行走机械腿部轨迹规划及运动特性分析_王智森.pdf

作者简介：王智森，硕士，讲师，景德镇学院机械电子工程学院。研究方向：机械设计及结构优化、计算机辅助设计及仿真分析。范云波，本科，景德镇学院机械电子工程学院。研究方向：机械设计制造及其自动化。基金项目：景德镇市科技计划项目（项目编号：）。文章编号：（）行走机械腿部轨迹规划及运动特性分析王智森，范云波（景德镇学院 机械电子工程学院，江西 景德镇）摘 要：通过观察螃蟹腿部行走姿态，针对螃蟹腿部结构进行简化处理，模仿设计 条腿对称分布完成行走动作。根据单腿系统自由度计算及机构求解，借助 软件完成行走机械腿部整体结构设计。基于 的运动仿真分析功能，得到腿部各关节的运动轨迹及关键节点的运动特性曲线。结果表明：在 个行走循环周期内，腿部运动没有发生突变及干涉现象，行走过程平稳，同时急回特性有利于提高腿部行走效率及跨越障碍物能力。一体化分析方法为同类型仿生机械腿部轨迹规划及运动特性分析提供了一种实用性参考，同时为后续结构二次开发提供理论基础。关键词：行走机械腿部；结构设计；轨迹规划；运动特性 中图分类号：文献标识码：通过模仿自然界生物形态结构及运动特征进行仿生机械装置创新设计的方法有着非常悠久的历史。早在 世纪，基于模仿鸟类飞行的灵感，著名画家达芬奇绘制了扑翼机图；到 世纪，科学家利用空气动力学原理设计成功了单翼和双翼滑翔机；世纪以后，随着人工智能领域技术不断革新，各类仿生机械技术呈井喷式发展，成为一个热门的研究方向。张德义等模仿鱼类外形及运动模式设计了一种仿生三关节机械鱼，通过理论及实验研究鱼体与舵机摆动之间的运动规律；雷方涛等模拟鹰类飞行特点设计并制造了一种仿生机械鹰，配合辅助设备用于机场进行驱鸟，起到了一定的效果；黄世明等模仿鱼类的游动原理，借助 仿真软件设计了一种仿生机械鱼鱼尾摆动机构，实现泳动方式运动提供动力。本文通过观察螃蟹的行走姿态，模仿设计了一种行走机械腿部结构，研究腿部行走轨迹规划及运动特性。行走机械腿部结构设计 腿部运动轨迹规划研究行走机械腿部行走轨迹及运动特性，重点针对腿部系统单独一条腿的足端进行轨迹规划。其中单腿系统是在模仿螃蟹行走姿态的运动特点基础上进行设计，足端的轨迹与螃蟹行走的轨迹类似。将行走机械跨步过程简化为 个阶段：上升、前跨、下降、触地，轨迹形状如图 所示，近似为一条抛物线与一条水平直线连接而成。其中抛物线部分是腿部足端抬起向前跨步的过程，水平直线部分是腿部足端着地不动，作为整个行走机械的支撑，而其他腿在完成跨步运动。图 腿部跨步轨迹 腿部自由度计算及机构求解行走机械的腿部设计是由多个关节连接在一第 卷 第 期 年 月黑 龙 江 工 业 学 院 学 报（综 合 版）（）DOI:10.16792/ki.1672-6758.2023.01.025起的构件组合而成，其中各杆件组成平面摇杆机构和平面双摇杆机构，重点在设计平面摇杆机构时必须确定杆长与曲柄存在的成立条件。本文设计的行走机械腿部机构运动简图如图 所示，其中杆件 为机架，杆件 为曲柄，主要分为 个部分：由杆件、组成的平面摇杆机构；由杆件、组成的平面摇杆机构；由杆件、组成的平面双摇杆机构；由杆件、组成的三角形固定构件；由杆件、组成的三角形固定构件。腿部动力通过曲轴带动曲柄和各机构来传递，运动自由度为。平面连杆机构的自由度计算如式（）所示。（）（）图 中活动构件数目 为，低副数目 为，高副数目 为，代入式（）中计算求解得到腿部机构自由度为，符合设计要求。图 腿部机构运动简图利用解析法计算求解平面摇杆机构 的尺寸参数，建立 坐标系如图 所示，其中、分别为曲柄、摇杆初始位置时与 轴的夹角，、分别为曲柄、连杆、摇杆从初始位置开始转动的角度，列出矢量方程如式（）所示。（）图 平面摇杆机构求解向、轴分别投影可得如式（）所示。（）（）（）（）（）将式（）消去 整理后可得如式（）所示。（）（）（）（）将式（）作等效变换，令 、，则参数变为、共 个，代入式（）整理可得如式（）所示。（）（）（）（）将式（）继续作等效变换，令 ，代入式（）整理可得：（）（）（）（）式（）中共有 个未知参数、，说明最多满足两连架杆的 组对应角位置要求。给定初始位置参数值：、，得到摇杆 个极限位置，此时 ，代入式（）中计算得到：。设置初始设计参数值：摇杆 、摇杆摆动角 。将摇杆 个极限位置参数代入式（）中求解并结合图解法验证，取整得到其余杆件长度：曲柄 、连杆 、机架 ，通过验算满足曲柄存在成立条件设计要求。平面摇杆机构 的尺寸参数计算求解过程同理上述过程，不再赘述，根据初始设计参数值：、，通过计算求解取整可得连杆 。平面双摇杆机构的设计求解过程与上述类似，作用是将 个曲柄摇杆机构生成的路径进行传递。给定初始位置参数值 ，定义 组平面双摇杆机构运动角度特征值，如表 所示。表 平面双摇杆机构运动角度（）特征值运动角度第 期黑 龙 江 工 业 学 院 学 报（综 合 版）年 将平面双摇杆机构初始位置参数值及 组运动角度特征值分别代入式（）计算可得：、，即平面双摇杆机构 尺 寸 参 数 。基于设计的三角形固定构件形状为等腰直角三角形，得到平面双摇杆机构其余两杆尺寸参数 ，即形状构成菱形。腿部结构设计行走机械的曲轴是连接电机部件与腿部各机构的传动零件，要求具有良好的抗冲击载荷性能且耐磨损。通过观察螃蟹腿部行走姿态，针对螃蟹腿部结构进行简化处理，模仿设计 条腿对称分布完成行走动作。为了保证各腿部结构关节之间的协同平衡性，将曲轴上的 个曲柄设计成空间 均布布置。行走机械的支撑骨架设计成三角形结构，满足稳定性设计要求。根据 节单腿各机构求解得到的尺寸参数，借助 软件完成行走机械腿部部件、曲轴、支撑骨架等结构的三维建模并进行装配，得到行走机械腿部整体结构如图 所示。图 行走机械腿部结构 行走机械腿部运动特性研究 腿部关节运动轨迹借助 软件的运动仿真分析功能，基于 的后置处理器 模块，对行走机械腿部关节运动特性进行研究。仿真模拟过程主要分为 个部分：建立运动仿真模型；进行运动仿真实验，分析流程如图 所示。图 腿部关节运动仿真分析流程针对行走机械单腿进行运动仿真，各机构装配顺序尤为重要，避免关节出现过约束现象。在运动仿真过程中，根据整体机构的自由度及运动副关系确定各构件约束形式，其中 个三角形固定构件需要定义为无运动副固定连杆，逐次对各机构连杆添加运动副，如旋转副、柱面副等，最后添加解算方案，定义解算类型、分析类型、时间、步数及重力方向等并进行求解。给行走机械单腿各关节编号，通过使用追踪命令来观测各关节的运动轨迹如图 所示。图 腿部关节运动轨迹由运动仿真分析结果可知：在曲轴曲柄的驱动下关节 做圆周运动，关节、做摇摆往复运动，关节、的运动轨迹分别为一条封闭的曲线构成 个循环。分析关节 即足端的运动轨迹曲线，可以细分为 个阶段：上升、前跨、下降、触地，其中上升、下降阶段与地面的夹角与跨越障碍物能力第 期行走机械腿部轨迹规划及运动特性分析 年有关，夹角在确保行走机械腿部支撑骨架不发生倾覆的正常范围内越大，表明跨越障碍物的能力越强。腿部关节速度分析设定行走机械的曲轴曲柄初始角速度为，通过单腿运动仿真分析过程，测量得到各关节点的速度曲线，分别选取摇杆关节点 的速度曲线如图 所示，及足端关节点 的速度曲线如图 所示，进行分析。图 摇杆关节点 速度曲线图 足端关节点 速度曲线 由摇杆关节点 和足端关节点 的速度曲线图可知：速度变化平稳，没有出现突变现象，不会造成刚性冲击，符合行走机械腿部的运动连续性要求，速度呈柔性增加，各关节之间没有发生干涉，行走过程平稳。个运动循环中回程速度变化较快，符合机构的急回运动特性，节省空回行程的时间，提高行走效率。腿部关节加速度分析加速度在机械运动过程中是一个十分重要的参数，变化规律影响机械运动过程的稳定性。同理腿部关节速度分析流程，分别选取摇杆关节点、足端关节点 关键节点进行分析，通过运动仿真结果分别测得上述 个关节点的加速度曲线如图 和图 所示。第 期黑 龙 江 工 业 学 院 学 报（综 合 版）年图 摇杆关节点 加速度曲线图 足端关节点 加速度曲线 由摇杆关节点 和足端关节点 的加速度曲线图可知：在 个行走循环周期内，加速度变化平稳，回程加速度较大，说明回程阶段速度变化很快，验证了腿部机构运动的急回特性，有利于提高腿部行走效率及越过障碍物能力。加速度变化曲线连续不间断，不会造成柔性冲击，各关节之间运动没有出现干涉现象，提高了机构可靠性，验证了腿部机构运动的可行性及稳定性。结语（）本文通过观察螃蟹行走姿态，研究腿部各关节之间的运动协同性特点，完成了行走机械腿部的运动轨迹规划、自由度计算及机构求解、结构设计、运动轨迹仿真及运动特性研究的一体化分析流程。（）借助 软件完成行走机械腿部部件、曲轴、支撑骨架等结构的三维建模并进行整体结构装配。通过运动仿真分析功能模块的追踪命令观测腿部各关节的运动轨迹，验证足端运动轨迹分为 个阶段：上升、前跨、下降、触地。上升、下降阶段与地面的夹角在一定范围内越大，表明腿部跨越障碍物的能力越强。（）由腿部关键节点速度及加速度曲线分析结果可知：在 个行走循环周期内，行走机械腿部速度及加速度变化平稳，没有发生突变，各关节之间无干涉现象，表明腿部机构运动的可行性及稳定性，为后续腿部结构优化设计提供理论依据。第 期行走机械腿部轨迹规划及运动特性分析 年参考文献王晓磊，金振林，李晓丹 串并混联仿生机械腿静力学 性 能 分 析 农 业 机 械 学 报，（）：万海金 基于鸵鸟足部生物组装特征的越沙机械腿足部仿生研究 长春：吉林大学，吴文锦，郭高智，周昌兰，等 曲柄滑块式折叠翼机构设计与仿真分析 黑龙江工业学院学报（综合版），（）：周文平，姚天军，刘渝，等 基于输电线路的综合驱鸟装置设计与研制 电工技术，（）：张德义，赵鸿飞，王琪，等 三关节机械鱼的动力学及运动研究 机电工程，（）：雷方涛，官卫波 一种仿生机械鹰技术用于机场驱鸟工作的研究 科技视界，（）：黄世明，吴逸涵，刘立国 基于 的仿生机械鱼鱼尾机构设计 电子世界，（）：王智森，张少怀 基于 的中型液压挖掘机斗杆优化设计 黑龙江工业学院学报（综合版），（）：尹伟杰 步履式气动爬壁机器人运动仿真及其关键技术研究 湘潭：湘潭大学，王智森，韦洪新 自动移料机的凸轮廓线设计及运动分析 天津理工大学学报，（）：，（，）：，：；：（责任编辑：宋春莲）第 期黑 龙 江 工 业 学 院 学 报（综 合 版）年