兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (S2): 71-83.doi: 10.12382/bgxb.2023.0897
所属专题: 群体协同与自主技术
刘思宇1, 廖峻北1, 雷飞1, 王志瑞2,3, 闫曈2,3, 党睿娜2,3, 郭朝1,*()
收稿日期:
2023-09-08
上线日期:
2024-01-10
通讯作者:
基金资助:
LIU Siyu1, LIAO Junbei1, LEI Fei1, WANG Zhirui2,3, YAN Tong2,3, DANG Ruina2,3, GUO Zhao1,*()
Received:
2023-09-08
Online:
2024-01-10
摘要:
为了提升四足机器人腿足的运动性能,设计一种具有并联弹性驱动器(Parallel Elastic Actuator,PEA)的腿足关节,通过模仿四足动物的肌腱作用原理,将拉簧并联在小腿连杆和大腿连杆之间,在膝关节处实现了并联弹性驱动,具有尺寸小、质量和惯量低的特点。建立了PEA膝关节的动力学模型,并借助该模型,在预设跟踪任务轨迹下,综合考虑峰值力矩、峰值功率和能量利用率,对拉簧的刚度系数进行多目标优化,得到全局最优的拉簧刚度为5510N/m。为了对比本PEA关节与电机直驱关节的性能,从仿真和实验两个方面进行验证。利用Gazebo机器人仿真环境,使用带有刚度的滑动副来实现PEA拉簧的效果,通过物理引擎模拟获取关节电机的输出力矩、输出功率、机械能耗;搭建PEA膝关节实验平台开展样机实验,获取膝关节电机的电源输入参数,如输入电流、输入功率、电源能耗。实验结果表明:PEA对比电机直驱关节,在0.5~2.0s的轨迹周期下,电机输出方面可以减少峰值力矩40%~79%、峰值功率52%~89%和机械能损耗40%~89%,电机输入方面可以减少峰值电流46%~77%、峰值电功率43%~76%和电能损耗62%~73%。
中图分类号:
刘思宇, 廖峻北, 雷飞, 王志瑞, 闫曈, 党睿娜, 郭朝. 用于四足机器人的并联弹性腿足关节设计与优化[J]. 兵工学报, 2023, 44(S2): 71-83.
LIU Siyu, LIAO Junbei, LEI Fei, WANG Zhirui, YAN Tong, DANG Ruina, GUO Zhao. Design and Optimization of a Parallel Elastic Actuator Leg for Quadruped Robots[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(S2): 71-83.
名称 | 限位/(°) | 长度/m | 质量/kg |
---|---|---|---|
HAA | [-30, 30] | ||
HFE | [-200, 40] | ||
KFE | [25, 130] | ||
髋 | 0.58 | ||
大腿 | 0.220 | 1.48 | |
小腿 | 0.201 | 0.15 | |
足底 | 0.025 | 0.03 |
表1 并联弹性腿机械参数
Table 1 Mechanical parameters of PEA leg
名称 | 限位/(°) | 长度/m | 质量/kg |
---|---|---|---|
HAA | [-30, 30] | ||
HFE | [-200, 40] | ||
KFE | [25, 130] | ||
髋 | 0.58 | ||
大腿 | 0.220 | 1.48 | |
小腿 | 0.201 | 0.15 | |
足底 | 0.025 | 0.03 |
参数 | 数值 |
---|---|
输入输出连杆长度lm/m | 0.025 |
大腿长度l1/m | 0.220 |
小腿长度l2/m | 0.201 |
大腿质量m1/kg | 2.064 |
小腿质量m2/kg | 0.148 |
大腿转动惯量j1/(kg·m2) | 0.004 |
小腿转动惯量j2/(kg·m2) | 0.0003 |
大腿质心相对于大腿连杆长度的比例r1 | 0.9 |
小腿质心相对于小腿连杆长度的比例r2 | 0.2 |
表2 并联弹性腿动力学参数
Table 2 Dynamics parameters of PEA leg
参数 | 数值 |
---|---|
输入输出连杆长度lm/m | 0.025 |
大腿长度l1/m | 0.220 |
小腿长度l2/m | 0.201 |
大腿质量m1/kg | 2.064 |
小腿质量m2/kg | 0.148 |
大腿转动惯量j1/(kg·m2) | 0.004 |
小腿转动惯量j2/(kg·m2) | 0.0003 |
大腿质心相对于大腿连杆长度的比例r1 | 0.9 |
小腿质心相对于小腿连杆长度的比例r2 | 0.2 |
T/s | 理论模型 | 仿真结果 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
峰值力矩/(N·m) | 峰值功率/W | 能量损耗/J | 峰值力矩/(N·m) | 峰值功率/W | 能量损耗/J | |
0.5 | 4.08 (41.08%) | 19.39 (52.75%) | 2.62 (38.41%) | 4.02 (39.88%) | 19.53 (51.59%) | 2.74 (40.10%) |
1.0 | 4.08 (79.59%) | 10.67 (89.24%) | 5.93 (89.18%) | 4.13 (79.42%) | 10.90 (89.13%) | 6.10 (89.24%) |
1.5 | 3.30 (77.83%) | 6.35 (84.73%) | 5.92 (88.96%) | 3.36 (77.73%) | 6.50 (84.54%) | 6.11 (89.34%) |
2.0 | 2.89 (73.64%) | 4.54 (81.93%) | 5.72 (85.91%) | 2.97 (73.98%) | 4.68 (82.01%) | 5.93 (86.72%) |
表3 理论模型与仿真实验,验证峰值力矩、峰值功率和能量损耗减少量与减少百分比
Table 3 Reduction in quantity and percentage of peak torque, peak power and energy consumption validated by dynamics model and simulation
T/s | 理论模型 | 仿真结果 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
峰值力矩/(N·m) | 峰值功率/W | 能量损耗/J | 峰值力矩/(N·m) | 峰值功率/W | 能量损耗/J | |
0.5 | 4.08 (41.08%) | 19.39 (52.75%) | 2.62 (38.41%) | 4.02 (39.88%) | 19.53 (51.59%) | 2.74 (40.10%) |
1.0 | 4.08 (79.59%) | 10.67 (89.24%) | 5.93 (89.18%) | 4.13 (79.42%) | 10.90 (89.13%) | 6.10 (89.24%) |
1.5 | 3.30 (77.83%) | 6.35 (84.73%) | 5.92 (88.96%) | 3.36 (77.73%) | 6.50 (84.54%) | 6.11 (89.34%) |
2.0 | 2.89 (73.64%) | 4.54 (81.93%) | 5.72 (85.91%) | 2.97 (73.98%) | 4.68 (82.01%) | 5.93 (86.72%) |
lx/m | 峰值力矩/(N·m) | 峰值功率/W | 能量损耗/J |
---|---|---|---|
0.00 | 4.14 (42.50%) | 18.86 (54.66%) | 3.91 (50.34%) |
0.08 | 4.01 (38.11%) | 11.65 (34.88%) | 2.34 (30.50%) |
0.16 | 3.94 (21.87%) | 7.76 (29.28%) | 1.92 (12.52%) |
0.24 | 3.55 (15.65%) | 4.63 (18.31%) | 0.95 (5.27%) |
表4 前跃轨迹实验,有PEA对比无PEA在峰值力矩、峰值功率、能量损耗方面的减少
Table 4 Reduction in peak torque, peak power, and energy consumption with and without PEA in the experiments of forward jumping
lx/m | 峰值力矩/(N·m) | 峰值功率/W | 能量损耗/J |
---|---|---|---|
0.00 | 4.14 (42.50%) | 18.86 (54.66%) | 3.91 (50.34%) |
0.08 | 4.01 (38.11%) | 11.65 (34.88%) | 2.34 (30.50%) |
0.16 | 3.94 (21.87%) | 7.76 (29.28%) | 1.92 (12.52%) |
0.24 | 3.55 (15.65%) | 4.63 (18.31%) | 0.95 (5.27%) |
周期/s | 峰值力矩/(N·m) | 峰值功率/W | 能量损耗/J |
---|---|---|---|
0.5 | 4.08 (41.08%) | 19.39 (52.75%) | 2.62 (38.41%) |
1.0 | 4.08 (79.59%) | 10.67 (89.24%) | 5.93 (89.18%) |
1.5 | 3.30 (77.83%) | 6.35 (84.73%) | 5.92 (88.96%) |
2.0 | 2.89 (73.64%) | 4.54 (81.93%) | 5.72 (85.91%) |
表5 样机实验,验证峰值电流、峰值电功率和电能损耗减少量与减少百分比
Table 5 Reduction in quantity and percentage of peak current, peak electrical power and electrical energy consumption for validating PEA’s improvements
周期/s | 峰值力矩/(N·m) | 峰值功率/W | 能量损耗/J |
---|---|---|---|
0.5 | 4.08 (41.08%) | 19.39 (52.75%) | 2.62 (38.41%) |
1.0 | 4.08 (79.59%) | 10.67 (89.24%) | 5.93 (89.18%) |
1.5 | 3.30 (77.83%) | 6.35 (84.73%) | 5.92 (88.96%) |
2.0 | 2.89 (73.64%) | 4.54 (81.93%) | 5.72 (85.91%) |
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