Новый тип двухрежимного четвероногого робота
Автор: Цзо Лян, Ли Чжочэн, Ван Чжэн
Журнал: Международный журнал гуманитарных и естественных наук @intjournal
Рубрика: Технические науки
Статья в выпуске: 5-2 (68), 2022 года.
Бесплатный доступ
Спроектирована конструкция двухрежимного четвероногого робота. Новый тип робот может переключаться между режимом шагающего и режимом колесного с помощью электрических цилиндров на ногах. Чтобы выполнить эта задача, разработан токопроводящий коленный сустав робота. Рассмотрены зависимости параметров: ширины, толщины и количества канавок от деформации детали и оптимизированы параметры важных частей робота. Наконец, с помощью моделирования ортогонального эксперимента определены значения параметров.
Четвероногий робот, новый тип роботов, колечный режим, шагающий режим
Короткий адрес: https://sciup.org/170193554
IDR: 170193554
Текст научной статьи Новый тип двухрежимного четвероногого робота
ный режим и шагающий режим. Когда робот находится в колесном режиме, он может двигаться с высокой скоростью, а когда робот находится в режиме движения ногами, он может ходить в различных сложных условиях. Скорость и устойчивость робота тесно связаны с размером колес. Если колеса слишком маленькие, это приведет к тому, что робот будет завибрировать во время движения. Если колеса будут слишком большими, робот не сможет выполнять сложные действия, такие как подъем по лестнице в шагающем режиме [3].
В последние годы технология бионических четвероногих роботов быстро совершенствовалась. Китайская компания Unitree Robotics произвела множество бионических четвероногих роботов. Эти четвероногие роботы уже могут быть легко куплены людьми через интернет-магазины. Но четвероногому роботу есть что улучшить. На основе исследования существующих гибридных четвероногих роботов, разработана четвероногого шагающего робота [2]. Этот вид роботов может автоматически переключаться между двумя режимами с помощью электрических цилиндров. У робота два режима, колес-
Рис. 1. Новый двухрежимный четвероногий робот
установленные на голенях, для переклю- Новый двухрежимный четвероногий ро- чения между двумя режимами (рис. 1). Ко- бот использует электрические цилиндры, гающего режима в колёсный режим. Роботы с двумя режимами могут адаптироваться практически к любой сложной среде и обладают преимуществами шагающих роботов и колесных роботов.
гда робот находится в колёсном режиме, привод удлини, робот переходит из колёсного режима в шагающий режим. А когда робот находится в шагающем режиме, привод сокращает, робот переходит из ша-
Рис. 2. Принцип работы двух режимов робота
линдра вокруг ног робота, он должен иметь специальную конструкцию для проведения электричества (рис. 3). Новая про- водящая конструкция состоит из двух частей: одна – это полый вал (1), через который могут проходить провода; другая представляет собой гребенчатую структуру (2) с множеством зубцов, которая может улучшить проводимость границы раздела. При вращении электрического цилиндра, гребнеобразная конструкция плотно прижимается к металлическому болту (5), установленному на изоляционной втулке (4) полого вала. Такая же конструкция установлена с обеих сторон элек- трического цилиндра, которые соответственно используются для подключения положительного и отрицательного элек-
Новая конструкция должна соответствовать следующим требованиям:
-
1) Когда электрический цилиндр со-
- вершает круговое движение вместе с колесом, электрический ток может передаваться на контроллер электрический цилиндр через вращающееся устройство.
-
2) Когда робот находится в режиме колеса, колеса не должны легко деформироваться. Когда робот хочет переключиться из колесного режима в ходовой, колеса должны легко деформироваться.
Чтобы соответствовать вышеуказанным требованиям, спроектирована новая проводящая конструкция и оптимизированы параметры колес.
Новая проводящая конструкция. Когда колеса вращаются, чтобы не допустить тродов источника питания.
запутывания провода электрического ци-
Рис. 3. Специальная конструкция для проведения электричества
как жесткость в направлении X способствует тому, чтобы колес сохранят свою первоначальную форму.
Конструкция деформируемых колес. Как показано на рис. 4, жесткость колеса в направлении Y не способствует взаимному переключению двух режимов, в то время
Рис. 4. Состояния колес в двух режимах
зазора внутри дуги будет уменьшаться, пока не столкнутся. В это время жесткость металлической дуги будет увеличена. Когда два конца металлической полукруглой дуги удаляются друг от друга, зазор увеличивается, при этом зазор не влияет на жесткость металлической дуги.
Колеса с механической анизотропией. Вдохновленный арочным мостом (рис. 5), несколько прорезей, прорезанных внутри металлической полукруглой дуги, значительно изменяют жесткость металлической дуги в направлении X и Y. Когда два конца металлической полукруглой дуги находятся близко друг к другу, ширина
Рис. 5. Металлическая полукруглая дуга с несколькими зазорами
радиус принимается за фиксированное значение. Сначала необходимо параметризовать детали, а затем определить экспериментальные данные параметров в соответствии с предварительными экспериментами.
Определены параметры Колеса. После параметризации деталей используются ортогональные эксперименты для анализа влияния различных параметров деталей на жесткость деталей в направлениях X и Y [4]. Радиус полукруглой дуги зависит от хода электрического цилиндра, поэтому
Рис. 6. Параметры детали
Таблица 1. Экспериментальные данные
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
Длина зазора h 1 (мм) |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
Толщина обода h2 (мм) |
0.6 |
0.8 |
1 |
1.2 |
1.4 |
|
Ширина зазора e (мм) |
0.1 |
0.15 |
0.2 |
0.25 |
0.3 |
|
Ширина детали b (мм) |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
|
Количество зазоров n |
6 |
12 |
18 |
24 |
30 |
X как анизотропию механического направления детали [5].
Результаты ортогонального теста представлены в таблице ниже.
Ниже приведены данные моделирования, полученные с помощью ортогонального эксперимента. Чтобы оценить влияние параметров на механические свойства детали в направлении X и направлении Y, мы определяем отношение величины деформации в направлении Y к направлению
Таблица 2. Результаты ортогонального теста
|
^ 1 |
^ 2 |
e |
b |
n |
Y （ мм ） |
X （ мм ） |
Ч |
|
|
1 |
3 |
0.6 |
0.2 |
15 |
6 |
87.973 |
4.8425 |
18.16686 |
|
2 |
3 |
1 |
0.1 |
10 |
30 |
151.76 |
6.0442 |
25.10837 |
|
3 |
3 |
1.4 |
0.15 |
20 |
18 |
27.384 |
1.1244 |
24.35432 |
|
4 |
3 |
1.2 |
0.25 |
30 |
24 |
31.236 |
1.2581 |
24.82792 |
|
5 |
3 |
0.8 |
0.3 |
25 |
12 |
49.585 |
2.1487 |
23.07674 |
|
6 |
4 |
1 |
0.15 |
30 |
12 |
22.484 |
0.9939 |
22.62199 |
|
7 |
4 |
1.4 |
0.25 |
25 |
6 |
9.9614 |
0.52713 |
18.89743 |
|
8 |
4 |
1.2 |
0.3 |
15 |
30 |
73.46 |
2.9287 |
25.0828 |
|
9 |
4 |
0.8 |
0.2 |
10 |
18 |
148.77 |
6.1525 |
24.18041 |
|
10 |
4 |
0.6 |
0.1 |
20 |
24 |
172.1 |
6.5312 |
26.35044 |
|
11 |
1 |
0.8 |
0.25 |
20 |
30 |
213.88 |
8.3557 |
25.5969 |
|
12 |
1 |
1.4 |
0.1 |
15 |
12 |
78.147 |
3.1364 |
24.91615 |
|
13 |
1 |
0.6 |
0.3 |
30 |
18 |
195.12 |
7.8794 |
24.76331 |
|
14 |
1 |
1.2 |
0.15 |
10 |
6 |
145.99 |
6.0365 |
24.18454 |
|
15 |
1 |
1 |
0.2 |
25 |
24 |
101.45 |
4.0323 |
25.15934 |
|
16 |
2 |
1.2 |
0.3 |
10 |
18 |
96.172 |
3.9049 |
24.62854 |
|
17 |
2 |
0.8 |
0.2 |
20 |
24 |
120.09 |
4.64 |
25.88147 |
|
18 |
2 |
0.6 |
0.1 |
30 |
12 |
77.768 |
3.3143 |
23.46438 |
|
19 |
2 |
1 |
0.15 |
25 |
6 |
31.971 |
1.5037 |
21.26155 |
|
20 |
2 |
1.4 |
0.25 |
15 |
30 |
63.308 |
2.515 |
25.17217 |
|
21 |
5 |
0.8 |
0.1 |
20 |
24 |
94.212 |
3.6266 |
25.97805 |
|
22 |
5 |
0.6 |
0.15 |
30 |
12 |
58.817 |
2.597 |
22.64806 |
|
23 |
5 |
1 |
0.25 |
25 |
6 |
16.277 |
0.92104 |
17.67241 |
|
24 |
5 |
1.4 |
0.3 |
15 |
30 |
52.506 |
2.095 |
25.06253 |
|
25 |
5 |
1.2 |
0.2 |
10 |
18 |
65.387 |
2.7117 |
24.11292 |
R: Значение диапазона,
Для дальнейшего анализа экспериментальных данных экспериментальные данные были дополнительно обработаны.
К Представляет сумму соответствующих экспериментальных результатов, когда номер уровня в любом столбце равен i.
Из этого можно сделать несколько основных предварительных выводов:
-
1) При заданных параметрах наибольшее влияние на деформацию конструкции оказывает длина шва h 1 ;
-
2) При заданных параметрах влияние длины обода колеса h2 на направление X больше, чем влияние на направление Y;
-
3) При заданных параметрах влияние толщины b на направление Y больше, чем влияние на направление X.
Путем ортогональных экспериментов мы обнаружили, что для направления Y порядок влияющих факторов от больших до малых:
h 1 (447.388) > b (418.4216) > h2 ( 395.2306 ) > e (287.341) > n ( 268.113 ) > Пустой столбец ( 239.4094 )
Для направления X:
h 1 (17.48896) > h2 ( 15.76647 ) > b (15.71693) > e (10.3972) > n ( 9.7483 ) > Пустой столбец ( 9.40286 )
Таблица 3. Статистики в направлении Y
|
h i |
Пустой столбец |
h2 |
e |
b |
n |
|
|
К |
347.938 |
514.721 |
591.778 |
523.67 |
355.394 |
292.1724 |
|
К г |
426.7754 |
535.7484 |
323.942 |
573.987 |
608.079 |
554.914 |
|
К |
734.587 |
296.339 |
231.3064 |
286.646 |
627.666 |
532.833 |
|
К * |
389.309 |
342.63 |
412.245 |
334.6624 |
385.425 |
519.088 |
|
К |
287.199 |
496.37 |
626.537 |
466.843 |
209.2444 |
286.801 |
|
R |
447.388 |
239.4094 |
395.2306 |
287.341 |
418.4216 |
268.113 |
Таблица 4. Статистики в направлении Y
|
h i |
Пустой столбец |
h2 |
e |
b |
n |
|
|
К |
15.4179 |
21.7236 |
25.1644 |
22.379 |
15.5176 |
13.83087 |
|
К г |
17.13343 |
21.68773 |
13.49514 |
22.6527 |
24.8498 |
21.9386 |
|
К |
29.4403 |
12.32074 |
9.39793 |
12.2555 |
24.2779 |
21.7729 |
|
К * |
15.8779 |
14.1457 |
16.8399 |
13.57697 |
16.0427 |
20.0882 |
|
К |
11.95134 |
19.9431 |
24.9235 |
18.9567 |
9.13287 |
12.1903 |
|
R |
17.48896 |
9.40286 |
15.76647 |
10.3972 |
15.71693 |
9.7483 |
Таблица 5. Статистика n
|
h i |
Пустой столбец |
h2 |
e |
b |
n |
|
|
К |
115.5342 |
113.6623 |
119.8872 |
117.501 |
118.4005 |
100.1828 |
|
К г |
117.1331 |
117.2986 |
111.8237 |
125.8174 |
122.2148 |
126.0228 |
|
К |
124.6202 |
115.7333 |
118.4026 |
115.0705 |
128.1612 |
122.0395 |
|
К * |
120.4081 |
120.2486 |
122.8367 |
112.1668 |
118.3257 |
128.1972 |
|
К з |
115.474 |
122.8968 |
124.7136 |
122.6139 |
106.0675 |
116.7273 |
|
R |
9.146264 |
9.234467 |
12.88990 |
13.65056 |
22.0937 |
28.01441 |
Таблица 6. Окончательно выбранные параметры
Заключение. В ходе работы спроектирована конструкция двухрежимного четвероногого шагающего робота. В соответствии с новой структурой робота спроектирована новая проводящая конструкция и оптимизированы параметры колес. Пара-
Список литературы Новый тип двухрежимного четвероногого робота
- Рубцов И.В., Нестеров В.Е., Рубцов В.И. Современная зарубежная военная микро- и мини-робототехника // Микросистемная техника. - 2000. - №3. - С. 36-42.
- Fujii A, Ishiguro A, Otsu K, …, Evolutionary creation of an adaptive controller for a legged-robot // Adaptive Motion of animals and Machines. - Montreal, Canada, 2000.
- Luo Qingsheng, Luo Xiao. Bionic quadruped robot technology. - Beijing: Beijing Institute of Technology, 2016. - P. 15-30.
- Chang Qing, Han Baoling, Luo Qingsheng. Theories and methods of steering and oblique motion planning for quadruped robots // Journal of Beijing Institute of Technology. - 2015. - №35 (5). - P. 1-2.
- Arikawa K., Hirose S. Development of quadruped walking robot TITAN-VIII // Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. IROS '96, Osaka, Japan, 1996, pp. 208-214.
- Wang J, Lu K, Xu S, et al. Research situation and prospect on quadruped walking robot // Manuf Autom. - 2009. - №2 (1). - P. 4-6.
