本發(fā)明屬于連桿跳躍機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，具體涉及一種連桿跳躍機(jī)構(gòu)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)優(yōu)化方法及優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

1、兩輪機(jī)器人作為一種移動(dòng)平臺(tái)，具有獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)能力和靈活性。相比于傳統(tǒng)的輪式移動(dòng)機(jī)器人，兩輪機(jī)器人通過自平衡機(jī)制，能夠在復(fù)雜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)定和高效的移動(dòng)。兩輪機(jī)器人為了實(shí)現(xiàn)高效跳躍，多采用連桿跳躍機(jī)構(gòu)作為跳躍裝置，如acento的四連桿構(gòu)型和oline的五連桿構(gòu)型。這些連桿跳躍機(jī)構(gòu)構(gòu)型一般通過公式推導(dǎo)建立每個(gè)桿件位置與輸入角度的關(guān)系，難以實(shí)現(xiàn)更加深度的優(yōu)化并且計(jì)算效率較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)中連桿跳躍機(jī)構(gòu)的優(yōu)化方法優(yōu)化效率較低的缺陷，從而提供一種連桿跳躍機(jī)構(gòu)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)優(yōu)化方法及優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

2、一種連桿跳躍機(jī)構(gòu)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)優(yōu)化方法，包括以下方法步驟：

3、步驟s1：在連桿跳躍機(jī)構(gòu)中劃分設(shè)計(jì)域和非設(shè)計(jì)域，將彈簧和剛性塊的變形參量作為設(shè)計(jì)變量，以功率透過率作為目標(biāo)函數(shù)，以跟蹤軌跡誤差作為約束函數(shù)，基于sbm方法輸出拓?fù)錁?gòu)型；

4、步驟s2：將剛性塊的形狀參數(shù)作為優(yōu)化變量，以足端軌跡直線度誤差為約束目標(biāo)，最小化足端軌跡速度矢量方向變動(dòng)；

5、步驟s3：將儲(chǔ)能彈簧剛度值作為優(yōu)化變量，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩作為約束目標(biāo)，最大化彈簧儲(chǔ)能。

6、進(jìn)一步的，所述步驟s1包括以下方法步驟：

7、步驟s1.1：在連桿跳躍機(jī)構(gòu)中劃分設(shè)計(jì)域和非設(shè)計(jì)域；

8、步驟s1.2：通過simp方法對(duì)彈簧的變形參量進(jìn)行插值：

9、；

10、其中，為懲罰系數(shù)，為彈簧的變化系數(shù)，為彈簧的最大剛度，為彈簧的編號(hào)，表示連接彈簧與錨固彈簧的總量；

11、步驟s1.3：計(jì)算剛性塊的變形參量：

12、；

13、其中，x與y分別表示剛性塊中心在地面坐標(biāo)系下的位置矢量，θ為剛性塊的旋轉(zhuǎn)角度，為剛性塊的編號(hào)，為剛性塊的數(shù)量，為時(shí)刻；

14、步驟s1.4：計(jì)算連桿跳躍機(jī)構(gòu)的虛擬輸入力、末端執(zhí)行器輸出功和平均功傳遞效率；

15、；

16、；

17、；

18、其中，為虛擬輸入力，方向與輸出塊運(yùn)動(dòng)方向相反；為末端執(zhí)行器輸出功；為運(yùn)動(dòng)周期間平均功傳遞效率；為時(shí)刻的功傳遞效率；為儲(chǔ)存在彈簧中的內(nèi)能；為第i個(gè)塊在第?時(shí)刻的狀態(tài)量；n為輸出塊編號(hào)；為?時(shí)刻理想軌跡橫坐標(biāo)；為時(shí)刻理想軌跡縱坐標(biāo)；為時(shí)刻理想軌跡橫坐標(biāo)；為時(shí)刻理想軌跡縱坐標(biāo)，為沿著理想軌跡相反方向的單位力，t表示劃分的時(shí)間節(jié)點(diǎn)數(shù)量，表示時(shí)刻第個(gè)輸出塊的狀態(tài)參量。

19、進(jìn)一步的，所述步驟s1.1包括以下方法步驟：將連桿跳躍機(jī)構(gòu)劃分為多行多列矩陣排列的矩形的剛性塊；相鄰剛性塊的相鄰角點(diǎn)定義連接彈簧，每個(gè)剛性塊的每個(gè)角點(diǎn)連接錨固彈簧；將與機(jī)身連接的剛性塊的區(qū)域定義為錨固區(qū)域，設(shè)計(jì)區(qū)域包括連桿之間存在鉸接的剛性塊的區(qū)域，即設(shè)計(jì)域，其余剛性塊的區(qū)域定義為非設(shè)計(jì)域；錨固區(qū)域內(nèi)的所有角點(diǎn)連接的錨固彈簧定義為設(shè)計(jì)錨固彈簧，其他錨固彈簧定義為非設(shè)計(jì)錨固彈簧；設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)所有角點(diǎn)連接的連接彈簧定義為設(shè)計(jì)連接彈簧，其他連接彈簧定義為非設(shè)計(jì)連接彈簧；所有非設(shè)計(jì)錨固彈簧的剛度值定義為零；所有非設(shè)計(jì)連接彈簧連接的剛性塊定義為彼此固接形成一個(gè)剛體。

20、進(jìn)一步的，所述步驟s2包括以下方法步驟：

21、步驟s2.1：建立連桿跳躍機(jī)構(gòu)的最小化足端軌跡速度矢量方向變動(dòng)計(jì)算公式：

22、；

23、其中，為步數(shù)，為末端軌跡的速度方向變化量，為k時(shí)刻的末端軌跡的速度方向，為k+1時(shí)刻的末端軌跡速度方向；

24、；

25、；

26、其中，和為末端軌跡的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)，其下標(biāo)表示對(duì)應(yīng)的時(shí)刻；

27、步驟s2.2：建立足端軌跡直線度誤差的計(jì)算公式：

28、 。

29、進(jìn)一步的，所述步驟s3包括以下方法步驟：

30、步驟s3.1：建立連桿跳躍機(jī)構(gòu)的彈簧儲(chǔ)能計(jì)算公式：

31、；

32、其中，為步數(shù)；為鉸點(diǎn)位置的螺旋彈簧剛度值；為鉸點(diǎn)位置的螺旋彈簧行程角；m為鉸點(diǎn)總數(shù)；表示第i個(gè)儲(chǔ)能彈簧的儲(chǔ)能；為第t時(shí)刻驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要提供轉(zhuǎn)矩值；

33、步驟s3.2：建立驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式：

34、 。

35、一種連桿跳躍機(jī)構(gòu)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，采用上述任一項(xiàng)方法設(shè)計(jì)優(yōu)化形成。

36、進(jìn)一步的，所述拓?fù)湓O(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)為六連桿跳躍機(jī)構(gòu)，包括第一桿、第二桿、第三桿、第四桿、第五桿、髖關(guān)節(jié)電機(jī)、儲(chǔ)能彈簧和輪邊電機(jī)；所述第五桿的第一端與機(jī)身鉸接，并由所述髖關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)；所述第一桿的第一端與所述機(jī)身鉸接，第二端與所述第二桿的第一端鉸接；所述第二桿的第二端與所述第三桿第二端鉸接，第三端與所述第四桿的第一端鉸接；所述第三桿的第一端與所述機(jī)身鉸接；所述第四桿與所述第五桿鉸接，并且第二端安裝有車輪，所述輪邊電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)所述車輪。

37、有益效果：本發(fā)明基于連桿跳躍機(jī)構(gòu)的優(yōu)化提出了設(shè)計(jì)域和非設(shè)計(jì)域的劃分，能夠保證計(jì)算收斂和高效率的前提下進(jìn)行跳躍機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)，在獲得滿足功能要求的連桿構(gòu)型后，提出了基于能量的角度對(duì)連桿尺寸參數(shù)和儲(chǔ)能彈簧數(shù)量、剛度值以及安裝位置優(yōu)化方法。相比于傳統(tǒng)方法對(duì)連桿尺寸參數(shù)優(yōu)化，本發(fā)明方法避免通過公式推導(dǎo)建立每個(gè)桿件位置與輸入角度的關(guān)系，而是基于能量最小化原理獲得每個(gè)時(shí)刻下桿件的位置，可以實(shí)現(xiàn)不同連桿構(gòu)型的自動(dòng)綜合優(yōu)化，能夠有效提高計(jì)算效率。

技術(shù)特征：

1.一種連桿跳躍機(jī)構(gòu)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下方法步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種連桿跳躍機(jī)構(gòu)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟s1包括以下方法步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種連桿跳躍機(jī)構(gòu)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟s1.1包括以下方法步驟：將連桿跳躍機(jī)構(gòu)劃分為多行多列矩陣排列的矩形的剛性塊；相鄰剛性塊的相鄰角點(diǎn)定義連接彈簧，每個(gè)剛性塊的每個(gè)角點(diǎn)連接錨固彈簧；將與機(jī)身連接的剛性塊的區(qū)域定義為錨固區(qū)域，設(shè)計(jì)區(qū)域包括連桿之間存在鉸接的剛性塊的區(qū)域，即設(shè)計(jì)域，其余剛性塊的區(qū)域定義為非設(shè)計(jì)域；錨固區(qū)域內(nèi)的所有角點(diǎn)連接的錨固彈簧定義為設(shè)計(jì)錨固彈簧，其他錨固彈簧定義為非設(shè)計(jì)錨固彈簧；設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)所有角點(diǎn)連接的連接彈簧定義為設(shè)計(jì)連接彈簧，其他連接彈簧定義為非設(shè)計(jì)連接彈簧；所有非設(shè)計(jì)錨固彈簧的剛度值定義為零；所有非設(shè)計(jì)連接彈簧連接的剛性塊定義為彼此固接形成一個(gè)剛體。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種連桿跳躍機(jī)構(gòu)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟s2包括以下方法步驟：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種連桿跳躍機(jī)構(gòu)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟s3包括以下方法步驟：

6.一種連桿跳躍機(jī)構(gòu)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，其特征在于，采用權(quán)利要求1~4任一項(xiàng)所述方法設(shè)計(jì)優(yōu)化形成。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種連桿跳躍機(jī)構(gòu)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述拓?fù)湓O(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)為六連桿跳躍機(jī)構(gòu)，包括第一桿、第二桿、第三桿、第四桿、第五桿、髖關(guān)節(jié)電機(jī)、儲(chǔ)能彈簧和輪邊電機(jī)；所述第五桿的第一端與機(jī)身鉸接，并由所述髖關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)；所述第一桿的第一端與所述機(jī)身鉸接，第二端與所述第二桿的第一端鉸接；所述第二桿的第二端與所述第三桿第二端鉸接，第三端與所述第四桿的第一端鉸接；所述第三桿的第一端與所述機(jī)身鉸接；所述第四桿與所述第五桿鉸接，并且第二端安裝有車輪，所述輪邊電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)所述車輪。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于連桿跳躍機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種連桿跳躍機(jī)構(gòu)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)優(yōu)化方法及優(yōu)化結(jié)構(gòu)。本發(fā)明基于連桿跳躍機(jī)構(gòu)的優(yōu)化提出了設(shè)計(jì)域和非設(shè)計(jì)域的劃分，能夠保證計(jì)算收斂和高效率的前提下進(jìn)行跳躍機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)，在獲得滿足功能要求的連桿構(gòu)型后，提出了基于能量的角度對(duì)連桿尺寸參數(shù)和儲(chǔ)能彈簧數(shù)量、剛度值以及安裝位置優(yōu)化方法。相比于傳統(tǒng)方法對(duì)連桿尺寸參數(shù)優(yōu)化，本發(fā)明方法避免通過公式推導(dǎo)建立每個(gè)桿件位置與輸入角度的關(guān)系，而是基于能量最小化原理獲得每個(gè)時(shí)刻下桿件的位置，可以實(shí)現(xiàn)不同連桿構(gòu)型的自動(dòng)綜合優(yōu)化，能夠有效提高計(jì)算效率。

技術(shù)研發(fā)人員：何智成,田靜,徐文琳,何景林
受保護(hù)的技術(shù)使用者：湖南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19