機械工程發(fā)展現(xiàn)狀作業(yè)

Towardsabio-inspiredlegdesignforhigh-speedrunning

對高速運行仿生腿的設(shè)計

班級：機械工程學(xué)生：李**學(xué)號：331402000***

高速地面運動不可避免地涉及高加速度和腿上大量負(fù)載。這就會帶來一個具有挑戰(zhàn)性的關(guān)于腿設(shè)計在重量和強度之間的權(quán)衡。本文介紹了一種靈感來自肌肉骨骼結(jié)構(gòu)新的機器人腿部設(shè)計。此外，我們還提出了一個優(yōu)化方案，最大限度地提高強度重量比。使用腱骨協(xié)同定位體系結(jié)構(gòu)，在步幅過程中骨的應(yīng)力降低高達59％。一個新的泡沫核心成型技術(shù)能夠創(chuàng)建類似于哺乳動物的骨骼結(jié)構(gòu)特點的機器人腿部。這個方法允許我們使用更輕的聚合物結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)的制造方法制造的更便宜和更快，并最終可以大大縮短設(shè)計迭代周期時間。摘要文獻的主要內(nèi)容1簡介2髕腱協(xié)同定位設(shè)計3單腿運行測試4結(jié)果與討論5輕腿的制造6結(jié)論1簡介在自然界中，運行速度是捕食者和獵物之間生存的一個重要方面。動物，如獵豹和羚羊已經(jīng)演變成為快速和敏捷的運動員。通過觀察發(fā)現(xiàn)它們的長和瘦骨抵抗彎矩和高速行駛過程中引起的高地面反作用力的能力是耐人尋味的。這種能力既承受很高的地面反作用力，同時盡量減少對腿部轉(zhuǎn)動慣量之間的權(quán)衡，在高速運動時可以自然的解決。在這項工作中，我們將提出一個關(guān)于如何自然處理這種權(quán)衡假設(shè)。隨后，我們將評估這個假設(shè)的仿生機器人腿設(shè)計。1.1設(shè)計權(quán)衡地面反作用力直接相關(guān)的責(zé)任因子1。在穩(wěn)態(tài)運行時,總垂直脈沖循環(huán)一個周期的運動必須與總引力沖動滿足動量守恒:Fzdt=mgT.

上述公式描述，對于一個循環(huán)運行，小責(zé)任因素必然會造成更高的地面反作用力。通常情況下，高速行駛需要更高的步頻和低的責(zé)任因數(shù)[1]。另一方面，快腿在擺動階段前伸是更高的步頻的關(guān)鍵。這是因為腿驅(qū)動具有改變方向兩次（地面行程到牽引和牽引到回縮），而在飛行階段創(chuàng)建一個循環(huán)的軌跡。這需要高加速度和小腿的減速度。如此高的步頻可以通過兩種方式來實現(xiàn)：（1）增加驅(qū)動器的能力（2）減小腿慣性。在設(shè)計一個高速腿式機器人的兩個設(shè)計約束是敏捷性和結(jié)構(gòu)完整性，它們之間規(guī)定一個緊要權(quán)衡要求低慣量和高強度。1.2機器人的腿部形態(tài)許多仿生機器人形態(tài)被設(shè)計用來降低遠(yuǎn)端腿的轉(zhuǎn)動慣量。文獻中使用的技術(shù)：定位驅(qū)動器更靠近身體（例如導(dǎo)電弓，電纜驅(qū)動器等）;使用無源順從連接下驅(qū)動的腿，以盡量減少腿慣性。串聯(lián)彈性驅(qū)動方法使用機械順從性減少腿的阻抗。另一個常見的設(shè)計技術(shù)來處理強度和重量之間的權(quán)衡是使用高強度重量比的材料,如碳纖維、鋼鐵、鋁合金和鈦鎂合金。使用管式元素也普遍,特別是在高速機器人。我們的目標(biāo)是從生物力學(xué)觀察假設(shè)的設(shè)計原則和發(fā)展可行的工程解決方案來設(shè)計質(zhì)輕而強壯的腿。作為這一目標(biāo),基于假設(shè)我們提出一個新的仿生腿為四肢行走的機器人設(shè)計。2、髕腱協(xié)同定位設(shè)計2.1假設(shè)我們假設(shè)增效協(xié)同定位的骨頭和肌腱在運行減少在骨骼彎矩。生物學(xué)家認(rèn)為,腿部的骨頭攜帶負(fù)載由于地面的影響并不是唯一組成部分。當(dāng)骨頭在壓縮負(fù)載下肌肉,肌腱和韌帶張緊。當(dāng)骨骼在壓縮超過張緊時有更好的強度和肌腱和肌肉在高度張緊有更高的強度,高強度分的布負(fù)載允許設(shè)計質(zhì)輕和強大。作為一個例子,考慮人類的解剖骨骼腿(圖1(a))。當(dāng)有大型負(fù)載運行期間,腳踝將經(jīng)歷一個高的時刻(約一個重70公斤的人承受309牛)。然而,地面反作用力分布在軸力和肌肉骨骼和肌腱單位因此避免大彎矩。同樣的原理可以應(yīng)用于趾行的的遠(yuǎn)端肢體結(jié)構(gòu)(如貓和狗)和有蹄類動物。圖1所示。骨骼和肌腱/韌帶的協(xié)同安排在人(A)所示,和馬的腳(b),(c)和(d)分別顯示骨上的概念壓力剖面沒有和腱。2.2理論分析有蹄類動物評估潛在的腿在高速應(yīng)用運行機器人設(shè)計,重要的是要確定的壓力腿的組件造成的地面壓力的反應(yīng)。圖2。麻省理工學(xué)院(a)的腿設(shè)計機器人獵豹。承擔(dān)張緊部分是最小化的高強度材料制成的彎曲的骨頭。(b)沒有肌腱參數(shù)表示。(c)髕腱協(xié)同定位的設(shè)計。紅線代表一個等價的鉸接結(jié)構(gòu)。3單腿運行測試使用本文描述的方法評估腿的性能設(shè)計,我們已經(jīng)開發(fā)出一個原型的腿麻省理工學(xué)院機器人獵豹。在運行中識別一個腿地面反作用力裝置,我們還設(shè)計了一個實驗裝置可以用來模擬一個運行步驟在平面約束。主要部分有計算機、傳感器和電力電子坐落在機器之上。兩個長度測量激光傳感器(MICRO-EPSILON勞工1030-8)在一個倒V裝置用來計算的高度和身體的螺旋角，如圖所示。單腿跳實驗瞬時快照4結(jié)果與討論

在本節(jié)中,我們將腿報告的結(jié)果優(yōu)化執(zhí)行，并基于髕腱協(xié)同定位的設(shè)計如2.2節(jié)所述。此外,我們還將演示在真正的腿上實驗使用本文描述的設(shè)計原則加載條件。4.1髕腱協(xié)同定位結(jié)果4.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果4.3有限元分析4.1髕腱協(xié)同定位結(jié)果客觀地評價髕腱的協(xié)同定位的設(shè)計(圖2(b))的腳踝腿結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(圖2(a)),我們比較強調(diào)兩種不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。圖2提供應(yīng)力松弛的腿結(jié)構(gòu)、髕腱同時協(xié)同定位的設(shè)計合規(guī)的腿已被證明。然而,腿的設(shè)計進一步優(yōu)化,以減少腿上的總壓力減少腿部的整體重量，對運行是必要的。4.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果我們描述了一個優(yōu)化問題，可以解決獲取設(shè)計參數(shù)并且總重量最小化的腿結(jié)構(gòu)。使用優(yōu)化工具箱Matlab,我們解決了這個問題。優(yōu)化的目標(biāo)是最小化方程中定義的整體重量中定義的約束方程。我們使用函數(shù)定義在MATLAB優(yōu)化工具箱獲取解決方案。4.3有限元分析使用前一節(jié)中描述的優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果作為一個指導(dǎo)原則,我們基于髕腱主機代管概念開發(fā)了下體重腿設(shè)計,同時考慮制造約束。優(yōu)化的結(jié)果提供最低容許截面半徑和腳。最終的設(shè)計維度半徑和腳的最小截面作為參考,隨后平滑特性的設(shè)計,以便更好地聯(lián)合力量。評估潛在的性能的腿設(shè)計，對麻省理工學(xué)院的獵豹，我們利用Solidworks進行靜態(tài)有限元分析評估特定加載的腿。這個分析的目的,我們假設(shè)在最大的地面反作用力的時候，腳線連接到肩膀。我們獲得壓力剖面的結(jié)構(gòu)對于地面的反作用力進行有限元分析模擬。此外,為了簡化分析,我們假設(shè)嚴(yán)格的機械結(jié)構(gòu)。這找到了需要解決的問題泡沫芯的變形材料的實際使用原型，捕獲所需的高度非線性應(yīng)變率方程。有限元分析的結(jié)果為兩個設(shè)計概念如圖所示。兩個不同的模型代表了腳踝剛度設(shè)計腿(左)和設(shè)計使用髕腱協(xié)同定位方法(右)。有限元分析l腳踝剛度設(shè)計腿(左)和髕腱協(xié)同定位方法(右)在1000N垂直荷載。我們已經(jīng)表明,髕腱間的協(xié)同定位腳和半徑，提供了質(zhì)輕更強的腳和半徑。在本節(jié)中,我們將解釋一個仿生制造方法制造重量輕的骨骼結(jié)構(gòu)。從生物結(jié)構(gòu)的啟發(fā)如骨頭的柔性、質(zhì)輕和內(nèi)在低剛度(松質(zhì)骨)和高剛度shell(皮質(zhì)骨)，這將允許骨頭輕而堅固。這種設(shè)計可以承受高彎曲時刻的高區(qū)慣量。5輕腿的制造5.1泡沫芯復(fù)合加工為制造高強度重量比結(jié)構(gòu)機器人獵豹的前腿,我們開發(fā)了原型方法稱為泡沫芯復(fù)合制造。這允許我們合成制造腿結(jié)構(gòu)使用實驗室規(guī)模成型方法。這制造過程如圖所示制造泡沫芯復(fù)合機器人結(jié)構(gòu)步驟。(a)模具由數(shù)控銑,(b)泡沫芯鑄出RTM,(c)定位磁盤組成的外殼材料泡沫,(d)無線內(nèi)部真空澆注設(shè)備室將樹脂殼型,(e)完整的半徑鏈接和截面。5.2肌腱連接在髕腱協(xié)同定位設(shè)計時，制造的另一個挑戰(zhàn)的腿是適當(dāng)?shù)碾斓墓趋澜Y(jié)構(gòu)。用粘合劑粘合外面的肌腱容易疲勞失效，在剝皮部分應(yīng)力集中在腱的邊緣點。我們來解決這些問題采取兩種方法:埋置和ladder-locking。如圖顯示了封裝腱的腳使用型內(nèi)嵌入技術(shù)。6結(jié)論在本文中,我們提出了一個基于在髕腱協(xié)同定位應(yīng)用體系骨骼結(jié)構(gòu)承受彎矩的設(shè)計理念。我們通過分析和實驗證明這一設(shè)計理念，使我們能夠顯著改善具體魯棒性的高性能移動腿結(jié)構(gòu)機器人技術(shù)。除了改進的健腿結(jié)構(gòu)、髕腱協(xié)同定位，還對允許并發(fā)引入合規(guī)和強化腿結(jié)構(gòu)的節(jié)能運行具有潛在的影響。此外,我們還引入了一個新的原型技術(shù),允許快速和廉價的制造泡沫芯poly-urethane復(fù)合。使用這種技術(shù),我們創(chuàng)建半徑重12