文摘
高承载能力的人口承载椅子机器人行走,本文采用两页装+选择并联机构作为腿机制;然后运动学,工作区、控制和实验详细研究了腿的机制。首先,整个机制的设计是描述和自由度腿的机制进行了分析。第二,前沿、逆位置和速度的腿机制进行了研究。第三,基于运动学分析和结构约束条件,可获得的工作区采用两页装+并联机构是解决,然后最优运动空间是可获得的工作区,选择搜索条件数作为评价指标。第四,根据平行腿机制的理论分析,其控制系统设计和复合位置控制策略进行了研究。最后,在最优运动工作区,验证了复合位置控制策略采用环形轨道半径100毫米;实验结果表明,腿机制明显平稳,不颤抖。单腿机制的理论分析和实验研究提供一个理论依据四足动物的控制人口承载椅子机器人行走。
1。介绍
走艾滋病已经成为研究热点好几年(1]。承载椅子机器人行走,这是一个行走的艾滋病,可以帮助老年人和下肢残疾人走在外面的自由和导航在不平的地面。
人口承载椅子机器人行走,这是不同于普通的腿轮式机器人和机器人,不仅需要不断用腿走路机制作为支持点(2,3),还需要从自身和熊的体重不同的乘客4]。这些性能提出更高要求机器人行走的椅子腿的机制。目前,大部分的人口承载步行椅机器人为老年人和下肢残疾人实现通过选择串行机制作为腿机制(5- - - - - -9),如我的机器人、葫博FX-1机器人,和Hyperion4机器人。使用串行机制作为腿机制,整个机器人的体积和重量大,承载能力小。例如,机器人我是200公斤质量与60公斤,可以携带一个人;葫博FX-1质量150公斤,可以承受100公斤的负载。与串行机制相比,并联机构(PM)可以弥补串行机制的缺陷和与串行机制形成互补关系10- - - - - -12]。例如,椅子WL-16RIV双足步行机器人由早稻田大学设计在质量和能承受68公斤的人以75公斤,或80公斤的货物。点是最佳选择承载走椅子的腿机制机器人。
自点有限的自由度(自由度)等优势机械结构简单,成本低廉,在设计、制造、控制、小于6自由度的点是广泛使用。人口承载步行椅机器人腿机构的分析,我们可以发现其自由度3(包括来回摇摆,摇摆不定的左和右,和升降)。配置满足运动要求对称3-UPU点(13],3-PUU点[14下午,3-RPS (15)和不对称采用两页装+点,UPS + SPR + SP点,和UPS + + UPR点。3-UPU点很难确保每个分支的两个万向节轴是平行安装完成后。安排3-PUU移动关节的点是困难和3-PUU点可怜的腿运动性能的机制。每个分支的3-RPS点在移动平台上有约束力。如果选择3-RPS点的腿机制椅子机器人行走,椅子上行走机器人的身体机制可能不动,因为约束力量耦合的多个分支机构。每个分支的不对称UPS + SPR + SP点和UPS + + UPR点是不同的,所以很难模块化设计和制造的每个分支腿机制。不对称的运动采用两页装+点是由分支,在整条腿和两个分支是相同的机制。所以很容易被设计和制造。
输出空间参考点在移动平台上的点是点性能的重要指标之一。一般来说,数值法和几何法用于解决点工作空间。数值方法,即可以到达工作区腿的机制,通过分析机制的约束关系和逆运动学位置(16- - - - - -19]。几何方法,即访问工作区腿的机制,解决了通过分析腿机制的约束关系和使用计算机软件(20.- - - - - -22]。然而,可获得的工作空间进行了这两种方法不能应用于点的控制,因为现有的表现不佳的地区,所以最优运动工作区需要进一步可及的工作区中被发现(23]。
本文采用两页装+大腿平行机制(PLM)的人口承载步行椅详细讨论了机器人。首先,根据原型模型,提出位置运动学,逆位置运动学和逆运动学速度进行了分析。根据设计尺寸和结构约束条件,采用两页装的可获得的工作区+ PLM解决。选择条件数作为评价指标,最佳工作区中可获得的工作空间和这个工作空间用作运动工作区。然后,运动空间和运动学分析的基础上,采用两页装+了PLM的控制系统设计和复合位置控制策略进行了研究。最后,在最佳工作区,验证了复合位置控制策略采用圆形轨迹半径100毫米。
2。整个设计机制
人口承载步行椅的原型机器人如图1。整个机制包括座位,上层平台,腿机制,和控制系统;其中,座位、上部平台和控制系统统称为身体机制。单腿的照片和草图结构机制是采用两页装+点数据所示2和3。
这条腿由上层平台的机制,较低的平台,两个UPS分支,一个分支。的联合的UPS分支是由一个旋转关节和一个万向节,如图2和分,在图3。上部和下部平台都是等边三角形和身体两侧和,分别。考虑,。铰链点在三个分支和上层平台和更低的平台,(),分别。全球坐标系建立点上平台。轴平行于。轴是向上和垂直上平台,轴是由右手螺旋法则。移动坐标系是固定的点。轴平行于。轴是较低的平台和垂直向上,和轴是由右手螺旋法则。根据图2,一些结构参数定义如下。,上层平台的厚度和较低的平台。连接器的连接孔之间的距离是1和上层平台的端面。万向节的中心之间的距离和万向节的连接孔。两个连接器连接孔之间的距离是2。两个连接器连接孔之间的距离是3。连接器的连接孔之间的距离是4和较低的平台的端面。旋转接头的长度。这些参数的设计值如表所示1。
根据公式(24),采用两页装的景深+点可以获得的 在哪里的订单号是机制,机制的组件的数量,是运动关节,的数量景深的数量吗th运动学关节,和的数量的冗余约束机制。
基于(1),我们发现,单一采用两页装+点这是当选的腿机制不能满足运动要求整个机制,所以添加了被动球端面的较低的平台。
为了确保接触力的终点腿机制以及分支的方向,球关节添加每个分支的腿之间的连接机制和较低的平台,如图4。在这一点上,腿机制包括采用两页装+ PLM和脚。脚的部分,有三种运动状态:一个领域联合与地面接触,两个球体关节与地面接触,和三个球体关节与地面接触。每个国家的自由度分析如下。
(1)一个球体与地面接触。在这种状态下,脚的景深部分计算
(2)两个球体关节与地面接触。在这种状态下,脚部分得到的景深
(3)三个球体关节与地面接触。在这种状态下,景深也解决了脚的部分
它被(2)- (4),单腿的脚部分机制可以简化为一个球体关节3自由度。所以整条腿的景深机制可以计算
单腿机构的自由度是6;也就是说,腿机制对身体没有约束机制。所以身体的景深机制是6。
因为脚的运动运动部分的腿没有影响机制,只采用两页装+ PLM机制进行了分析。
3所示。腿的位置分析机制
腿的位置分析机制是非常重要的运动学分析和控制机制。所以位置和逆解分析在这一节中进行。
3.1。逆位置分析
逆位置分析找到每个分支的长度变化时的位置点是已知的。
根据建立的坐标系如图3,每个点上平台在全球坐标系可以形容 在哪里,。
上的中心点万向节在全球坐标系可以写成 在哪里是腿的机制和设计尺寸的。
降低平台的每一个点的移动坐标系可以形容
较低的端点的分支和中心点降低万向节的UPS分支可以表示为 在哪里,是腿的机制和设计尺寸的,。
每一个点的移动坐标系可以转化为全球坐标框架如下: 在哪里是移动坐标系的旋转变换矩阵全球坐标系和。是点的位置向量,。
由于约束的分支,腿机构的几何约束关系可以写成: 在哪里和是第一和第二转动轴万向节U的分支,分别;分支的方向向量。
根据建立的坐标系,可以得到以下方程:
根据(13),- - - - - -- - - - - -欧拉角选择,最终变换矩阵可以表示如下: 在哪里和代表了沿轴旋转角度和轴在全局坐标系。
每个分支的长度变化可以表示为
根据(16),最后一个表达式的长度变化UPS分支可以派生
3.2。直接定位分析
前沿分析找到点的位置当每个分支的长度变化。
两个方程(17可以简化)平方然后加减如下: 在哪里,,。
把三角函数,,,到(18),我们有 在哪里 和
两边同时乘以在(19),另两个方程可以获得。这四个方程可以转换为矩阵形式如下:
在哪里
是一个矩阵变量呢。因为的充分必要条件(22非零解)是系数矩阵的行列式等于零。变量的方程从矩阵可以得到吗如下:
观察(24),它可以发现变量的最高权力是8。也就是说,最多有8个实根(24)。解决变量后,变量可以计算由以下方程:
的基础上解决上面的,变量的值,可以计算;然后点的值可以获得。
4所示。腿的速度分析机制
根据(16),每个分支的腿的长度变化机制可以写成 在哪里是每个分支的长度变化,,,,。
采取一个两边微分方程(26),每个分支的速度可以得到: 在哪里是每个分支的方向向量,是速度在每个分支的分支方向,然后呢是每个分支的角速度。
带点积每个方程的两边(27),下列方程可以推导出: 在哪里。
与此同时,终点的速度可以表示为 在哪里。
把第一个方程的两边积(27),角速度之间的关系点的速度的分支可以获得:
同样的,(29日)可以改变 在哪里和是反对称矩阵。
如果存在逆矩阵,输入和输出之间的传递关系的速度腿机制可以由下列方程表示: 在哪里。
5。工作空间分析
5.1。可获得的工作区腿机构的工作空间的分析
的可达工作空间的大小和形状采用两页装+点受到以下因素的限制:万向节的限制;分支长度的限制;树枝间的干扰。约束关系可以表示如下: 在哪里是真实的万向节的角;万向节的许用最大角;是最小的分支长度;是最大的分支长度;是树枝之间最短的距离;的最大直径是上和下杆的分支。
为了简化计算,的长度,,,被记录到分支的长度,然后呢,,被记录到UPS分支的长度。根据设计参数和位置的价值分析的并行机制,可及工作空间的点可以通过给获得初始球工作区与半径1200毫米和克制的关系(35)。结果如图5。从图5,可以看出该工作区具有以下特点。
(一)表面三维工作空间
(b)工作空间的投影飞机
(c)工作空间的投影飞机
5.2。最佳的运动空间
观察可及工作区采用两页装+点,它可以满足工作需求的腿机制,但是一些地区的工作区不是好的运动区域,因为贫穷的运动性能的机制。所以最优运动空间可及工作区需要发现适用于端点的轨迹规划。
运动性能的机制,雅各宾派的矩阵的条件数可以作为评价指标: 在哪里雅各宾派的矩阵的条件数,是最大的奇异值,是最小的奇异值,矩阵的最大特征值吗,矩阵的最小特征值吗。
失真的条件数显示输入和输出的机制。如果条件数的值越小,运动机制的性能更好。所以整个的条件数可达工作空间的变化需要分析。
使用模拟软件,条件数的变化在整个可及工作区可以得到如图6。观察这些数据,可以得到以下结论。
(一) 毫米
(b) 毫米
(c) 毫米
(d) 毫米
(e) 毫米
(f) 毫米
6。腿机制的实验研究
腿机制的实验研究是非常重要的整个人口承载椅子机器人行走。为了建立步行椅机器人的控制系统,电机控制器和电机驱动程序是由我们的研究小组,如图7。单片机PIC18F452用于电机控制器,和CPLD芯片XC9536-7VQ44C申请汽车司机。该控制器可以实现三种控制模式(位置控制、速度控制和电流控制),以及三种控制模式可以随时切换。
(一)电动机控制器
(b)汽车司机
整个硬件系统包括腿的机制,控制系统,电源模块,和主机如图8。控制系统包括三个控制器和三个司机控制伺服电动机的三个分支机构,分别。有两个电源模块。一个电源模块将从交流220 v电压转换为直流24 v提供驱动能量,和其他转换直流24 v直流9控制器供应能量。控制器的通信方式是rs - 485、rs - 232主机时;所以添加串口转换模块。使用虚拟仪器软件,编写控制程序在主机电脑。
6.1。基于关节空间的运动学控制策略
控制策略基于PLM的关节空间是每个分支被认为是单输入单输出系统。也就是说,动平台的位置和姿态可能意识到通过控制每个分支的运动。控制框图如图9。如下描述的控制策略。
首先,参考点的运动轨迹最优的工作区中移动平台的计划。其次,根据控制周期,规划移动平台的运动轨迹是离散的。离散化的方法如下。(我)基于移动平台的规划参考点的轨迹和腿的逆运动学机制,每个分支的运动轨迹规划由MATLAB软件计算。(2)初始位置为每个分支的运动规划轨迹偏移量为0,然后能获得运动控制轨迹。(3)基于控制周期,每个分支的运动控制轨迹离散和所需的位置和速度控制器的指令。
最后,根据控制周期,指令设置为相应的控制器和每个分支的运动轨迹规划是实现。
在运动过程中,控制器使用复合位置控制策略来控制腿的运动机制。复合控制的位置控制策略是机制不断切换位置控制模式和速度控制模式。控制过程如图10。速度控制是首先使用两个离散点,然后采用位置控制时,当前位置和第二个离散点之间的距离小于。速度是由使用梯形控制方式和控制加速和减速的周期可以根据需求设置。
6.2。腿机制的实验研究
作诗复合位置控制的可行性,实验研究了在最优运动空间中获得的部分5.2。这一点在较低的平台移动轨迹的以下方程: 的基础上(37腿的)和逆运动学机制,三个分支的位置和速度可以通过仿真计算软件,如图11。
(一)三个分支的长度变化
(b)速度变化的三个分支
根据腿的设计机制,分支的长度范围内毫米的速度范围毫米/秒;分支2和3的长度范围毫米的速度范围毫米/秒。观察数据(11日)和11 (b),我们可以发现三个分支的值在其运动的运动范围和趋势是正确的。
三个分支的位置和速度补偿仿真得到的数据,然后结果保存为二进制文件加载到控制程序。的运动采用两页装+ 5 s的点由控制程序和控制运动的结果如图12。控制器的运行时间为每个控制周期是0.464毫秒,和一组位置数据和速度的运动数据,由数据与256年定期取出控制周期。因此,在整个运动过程中,最多42组数据可以被保存。使用42集形成的曲线的数据,如图13。
(一)的实际长度变化三个分支
(b)的实际速度三个分支
观察图13,可以得到以下结论。(1)真正的腿的位置轨迹机制是稳定,波动不明显。所以使用复合位置控制策略适用于承载椅子机器人行走。(2)在一些地区,分支的速度是零开始,穿越零,和结束,如图12(b)。这一结果的原因是没有数据返回的速度较小(约时控制器)。(3)运行时腿的机制是大约4.75秒(年代)。这非常类似于模拟时间。
基于上述实验分析,我们可以知道这个控制器是不适合精确的控制要求,但它是足够承载步行椅机器人的控制系统,因为控制精度要求不高的。
7所示。结论
结论如下。(1)基于理论分析(如前沿分析,逆位置分析,和逆速度分析),结构约束条件,采用两页装的最佳工作区+点了。(2)控制系统的四足机器人承载步行椅腿机制设计,和复合位置控制策略进行了研究。通过实验验证,发现控制策略不适合精确的控制要求,但它是足够的椅子上行走机器人的控制系统。(3)在实验过程中,由主机实时操作,但是主机的操作系统影响的时间发送和接收数据。所以,在未来的设计整个椅子行走机器人的控制系统,单片计算机添加到提高实时性能。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是由中国国家自然科学基金支持的(没有。61075099),欧盟RABOT项目(fp7 -人- 2012之下国税局:没有。318902年),在河北省高层次人才项目。