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一种仿动物关节或腿刚度的机械腿结构设计方法

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中国机械工程 2015年第13期26卷 1712-1719页

作者：赵文涛王森罗巍西北工业大学西安710072

针对当前机械腿关节和动物腿关节之间、机械腿和动物腿之间的刚度曲线都有一定偏差的问题,提出了一种仿动物关节或腿刚度的机械腿结构设计方法。基于虚功原理和曲线插值法获得了动物关节或腿刚度曲线方程,并进行了Patran、Nastran、Adam... 详细信息

针对当前机械腿关节和动物腿关节之间、机械腿和动物腿之间的刚度曲线都有一定偏差的问题,提出了一种仿动物关节或腿刚度的机械腿结构设计方法。基于虚功原理和曲线插值法获得了动物关节或腿刚度曲线方程,并进行了Patran、Nastran、Adams联合仿真,提出了仿动物关节或腿刚度的机械腿结构设计方法及其优化方法。基于人体基本参数及人跳跃过程中腿刚度相关参数,进行了仿人腿踝关节刚度的机械腿结构实例设计和轻量化设计。仿真结果验证了该设计方法的有效性和可行性。

关键词：腿部刚度关节刚度机械腿结构设计

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直升机驾驶机器人机械腿的动力学分析

计算机仿真 2019年第9期36卷 85-90页

作者：张志飞孙毅向锦武李道春北京航空航天大学航空科学与工程学院

为了提高直升机驾驶机器人的设计效率,开展了直升机驾驶机器人机械腿的动力学建模和分析。先建立机械腿的运动学模型,分析机械腿脚掌踏板的位置、姿态与驱动关节转角的关系。通过数值计算,分析了机构参数对机械腿运动学特性的影响,并找... 详细信息

为了提高直升机驾驶机器人的设计效率,开展了直升机驾驶机器人机械腿的动力学建模和分析。先建立机械腿的运动学模型,分析机械腿脚掌踏板的位置、姿态与驱动关节转角的关系。通过数值计算,分析了机构参数对机械腿运动学特性的影响,并找出机构运动的极限位置,得到机构设计的尺寸限制条件。然后建立了机械腿的动力学模型并对其特性进行了参数化分析,采用ADAMS仿真平台对建立的直升机驾驶机器人机械腿的运动学和动力学模型进行了验证。参数化分析和动力学仿真验证为直升机驾驶机器人脚蹬控制系统设计和研究提供了理论基础。

关键词：直升机驾驶机器人机械腿动力学分析运动学分析

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混合模式磁流变阻尼器的机械腿减振控制

福州大学学报（自然科学版） 2022年第3期50卷 376-384页

作者：杨坤全黄惠漳州职业技术学院汽车工程系福建漳州363000 福州大学机械工程及自动化学院福建福州350108

针对足式机器人在重载情况下机械腿会受到较大足地冲击,现有普通磁流变阻尼器的出力等级抑制有限的问题,提出一种剪切阀-挤压混合式磁流变阻尼器,并设计半主动控制器对机械腿进行减振控制.首先,分析新型磁流变阻尼器结构原理,并对其力... 详细信息

针对足式机器人在重载情况下机械腿会受到较大足地冲击,现有普通磁流变阻尼器的出力等级抑制有限的问题,提出一种剪切阀-挤压混合式磁流变阻尼器,并设计半主动控制器对机械腿进行减振控制.首先,分析新型磁流变阻尼器结构原理,并对其力学性能进行测试.然后,基于Bouc-Wen模型与实验数据,采用遗传算法对阻尼器力学正模型参数进行辨识求解.最后,建立基于新型混合磁流变阻尼器的机械腿减振系统的理论模型,并设计天棚控制器对其进行机械腿振动控制仿真.结果表明,新型混合式磁流变阻尼器在天棚控制策略下能有效降低机械腿振动的幅值与加速度,分别下降了49%和47%.

关键词：磁流变阻尼器机械腿参数辨识天棚控制

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气动肌肉机械腿设计与摆动相计算力矩控制

气动肌肉机械腿设计与摆动相计算力矩控制

作者：黄继清中国计量大学

学位级别：硕士

气动肌肉关节能模仿动物关节运动特性,具有本质柔顺性,可增强四足机器人环境适应能力,但气动肌肉关节转动范围小,关节力矩难以测量与控制,限制了四足机器人的运动能力。具体工作展开如下。推导机械腿地面反冲力大小与弹跳高度的关系,并... 详细信息

气动肌肉关节能模仿动物关节运动特性,具有本质柔顺性,可增强四足机器人环境适应能力,但气动肌肉关节转动范围小,关节力矩难以测量与控制,限制了四足机器人的运动能力。具体工作展开如下。推导机械腿地面反冲力大小与弹跳高度的关系,并建立机械腿关节力矩与弹跳高度和关节初始角度的模型,依此设计两自由度气动肌肉机械腿。对气动调压比例阀和气动肌肉进行测试,并建立比例阀输出气压模型和气动肌肉拉力模型;建立气动肌肉位移到关节角度的运动学模型,并求解气动肌肉位移逆解;进一步建立拮抗气动肌肉关节力矩模型,并设计力矩到拉力的映射关系。最后,建立机械腿摆动相拉格朗日动力学模型。采用计算力矩控制方法,设计位置外环、拉力内环的串级控制策略。位置外环采用PD控制和动力学反馈补偿,气动肌肉拉力内环采用PI控制和气动肌肉拉力逆模型前馈控制。在Matlab/Simulink中进行摆动控制仿真,实现了机械腿关节位置正弦跟踪,关节力矩和气动肌肉拉力也实现了稳定的跟踪,证明关节运动学模型和力矩模型正确,控制策略有效。实验中反馈信号由角度编码器、拉力传感器和压力传感器提供。开展机械腿摆动和弹跳控制实验,对关节角度、力矩和足底力数据进行分析。摆动实验结果进一步证明,建立的机械腿动力学模型正确,设计的串级计算力矩控制方法有效,可实现机械腿的关节位置和力矩跟踪控制。弹跳实验结果表明,机械腿关节满足转动范围和力矩要求,可实现机械腿周期性弹跳运动。

关键词：气动肌肉机械腿动力学地面反冲力力矩控制

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仿鸵鸟后肢节能减振机械腿研究

仿鸵鸟后肢节能减振机械腿研究

作者：何远吉林大学

学位级别：硕士

腿足式机器人对非常规地面具有更好的通过性与适应性,可代替人类进行危险性工作,如行星表面探测、防灾救灾和敌情侦查等。机械腿对机器人运动起到非常重要的作用,因此,腿部机构设计具有重要意义。通过传统设计方法很难进一步提升机械腿... 详细信息

腿足式机器人对非常规地面具有更好的通过性与适应性,可代替人类进行危险性工作,如行星表面探测、防灾救灾和敌情侦查等。机械腿对机器人运动起到非常重要的作用,因此,腿部机构设计具有重要意义。通过传统设计方法很难进一步提升机械腿的节能减振特性,因此,本文将打破传统设计思维,从自然界获取灵感,采用工程仿生技术,有效改善和提升机械腿的节能减振性能。非洲鸵鸟(以下简称鸵鸟)是世界上现存奔跑速度最快的两足动物。鸵鸟后肢强壮而有力,具有稳健、持久和高速奔跑的能力。基于工程仿生学原理,以鸵鸟后肢为生物原型,将鸵鸟后肢的优越性能应用到腿式机器人腿部机构的设计中。通过鸵鸟外场试验和运动分析系统Simi Motion获得鸵鸟后肢的运动规律。在运动过程中,鸵鸟的跖趾关节永久提升,且第Ⅲ趾从趾甲到趾骨依次离地。另外,在整个触地过程中,鸵鸟足趾会产生抓地力和蹬地力。通过被动回弹试验研究鸵鸟跗骨间关节的被动回弹特性。试验结果表明,跗骨间关节最大关节角为168°,且当跗骨间关节角小于105°时,跗跖骨自动回弹使跗骨间关节角变小的被动回弹特性不明显。通过大体解剖试验,并结合相关文献研究鸵鸟的生物机理。鸵鸟腿部的肌腱与骨骼具有刚柔耦合特性,鸵鸟足趾在触地过程中,肌腱-骨胳相互作用机制能够将地面产生的巨大反作用力转化为肌腱的拉力和骨骼的压力,能够将应对地面冲击消耗的能量转化为弹性势能储存起来,并在触地后期释放这些能量,提高运动效率。另外,结合相关资料发现,当鸵鸟高速奔跑时,鸵鸟肌腱-肌肉相互作用关系表现为通过肌腱的功率衰减作用能够有效保护肌肉免受损伤。基于鸵鸟运动生物机理与运动规律,采用相似原理和工程仿生技术,设计了三种仿生机械腿,并利用Adams分别对三种仿生机械腿进行了动力学仿真对比分析。通过对比分析,仿生机械腿Ⅲ节能、减振、速度等综合性能最好,因此以仿生机械腿Ⅲ作为机械腿的最优设计方案。仿生机械腿Ⅲ的运行速度约为5.843m/s,机身质心竖直方向加速度有效值约为10.5m/s2,单个运动周期内的能耗约为1552.23KJ,其Co T(the cost of transport)约为8855.2。为了进一步研究仿生机械腿Ⅲ的性能,将其作为双足仿鸵鸟机器人的腿部构件进行了运动仿真分析。仿真结果分析表明,仿鸵鸟机器人机身质心竖直方向加速度有效值约为10.0m/s2,单个运动周期内的能耗约为114.83KJ,其运动能效Co T约1610.9。研制了机械腿运动学和力学测试平台。通过仿生机械腿台架试验,并结合动作分析系统Simi Motion、测振仪和薄膜压力传感器进行仿生机械腿的运动性能研究。实验结果证明,仿生机械腿Ⅲ实现了肌腱-骨骼相互作用机制、肌腱-肌肉相互作用机制、跖趾关节永久提升、以及三节趾骨依次离地、蹬地的仿生设计,并且机身质心竖直方向的加速度有效值约为0.5m/s2,仿生机械腿以最大速度运行时的运动能效约为3.6。

关键词：鸵鸟后肢肌肉-肌腱-骨骼协同机制机械腿节能减振性能工程仿生学

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机械腿逆运动学模型求解

智能计算机与应用 2020年第5期10卷 143-147,151页

作者：胡平志李泽滔贵州大学电气工程学院贵阳550025

为研究四足机器人的运动,本文利用DH参数法建立了单条机械腿的运动学正向模型,并求解逆模型。但由于各个关节之间被连杆铰接,造成机械腿末端位置与各个关节角度之间存在耦合性以及非线性,正是这种耦合和非线性关系导致逆运动方程求解极... 详细信息

为研究四足机器人的运动,本文利用DH参数法建立了单条机械腿的运动学正向模型,并求解逆模型。但由于各个关节之间被连杆铰接,造成机械腿末端位置与各个关节角度之间存在耦合性以及非线性,正是这种耦合和非线性关系导致逆运动方程求解极其困难。本文巧妙利用了这一点,将这一难点变为了解决问题的关键,提出了一种迭代法求解逆模型数值解,并以真实的三自由度的机械腿为例,对这种迭代求解法进行了验证,证实了该算法的可行性,可靠性。

关键词：机械腿逆运动学方程迭代求解数值解

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机械腿关节连接块尺寸的多目标优化设计

现代制造技术与装备 2019年第9期55卷 59-61页

作者：丁柏君裘升东王永隽董红平绍兴职业技术学院

以机械腿关节连接块为研究对象,首先在PRO/E环境下构建关节连接块的参数化三维实体模型;并运用Workbench多目标的全驱动优化设计模块进行零件尺寸优化设计。通过校核关节连接块的刚强度和尺寸优化计算,并根据实物模型特征要求确定了最... 详细信息

以机械腿关节连接块为研究对象,首先在PRO/E环境下构建关节连接块的参数化三维实体模型;并运用Workbench多目标的全驱动优化设计模块进行零件尺寸优化设计。通过校核关节连接块的刚强度和尺寸优化计算,并根据实物模型特征要求确定了最佳尺寸值。结果表明,关节连接块重要尺寸的最优值将为外骨骼机械腿结构优化改进奠定理论依据。

关键词：机械腿刚强度多目标优化设计

一种被动式外骨骼机械腿的内部能量损耗率的研究

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机械设计与制造工程 2019年第9期48卷 23-28页

作者：任孟沂曹恩国赵永武杨滨崔宇田江南大学机械工程学院江苏无锡214122 江南大学设计学院江苏无锡214122

为了验证一款被动式外骨骼原理的可靠性,通过实验和理论计算的方法对该被动式外骨骼机构的内部能量损耗率进行了分析。该外骨骼拟通过在支撑相末期为足底提供助力的方式来减少行走能量。首先利用运动捕捉传感器对外骨骼的运动数据进行... 详细信息

为了验证一款被动式外骨骼原理的可靠性,通过实验和理论计算的方法对该被动式外骨骼机构的内部能量损耗率进行了分析。该外骨骼拟通过在支撑相末期为足底提供助力的方式来减少行走能量。首先利用运动捕捉传感器对外骨骼的运动数据进行了采集,然后基于所得的运动数据计算出外骨骼机构的内部能量损耗率,最后用实验结果表明外骨骼内部能量损耗率可以忽略不计。该研究表明支撑相末期参考腿的运动是由足底力驱动的,而不是由关节力矩驱动的,即拟采用的原理是可行的。该研究同样也为其他同类型外骨骼的设计提供了参考和依据。

关键词：被动式外骨骼机械腿助力内部能量损耗率

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可穿戴式助残机械腿的结构设计与分析

机电信息 2018年第6期 73-74页

作者：孙建方绿茵李明吴凯峰台州学院机械工程学院浙江台州318000

主要对一款可穿戴式助残机械腿进行结构设计和分析。首先,通过上下楼时各关节的力矩分析以及大腿和支撑拐杖的轨迹分析确定结构方案;然后,对各关节的能量消耗进行仿真分析;最后,通过对助残机械腿和健康腿各关节路径进行对比分析,并试制... 详细信息

主要对一款可穿戴式助残机械腿进行结构设计和分析。首先,通过上下楼时各关节的力矩分析以及大腿和支撑拐杖的轨迹分析确定结构方案;然后,对各关节的能量消耗进行仿真分析;最后,通过对助残机械腿和健康腿各关节路径进行对比分析,并试制样机,验证了结构的合理性。

关键词：可穿戴助残机械腿结构设计仿真分析