用于四足机器人的并联弹性腿足关节设计与优化

作     者：刘思宇 廖峻北 雷飞 王志瑞 闫曈 党睿娜 郭朝 LIU Siyu;LIAO Junbei;LEI Fei;WANG Zhirui;YAN Tong;DANG Ruina;GUO Zhao

作者机构：武汉大学动力与机械学院湖北武汉430072 中兵智能创新研究院有限公司北京100072 群体协同与自主实验室北京100072 

基　　金：国家重点研发计划项目(2023YFE0202100) 群体协同与自主实验室开放基金项目(QXZ23013101) 国家自然科学基金项目(51605339) 

出 版 物：《兵工学报》 (Acta Armamentarii)

年 卷 期：2023年第44卷第S02期

页      码：71-83页

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5510 N/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0.5~2.0 s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%。

主 题 词：四足机器人 并联弹性驱动器 刚度优化 能量损耗 

学科分类：080202[080202] 08[工学] 0804[工学-材料学] 0802[工学-机械学] 

核心收录：

D　O　I：10.12382/bgxb.2023.0897

馆 藏 号：203125319...