浅谈并联机器狗设计中的问题改进
摘要：以高中做过的一个机械狗项目为开篇，介绍其中用到的并联五连杆结构，并从现在角度审视其中存在的问题，从五连杆结构和滑坡问题两方面阐述对应改进方法，分析更底层的轨迹求解模式与模式识别优化方式，对忽视的滑动问题作了对应研究。
关键词：并联机械狗 五连杆结构 滑动问题
中图分类号：TH164 文献标志码：A
1 并联机械狗设计背景
该项目源于高中物理知识还健在时和同学一起设计的一款并联机械狗（作为队长），在指导老师的帮助下也拿过一些小奖（图1），所以它只是一个半成品。现在再回头看，的确是一个问题很多的作品，其中也涉及到了非常多的机械知识。因此在这个基础上，我对存在的问题进行了更进一步的分析探究。
图1 高中项目奖状
原来的项目是采用五连杆结构的并联机构机器人，因为这个项目的构想主要在于承重，实现更灵活的重物搬取工作，并且相较于外用大型机器，可以起到家用效果。因此舍弃传统串联结构机器人，聚焦于灵活性、响应速度和精准性。
采用双自由度的五连杆结构（图2），主要问题在于运动轨迹，因为影响轨迹因素包括起始角、角速度比等，实际轨迹求解远比想象中。另外基于并联结构特点需要进行位置反解，算法上的要求也导致最终无法达到实操落地。
图2 五连杆结构示意图
不过可能答辩的时候表现还可以，虽然只有一个半成品（图3），但是评委老师给的评价还不错。评委老师在提问的时候问到我如果是沙体结构，滑坡的问题你要怎么处理，我当时想当然的回答到提高材质摩擦系数，现在回过头想并没有get到评委老师的意思。
图3 机械狗半成品
基于上面提到的这些，我收集资料，重新学习，以五连杆结构和滑坡问题两部分阐述自己的想法。
2 并联机械狗改进思考
2.1 五连杆结构
这部分涉及到大量五连杆轨迹推演，打公式起来比较辛苦，另外也不能体验我是真的研究过的，所以我采用纸面推导、图片上传的方式。
A E
B D
C
其中原动件AB角度为,ED角度记为，P为连杆BC上任意一点。
之前提到并联五连杆结构的反解问题，因此轨迹交点(也就是两段轨迹曲线在交点处相交)可以帮助解决反解多解的问题。在交点处原动件转速相同，由于对称性，所以可以判断出至少两个原动件位置对应。考虑五连杆结构的闭环多自由度，轨迹点反解不唯一。也就是轨迹点对应多组位置。据所查资料论证，一般情况下有四种原动件位置对应[1],相交与相切交点，不作进一步论述。其本质也就转换为对连杆位置的求解。
现考虑求逆解，也就是原动件位置确定，进而确定各杆位置。
另外缺的一点就是视觉感知，当时想的是通过超声波传感器识别距离，实现转向。但问题就是它没有意义，因为要实现日用，实际上需要到视觉感知。也就是说即使以遥控作为定位，但重物要是由人来搬就有点鸡肋。前几天上计算机网络课的时候，老师讲帧时提到一个集装箱的例子，之所以用集装箱的原因就是各国统一标准，并且这个标准在绝大多数使用中都是受用的。举一个简单的例子，做UI设计时，会提到一个很重要的8px原理，它的原理也就是适应各种机型分辨率，这样前端设计时直接乘一二三四就可以了。那提到这点的目的就是视觉感知各种物品并且实现拾取确实非常有难度，因此可以模式识别。那有一个疑问就是为什么不直接内置芯片定位，我个人认为这设计到使用便捷度的问题，除非市场匹及面广，这么一个模块如果坏了还需要等好久才有新的并不拖，并且芯片也会存在各种外部问题。所以如果说现在还在高中做这个东西，我可能会倾向于定统一标准，然后用模式识别的方式进行拾取，当然如果力度传感能做出来适用面会广很多。
接下来聊聊模式识别的事，其实是我后面的课，我也还没接触，所以我稍微的去自学了一下下，整体来看需要用到的是非监督中的聚类算法。以k-means算法为例，随机确定k（人为指定）个初始点作为簇质心，然后将数据样本中的每一个点与每个簇质心计算距离，依据此距离对样本进行分配；之后将每次簇的质心更改为该簇内所有点的平均值。算法原理主要是以空间中k个点为中心进行聚类，对最靠近他们的对象归类，通过迭代的方法，逐次更新各聚类中心的值，直到得到最好的聚类结果。当然这只是分类。
2.2 滑坡问题
之前评委老师提的滑坡问题，在我大一时候上了叶志明的土木通识课后有了更深的理解，感觉当时评委老师的意思应该是表层和深层滑动问题。
首先煤炭发电会产生环境问题。煤炭燃烧会产生大量的二氧化碳气体，会加剧温室效应。其次煤炭燃烧会产生烟尘，硫氧化物等重金属以及细颗粒的排放，会破坏大气层，以及污染空气，对人的健康有很大的影响。
其次对煤炭的过度开采会破坏地质结构，造成人为的自然灾害。对于露天煤矿，过度开采会导致边坡的滑动。在砂土层，会产生表层滑动。对其进行受力分析可得
设边坡上土单元自重为W,则下滑力为Wsinθ，所受支持力为Wcosθ故抗滑力为Wcosθμ=Wcosθtan，边坡安全系数 Fs==。当Fs小于1时，边坡即发生破坏
在粘土边坡上，会发生深层滑动，我们可以采用条分法或有限元法对其进行求解。
条分法：先假设圆弧滑动面，确定圆心和半径，再把滑动土体分成若干条，使每个土条和整个滑动土体都满足力和力矩平衡条件。假设各土条间的合力为Si，Si+1平行于滑动面，并且相等。建立土条垂直于滑动面的方程:Ni-（Hi-Hi+1）sinθi-(Wi-Vi+Vi+1)cosθi=0然后求解静力平衡方程组，未知数数目超过方程式的数目，就对多余未知数进行假定，使剩下的未知数和方程数目相等，从而解出安全系数的值。
有限元法：建立有限元整体模型，然后根据变化程度与要求精度进行网格划分，最后通过三维有限元模型与计算，得出折减系数，也即安全系数。
关于有限元法，在程玉民老师的研讨课上有所提及，但是我当时是大一第一学期，所以啥都没听懂（一堆积分微分啥都没学过，应该第三学期选它的），所以我现在又再去研究了一下。
看完了发现还有晕乎乎的，确实有点难。分析得到单元内高斯点应力，进而反推节点应力（最小二乘法）。即以高斯点应力对高斯点应力有限元解和插值解平凡和差求偏导（说实话没看懂）[2]
参考文献：
[1]陶德峰. 平面五连杆机构轨迹综合及其智能控制[D].江苏大学,2003.
[2]张国祥,刘宝琛. 边坡滑动面三维空间有限元分析[C]. 2005年鲁东大学首届岩土与地下工程科技研讨会论文集. 2005:244-250.
格式复制过来不想改了，后面一篇要写的应该是Socket通信
标签：轨迹,论文,问题,课程,并联,滑动,机械,连杆,结构 From： https://www.cnblogs.com/D-jj/p/16789992.html