CN113268825A - 一种基于参数化模型法的四连杆跳跃机构优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于参数化模型法的四连杆跳跃机构优化方法，包括：1)建立简化后的四连杆跳跃机构模型并确定关键点；2)以杆长作优化变量，得到一次跳跃所需的最小驱动扭矩；3)以四连杆系统杆长条件为约束，确定待优化杆长的范围；4)建立坐标系，确定各个关键点的坐标并建立四连杆系统模型；5)利用Adams软件建立参数化模型并添加驱动力，以输出优化周期内的待优化杆的驱动力曲线；6)分析驱动力曲线，得到最优设计的杆长；该方法避免了传统优化设计过程中的繁琐程序，且具有明显的优化效果，提升了四连杆跳跃机构的能量利用效率，为机器人设计过程中提供了一种可行的优化方法。

Description

一种基于参数化模型法的四连杆跳跃机构优化方法

技术领域

本发明涉及四连杆模型参数优化技术领域，特别涉及一种基于参数化模型法的四连杆跳跃机构优化方法。

背景技术

器人行业发展以来，从上个世纪90年代开始，随着CAE、CAD、CAM技术等发展，各个行业都得以迅速发展，当然，这些技术也逐渐被广泛的应用到机器人行业中，这让机器人产品各个层次都有了很大的进步，尤其是在开发设计和优化设计上。仿真分析技术和优化设计技术在机器人传动系统设计层面，也得到了大范围的推广应用。

目前对机器人跳跃机构优化设计过程中，基本步骤包括模型建立、简化、运动仿真，但大多都在对模型简化后，对其模型机构直接进行参数化，然后调整模型参数进行优化，然而这种优化方法对模型的改变过大，当机器模型造型一定的情况下，无法进行最大程度的优化。

发明内容

本发明的目的是提供一种解决上述现有技术存在的问题，实现在对模型进行简化后通过运动仿真即可筛选出最优的机构参数的基于参数化模型法的四连杆跳跃机构优化方法。

为此，本发明技术方案如下：

一种基于参数化模型法的四连杆跳跃机构优化方法，步骤如下：

步骤一、对跳跃机构进行简化，建立四连杆跳跃机构模型，基于模型中的活动点确定为该模型的关键点；

步骤二、选择四连杆机构中的杆长作为优化变量，跳跃机构完成一次跳跃所需的最小驱动扭矩；

步骤三、以四连杆系统杆长条件为约束，确定待优化杆长的范围。

步骤四、基于优化变量建立坐标系，由杆长范围确定四连杆系统中各个关键点的坐标，建立四连杆系统的参数化模型；

步骤五、将关键点坐标带入Adams软件中，建立四连杆跳跃机构参数化模型；进而在模型中添加驱动力作为目标函数，通过软件输出的在优化周期内的待优化杆的驱动力曲线；

步骤六、在步骤五所得的三部分的驱动力曲线，结合步骤三的杆长约束条件，确定驱动力曲线纵坐标最低点对应的杆长，即为最优设计的杆长。

2、根据权利要求1所述的基于参数化模型法的四连杆跳跃机构优化方法，其特征在于，在步骤二中的具体实施步骤为：

选择优化变量为：凸轮与轮齿之间的接触点的横坐标，以及驱动凸轮转动的凸轮轴的纵坐标；

获得传递函数X：X＝(x，y)^T；其中，T为矩阵转置；

确定目标函数为：f(X)＝min(E)；其中，min(E)为机器人跳跃所需最低能量，此时机器人跳跃机构效率最高。

与现有技术相比，该基于参数化模型法的四连杆跳跃机构优化方法采用参数化建模的方法对四连杆跳跃机构进行参数优化，避免了传统优化设计过程中的繁琐程序，且具有明显的优化效果，提升了四连杆跳跃机构的能量利用效率，为机器人设计过程中提供了一种可行的优化方法。

附图说明

图1为本发明的基于参数化模型法的四连杆跳跃机构优化方法的流程图；

图2为本发明的实施例中的跳跃机器人的跳跃机构的结构示意图；

图3为图2的跳跃机构经过简化后的结构示意图；

图4(a)为本发明的实施例中的跳跃机构中点A至点B部分对应的驱动力曲线；

图4(b)为本发明的实施例中的跳跃机构中点B至点C部分对应的驱动力曲线；

图4(c)为本发明的实施例中的跳跃机构中点C至点D部分对应的驱动力曲线。

图中：1-凸轮，2-凸轮轴，3-扭转弹簧，4-中间轴，5-中间杆，6-接地杆，7-摇杆，8-摇杆轴，9-电机支架，10-电机。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

如图2所示为一跳跃机器人的跳跃机构，其具体为一四连杆跳跃机构，作用在于使机器人实现跳跃；该机构包括凸轮1、凸轮轴2、扭转弹簧3、中间轴4、中间杆5、接地杆6、摇杆7、摇杆轴8、电机支架9和电机10；其中，凸轮1安装在凸轮轴2上，电机10以其驱动轴平行于凸轮轴2的方式安装在电机支架9上，且在凸轮轴2与电机10的驱动轴上套装有同步带，使凸轮轴2随电机10的驱动轴同步转动；中间杆5由斜杆和横杆构成；摇杆7为一长度与中间杆5相适应的杆体；接地杆6设置在地面上，其上对称设置有两对耳板组，使中间杆5的斜杆端和摇杆7的一端分别通过第一销轴和第二销轴可转动地连接在接地杆6的两对耳板组上；摇杆7的另一端安装有摇杆轴8，中间杆5的另一端安装有与凸轮1配合的轮齿，中间杆5的斜杆和横杆的连接处安装有中间轴4且在中间轴4上安装有扭转弹簧3；第一销轴、第二销轴、中间轴4和摇杆轴8均平行于凸轮轴2设置，使整个弹跳机构通过凸轮轴2、中间轴4、摇杆轴8和电机支架9固定在弹跳机器人主体结构上，同时保持凸轮1与轮齿相接触，扭转弹簧3的两端分别固定在中间杆和机器人上。

该四连杆跳跃机构由的跳跃机构运行原理为：电机10启动驱动轴转动，通过同步带将能量传递给凸轮1，驱动凸轮1带动中间杆5旋转，使扭转弹簧3发生形变积蓄能量，由于弹簧弹力中间杆会在图2所示位置以中间轴为旋转中心逆时针旋转，然后在凸轮作用下顺时针旋转引起弹簧形变，到图2所示位置；接着，当凸轮1旋转到预定角度，凸轮与中间杆分离，弹簧能量释放，中间杆逆时针旋转释放能量，通过地面对接地杆6产生的反作用力驱动接地杆6运动；而后，凸轮逆时针旋转一周后再次与中间杆接触，重复上述运动过程，循环往复，该四连杆跳跃机构实现跳跃。

为提升上述跳跃机构的能量利用效率，降低所需的驱动扭矩以及各个构件之间不能发生干涉等要求，因此采用本申请的方法对该机构进行优化，筛选出该四连杆机构的最优杆长。

基于此，采用本申请基于参数化模型法的四连杆跳跃机构优化方法对该四连杆机构进行优化，以获得其最优杆长；其具体实施步骤如下：

步骤一、对如图2的跳跃机构进行简化，得到四杆跳跃机构模型；具体地，

以凸轮轴的轴侧中心点为点A，中间杆5上的轮齿与凸轮1的接触点为点B，第二销轴的轴侧中心点为点C，第一销轴的轴侧中心点为点D，摇杆轴8的轴侧中心点为点E，得到如图3所示的结构简图。

其中，记点A与B之间的距离为a，即对应凸轮轴至轮齿的长度；记点B与C之间的距离为b，即对应中间杆5两端的距离长度；记C与D之间的距离为c，即对应接地杆6的杆长；

步骤二、选择四连杆机构中的杆长作为优化变量，以计算跳跃机构完成一次跳跃所需的最小驱动扭矩；

具体地，针对四杆机构，以点B为原点，水平方向为x轴，竖直方向为y轴，建立平面直角坐标系；

选定B点横坐标x与A点纵坐标y为设计变量，获得传递函数X即：

X＝(x，y)^T，

确定目标函数为：

f(X)＝min(E)，

其中，T为矩阵转置；min(E)为机器人跳跃所需最低能量，此时机器人跳跃机构效率最高；

步骤三、以四连杆系统杆长条件为约束，确定待优化杆长的范围；具体地，

根据图3中三个固定点得到杆长关系约束条件为：

15≤y≤31，

15≤c≤25，

步骤四、建立坐标系，由杆长范围确定四连杆系统中各个关键点的坐标，建立四连杆系统的参数化模型；具体地，

在Adams软件中对四连杆跳跃机构关键点进行参数化设置，获得如下表1所示的关键点坐标；

表1：

关键点	横坐标x	纵坐标y
			A	0	y
B	0	0
			C	x	0
D	x-0.766*c	0.64*c
			E	31	y

步骤五、将关键点坐标带入Adams软件中，建立四连杆跳跃机构参数化模型；进而在模型中添加驱动力作为目标函数，即给A点添加驱动模拟凸轮转动，通过软件输出的在优化周期内的各杆的驱动力曲线；

如图4(a)所示为跳跃机构中点A至点B部分对应的驱动力曲线；如图4(b)所示为跳跃机构中点B至点C部分对应的驱动力曲线；如图4(c)所示为跳跃机构中点C至点D部分对应的驱动力曲线；

步骤六、在步骤五所得的三部分的驱动力曲线，结合步骤三的杆长约束条件，确定驱动力曲线纵坐标最低点对应的杆长，即为最优设计的杆长；

如下表2所示为通过分析动力曲线获得跳跃机构优化前、后的杆长及优化效果。

表2：

名称	c/mm	x/mm	y/mm	T/N*mm
					优化前	23.563	45.5097	22	14.8
优化后	25.8454	47.5166	22.2161	3.76
					相对变化率				-74.6％

从表2的结果表明，此方法可大幅优化传动系统能量效率，系统所需最小驱动力矩由14.8N*mm降低为3.76N*mm优化幅度可达74.6％。

Claims (2)

1.一种基于参数化模型法的四连杆跳跃机构优化方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、对跳跃机构进行简化，建立四连杆跳跃机构模型，基于模型中的活动点确定为该模型的关键点；

步骤二、选择四连杆机构中的杆长作为优化变量，跳跃机构完成一次跳跃所需的最小驱动扭矩；

步骤三、以四连杆系统杆长条件为约束，确定待优化杆长的范围。

步骤四、基于优化变量建立坐标系，由杆长范围确定四连杆系统中各个关键点的坐标，建立四连杆系统的参数化模型；

步骤五、将关键点坐标带入Adams软件中，建立四连杆跳跃机构参数化模型；进而在模型中添加驱动力作为目标函数，通过软件输出的在优化周期内的待优化杆的驱动力曲线；

步骤六、在步骤五所得的三部分的驱动力曲线，结合步骤三的杆长约束条件，确定驱动力曲线纵坐标最低点对应的杆长，即为最优设计的杆长。

2.根据权利要求1所述的基于参数化模型法的四连杆跳跃机构优化方法，其特征在于，在步骤二中的具体实施步骤为：

选择优化变量为：凸轮与轮齿之间的接触点的横坐标，以及驱动凸轮转动的凸轮轴的纵坐标；

获得传递函数X：X＝(x，y)^T；其中，T为矩阵转置；

确定目标函数为：f(X)＝min(E)；其中，min(E)为机器人跳跃所需最低能量，此时机器人跳跃机构效率最高。

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