-i和rgr-ii的機(jī)構(gòu)特征1.1rgr特征分析1.1.1y1軸的確定坐標(biāo)系建立:以錐齒輪1的軸線為z1軸,箭頭指向從左向右;以錐齒輪2的軸線為x1軸,箭頭指向從下向上,根據(jù)右手法則確定y1軸,如圖1所示;在0時(shí)刻,固定坐標(biāo)系Oxyz和動(dòng)坐標(biāo)系O1x1y1z1相重疊(z1軸與z軸始終重合)。1.1.2rgrr-工作空間分析(1)輸入、輸出角度之間的關(guān)系。當(dāng)錐齒輪1、系桿3分別轉(zhuǎn)動(dòng)α1、α3,其運(yùn)動(dòng)輸出構(gòu)件錐齒輪2在固定坐標(biāo)系Oxyz的旋轉(zhuǎn)矩陣為式中,1θ、θ2分別為輸出構(gòu)件錐齒輪2繞坐標(biāo)x1和z1(z)的轉(zhuǎn)角。(2)RGRR-Ι工作空間分析。RGRR-Ι型并聯(lián)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)繞固定坐標(biāo)系z(mì)軸的擺動(dòng),幅度為–90o~90o,以及繞擺動(dòng)軸x1軸360o的轉(zhuǎn)動(dòng)。(3)輸入、輸出角度速度、角加速度之間的關(guān)系。對(duì)式(1)求導(dǎo),可以得出工作臺(tái)(行星齒輪2)在固定坐標(biāo)系Oxyz中,描述角速度、角加速度的矩陣分別為1.2rgr特征分析1.2.1坐標(biāo)系的建立圖2a為RGRR-II機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖,RGRR-II機(jī)構(gòu)中錐齒輪2固定不動(dòng),錐齒輪1和系桿3分別為運(yùn)動(dòng)輸入構(gòu)件,構(gòu)件為運(yùn)動(dòng)輸出構(gòu)件。坐標(biāo)系建立如圖2b所示,以錐齒輪2分度圓錐的直徑為定坐標(biāo)系Oxyz的y軸,且指向?yàn)樗较蛴?錐齒輪2分度圓錐的圓心為固定坐標(biāo)原點(diǎn)O;以過(guò)O點(diǎn)系桿垂直軸的軸心線為z軸,向上為正;根據(jù)右手法則確定x軸。動(dòng)坐標(biāo)系O1x1y1z1的z1與定坐標(biāo)系的z軸重合,y1為取系桿3的水平軸的軸線,用右手法則確定x1軸。在零時(shí)刻,定坐標(biāo)系Oxyz的y軸和動(dòng)坐標(biāo)系O1x1y1z1的y1軸平行,且指向相同。1.2.2rgrr-iii型串聯(lián)機(jī)構(gòu)(1)輸入、輸出角度之間的關(guān)系式中,1β、β2分別為繞擺動(dòng)軸y1的擺動(dòng)角度和的固定軸z(z1)的旋轉(zhuǎn)角度;1α、α3分別是錐齒輪1和系桿3的運(yùn)動(dòng)角度。(2)工作空間。RGRR-II型并聯(lián)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)繞固定坐標(biāo)系z(mì)軸360o的轉(zhuǎn)動(dòng),以及繞旋轉(zhuǎn)軸y1軸做–90o~90o的擺動(dòng)。(3)輸入、輸出角速度、角加速度之間的關(guān)系。分別對(duì)式(4)求一階、二階導(dǎo)數(shù),可以得出運(yùn)動(dòng)輸出構(gòu)件支架在固定坐標(biāo)系Oxyz中下,描述角速度、角加速度的矩陣1.3rgrr-iii旋轉(zhuǎn)軸的改變RGRR-?可以實(shí)現(xiàn)繞固定坐標(biāo)系z(mì)軸的擺動(dòng),幅度為–90o~90o,以及繞擺動(dòng)軸x1軸360o的轉(zhuǎn)動(dòng);RGRR-Ⅱ可以實(shí)現(xiàn)繞固定坐標(biāo)系z(mì)軸360o的轉(zhuǎn)動(dòng),以及繞旋轉(zhuǎn)軸y1軸做–90o~90o的擺動(dòng),即RGRR-II可以實(shí)現(xiàn)半球面無(wú)死點(diǎn)的運(yùn)動(dòng),其工作空間大于RGRR-?;但RGRR-?的剛度高于RGRR-II。2狗的生理結(jié)構(gòu)分析和運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)簡(jiǎn)化2.1狗的生理結(jié)構(gòu)分析2.1.1牧馬的主要軟骨和關(guān)節(jié)犬體全身骨骼共有257~264塊組成,可分為中軸骨骼、四肢骨骼和內(nèi)臟骨骼。中軸骨骼位于犬體正中線上,構(gòu)成犬體的中軸,包括軀干骨和頭骨;四肢骨包括前肢骨和后肢骨,下面就牧羊犬的主要骨骼和關(guān)節(jié)做簡(jiǎn)單介紹。軀干骨:軀干骨包括脊柱、肋和胸骨。脊柱有一系列椎骨,即頸椎、胸椎、腰椎、薦椎和尾椎,借助軟骨、關(guān)節(jié)和韌帶連接而成。前肢骨:前肢的肩帶與軀干不僅形成關(guān)節(jié),而且借助肩帶肌肉將肩胛骨與軀干連結(jié),其余關(guān)節(jié)自上而下依次是肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)和指關(guān)節(jié)。后肢骨:后肢骨關(guān)節(jié)的連結(jié)有薦髂關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、跗關(guān)節(jié)和趾關(guān)節(jié)。后肢各關(guān)節(jié)與前肢各關(guān)節(jié)相對(duì),除趾(指)關(guān)節(jié)外,各關(guān)節(jié)角方向相反,各關(guān)節(jié)均有側(cè)副韌帶,故為單軸關(guān)節(jié),主要進(jìn)行屈伸運(yùn)動(dòng)。2.1.2雙軸關(guān)節(jié)的特點(diǎn)根據(jù)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軸的數(shù)目?？梢苑譃槿N。(1)單軸關(guān)節(jié):是在一個(gè)平面上,圍繞一個(gè)軸運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)。犬的四肢關(guān)節(jié)多數(shù)為單軸關(guān)節(jié),如腕、肘、指等關(guān)節(jié),一般只能圍繞橫軸、在矢狀面上作屈、伸運(yùn)動(dòng)。(2)雙軸關(guān)節(jié):可以圍繞兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行活動(dòng)的關(guān)節(jié),除了可以沿橫軸作屈、伸運(yùn)動(dòng)外,還可以沿縱軸左右擺動(dòng)。(3)多軸關(guān)節(jié):有3個(gè)互相垂直的運(yùn)動(dòng)軸,這種關(guān)節(jié)多面呈球或窩狀,可以作多種方向的運(yùn)動(dòng),除能作屈、伸、內(nèi)收和外展運(yùn)動(dòng)外尚能做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),如髖關(guān)節(jié)、脊柱骨。2.1.3骨髓炎的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng),關(guān)節(jié)在肌肉的作用下,可以發(fā)生各種運(yùn)動(dòng)。關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)與關(guān)節(jié)面的形狀及其相關(guān)韌帶的構(gòu)造有著密切的關(guān)系,歸納為4種基本形式。(1)伸、屈運(yùn)動(dòng):關(guān)節(jié)沿橫軸運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)是使關(guān)節(jié)的兩骨接近,關(guān)節(jié)角變小為屈,關(guān)節(jié)擴(kuò)大為伸。(2)內(nèi)收、外展運(yùn)動(dòng):關(guān)節(jié)沿縱軸運(yùn)動(dòng),使骨向正矢面移動(dòng)為內(nèi)收;相反,使骨遠(yuǎn)離正矢面的運(yùn)動(dòng)為外展。(3)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng):骨環(huán)繞垂直軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。向前內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)時(shí)稱為旋內(nèi),相反,稱為旋外,如犬的髖關(guān)節(jié)能作小范圍的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。(4)滑動(dòng):是一種簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)方式。相對(duì)關(guān)節(jié)面的形態(tài)基本一致,一個(gè)關(guān)節(jié)面在另一關(guān)節(jié)面上輕微滑動(dòng),如頸椎關(guān)節(jié)突之間的運(yùn)動(dòng)。2.1.4腰椎骨的一般形態(tài)本文用歐拉角RPY角來(lái)描述運(yùn)動(dòng)性質(zhì),定義R表示轉(zhuǎn)動(dòng)、P表示移動(dòng)、H表示螺旋運(yùn)動(dòng)、S表示球面運(yùn)動(dòng);字母R、P、Y為下標(biāo)表示運(yùn)動(dòng)方位,滾動(dòng)、俯仰和擺轉(zhuǎn)分別用RR、RP、RY表示,如PY為沿Y軸的移動(dòng);用“–”、“+”表示運(yùn)動(dòng)之間的串并關(guān)系,如SR+P+Y表示具有R、P、Y三轉(zhuǎn)動(dòng)的并聯(lián)球面機(jī)構(gòu),UR-P表示R、P兩轉(zhuǎn)動(dòng)串聯(lián)機(jī)構(gòu)。狗的頸椎:狗的頸椎共有6塊。除第1頸椎和第2頸椎比較特殊外,其他4塊頸椎呈典型的椎骨的一般造型。第1頸椎又稱環(huán)椎,形如環(huán)狀可實(shí)現(xiàn)屈伸,和較小的側(cè)擺運(yùn)動(dòng),可簡(jiǎn)化為P、R方向轉(zhuǎn)動(dòng)RP、RR。第2頸椎又稱樞椎,其特點(diǎn)四具有高而長(zhǎng)的棘突,呈長(zhǎng)板狀,借助椎體前的棘突與環(huán)椎形成可動(dòng)性關(guān)節(jié),骨頭可以自由轉(zhuǎn)動(dòng),可以簡(jiǎn)化為Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)RY。第3~5頸椎,越靠近胸椎其椎骨變得越短,第6頸椎呈胸椎的形態(tài),椎體短,棘突發(fā)達(dá),可實(shí)現(xiàn)小量的屈伸、側(cè)擺和環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。狗的胸椎:狗的胸椎共有13塊,可實(shí)現(xiàn)少量的回旋運(yùn)動(dòng),簡(jiǎn)化為Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)RY。狗的腰椎:狗的腰椎共有7塊,可實(shí)現(xiàn)脊柱的屈伸和側(cè)屈運(yùn)動(dòng),可簡(jiǎn)化為P、R方向轉(zhuǎn)動(dòng)的RP、RR。肩關(guān)節(jié):肩關(guān)節(jié)是肩胛骨和上臂構(gòu)成的單關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)角頂向前,關(guān)節(jié)囊松大,無(wú)副韌帶,故關(guān)節(jié)的活動(dòng)性大,為多軸關(guān)節(jié)。主要進(jìn)行屈伸運(yùn)動(dòng),但犬仍能作一定程度的內(nèi)收、外展及外旋運(yùn)動(dòng)?？珊?jiǎn)化成3自由度的球面副S。腕關(guān)節(jié):前臂腕關(guān)節(jié)和腕骨尺骨間關(guān)節(jié)共有一個(gè)關(guān)節(jié)腔,能進(jìn)行屈、伸運(yùn)動(dòng)和旋內(nèi)或旋外運(yùn)動(dòng),可簡(jiǎn)化為P、Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)RP、RY。肘關(guān)節(jié):骨肘關(guān)節(jié)只能做屈伸運(yùn)動(dòng)?？珊?jiǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)P方向的轉(zhuǎn)動(dòng)RP。髖關(guān)節(jié):髖關(guān)節(jié)能進(jìn)行多向運(yùn)動(dòng),但主要是屈伸運(yùn)動(dòng),并可伴有輕微的內(nèi)收、外展和旋內(nèi)、旋外運(yùn)動(dòng),可簡(jiǎn)化為3自由度的球面副S。膝關(guān)節(jié):膝關(guān)節(jié)為單軸復(fù)關(guān)節(jié),能做屈、伸運(yùn)動(dòng)。可簡(jiǎn)化為P方向的轉(zhuǎn)動(dòng)RP。跗關(guān)節(jié)又稱飛節(jié),微動(dòng)以起緩沖作用?？珊?jiǎn)化為P、Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)RP、RY。2.2動(dòng)物關(guān)節(jié)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)能力任何一款仿生機(jī)器是指模仿生物的部分功能,但不排除在某項(xiàng)功能上,仿生機(jī)器超越被模仿生物,如機(jī)器人的抗輻射、耐熱等能力超過(guò)了人類。由于多年的進(jìn)化,生物各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)一般難以用機(jī)械結(jié)構(gòu)完全實(shí)現(xiàn),故需要根據(jù)仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求,對(duì)各關(guān)節(jié)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的重要性/權(quán)重做出評(píng)定,以英文字母A、B、C為序,A>B>C,在設(shè)計(jì)各關(guān)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí),所選用的機(jī)構(gòu)構(gòu)型應(yīng)能優(yōu)先滿足重要性/權(quán)重高的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。牧羊犬各關(guān)節(jié)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)重要性/權(quán)重見(jiàn)下表。表狗的生理關(guān)節(jié)及功能評(píng)判2.3rgrr-iii機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)頸關(guān)節(jié):依據(jù)第2.1節(jié)的分析,可知在頸關(guān)節(jié)主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)即RY、RP。RGRR-I和RGRR-II機(jī)構(gòu)均有2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,但RGRR-II機(jī)構(gòu)的末端可以實(shí)現(xiàn)半球面無(wú)死點(diǎn)的運(yùn)動(dòng),且機(jī)器狗的頭部重量比較輕,不需要很高的剛度,故選用RGRR-II機(jī)構(gòu),如圖3所示。運(yùn)用RGRR-II機(jī)構(gòu)構(gòu)造機(jī)器狗的頸關(guān)節(jié),可以進(jìn)行大范圍的觀察。腰關(guān)節(jié):從上表的分析可知,RP、RY的權(quán)重分別為A、B,且軀干要承受相當(dāng)?shù)呢?fù)載,且對(duì)機(jī)構(gòu)的剛度要求較高,故選用如圖4所示的RGRR-I機(jī)構(gòu)做機(jī)器狗的腰關(guān)節(jié)。肩關(guān)節(jié):根據(jù)上表的分析,繞P軸、Y軸、R軸轉(zhuǎn)動(dòng)的權(quán)重分別為A、B、C,因RGRR-I不僅可以實(shí)現(xiàn)繞P軸、Y軸,且剛度特性好,故選用RGRR-I機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)狗的肩關(guān)節(jié),滿足RP、RY的運(yùn)動(dòng)要求。肘關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié):從上表可知,肘關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)可以選用單自由度轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)既可。腕關(guān)節(jié)和跗關(guān)節(jié):根據(jù)上表,腕關(guān)節(jié)和跗關(guān)節(jié)主要實(shí)現(xiàn)RP、RY,且有比較高剛度的要求,故選用RGRR-I機(jī)構(gòu)。3別表2:圖6、2根據(jù)上述,設(shè)計(jì)機(jī)器狗前肢、后肢分別如圖5、6所示;所設(shè)計(jì)的機(jī)器狗分別如圖7、8所示。從圖7、8可以看出,所設(shè)計(jì)的機(jī)器狗有24自由度。4生物狗各關(guān)節(jié)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)(1)由于多年的進(jìn)化,生物的各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)一般難以用機(jī)械結(jié)構(gòu)完全實(shí)現(xiàn),故在研究仿生機(jī)器的過(guò)程中,必須抓住生物系統(tǒng)的一些基本行為特征,保持生物系統(tǒng)和人造系統(tǒng)在基本原理上的一致,本文提出重要性/權(quán)重法作為簡(jiǎn)化各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的依據(jù),在機(jī)器狗的設(shè)計(jì)中,根據(jù)其生理結(jié)構(gòu)和任務(wù)賦予的主要功能,依據(jù)重要性/權(quán)重,對(duì)生物狗各關(guān)節(jié)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)做出評(píng)定,以英文字母A、B、C為序,且A>B>C,設(shè)計(jì)時(shí),優(yōu)先考慮運(yùn)用相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)權(quán)重高的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。(2)并聯(lián)雙自由度轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)RGRR-I和