Advanced Robotics 25 (2011) 1085–1113
brill.nl/ar
Full paper
Proposal of a Six-Legged Mini-Shovel and Its Mechanism Design and Walking Analysis Based on Static Analysis and a Computer-Aided Design Dynamic Model
Qingjiu Huang a, , Hirotoshi Arihara a, Hideki Kinugawa b and Masaru Morikawa b
a Department of Mechanical and Control Engineering, Tokyo Institute of Technology,
2-12-1-I3-11 Ookayama, Meguro-ku, Tokyo 152-8552, Japan
b KOBELCO Construction Machinery Co., Ltd, 2-17-1 Higashigotanda, Shinagawa-ku,
Tokyo 141-8626, Japan
Received 12 May 2009; accepted 10 November 2009
Abstract
The conventional method of movement of a mini-shovel used for interior demolition work is a crawler. However, a crawler scratches road surfaces and floors; moreover, it lacks body stability when climbing up and down stairs. In this study, we propose a six-legged mini-shovel for interior demolition work and develop it based on a mini-shovel SK09SR, which is a product for the interior demolition work market. With regard to mechanism design, first the basic sizes of the chassis and leg are determined by the reachable region of the legs that is necessary for climbing stairs. Next, the leg mechanism is designed using static analysis based on the constraints of the maximum output of the hydraulic cylinder and pump. In addition, in order to demonstrate the dynamic analysis and simulation of walking, a three-dimensional computer-aided design dynamic model of six-legged mini-shovel is produced on the mechanism analysis software DADS. Then, the servo control of the hydraulic cylinder is designed. Finally, the results of dynamic analysis and simulation of walking, such as going straight, turning, side walk, diagonal walk, lifting vehicle height and climbing stairs, show that our proposed six-legged mini-shovel is a useful and effective method of movement for interior demolition work.
copy; Koninklijke Brill NV, Leiden, 2011
Keywords
Six-legged mini-shovel, interior demolition work, mechanism design, walking analysis and simula-tion, three-dimensional computer-aided design dynamic model
* To whom correspondence should be addressed. E-mail: huang@mech.titech.ac.jp
copy; Koninklijke Brill NV, Leiden, 2011 DOI:10.1163/016918611X574623
1086 Q. Huang et al. / Advanced Robotics 25 (2011) 1085–1113
1. Introduction
1.1. Background
Modern building materials with enhanced strength impart a higher cost for dis-mantling superannuated buildings. Disposal of the scrapped materials, which are produced in large quantities, and generation of particulates when dismantling a building are also serious issues. For these reasons, in order to reduce the dismantling costs and scrapped materials, replacing and reusing only the interior furnishings, without dismantling the entire building, has increased. Such demolition of only the interior furnishings of a building is necessary recycling work for environmental conservation and the effective use of resources. Stripping off wall plates and floor-ing in interior demolition of a building has usually been done manually (Fig. 1). Problems such as increased labor costs, inferior work environments and asbestos are compelling the mechanized execution of such work using construction equipment. However, how to carry construction equipment to high floors remains an unsolved issue for use in a skyscraper.
Possible methods of transporting construction equipment to high floors include the following. One method uses a crane, for which the lift height is unfortunately limited; another is to use a building elevator, for which size or weight restrictions will accommodate only a small machine. For those reasons, construction equipment can currently reach high floors mostly by climbing a stairway. Since until now the method of transport of a shovel used for interior demolition is a crawler, when carrying construction equipment to high floors, we let it ascend and descend a stair-way with its crawler as shown in Fig. 2. However, a crawler scratches the floors and stairways of a newly replaced interior; moreover, it lacks body stability when going up and down stairs. Consequently, a new method of movement, different from a crawler, is required.
1.2. Study Purpose
According to this background, we propose a new moving work device — a six-legged mini-shovel instead of the crawler mini-shovel — as a method of moving the next-generation shovel.
Figure 1. Manual demolition. Figure 2. Mini-shovel ascending stairs.
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Although some studies on climbing a stairway using a multi-legged robot already exist, those robots are below hundreds of kilograms in weight, and can only go up and down special stairs. The mechanism and walk control algorithm of a six-legged vehicle of about 1 ton weight that can climb stairs made to construction code reg-ulations have not yet been developed yet. Here, our proposed six-legged walking system of about 1 ton weight, as a method of moving a shovel, damages neither the floor nor the stairway when performing tasks in interior demolition. It also demon-strates high stability in walking through a stairway and enables smooth passage of a platform. Furthermore, it can adjust its body height using its wide reachable range, which is a salient advantage of a leg mechanism. This also creates the added value of substantially improving the effectiveness
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六振式微型铲运机及其机理的建议 基于统计分析的设计与行走分析 一个计算机辅助设计动态模型
摘 要
用于室内拆除工作的小型铲子的传统移动方法是履带。在本研究中，我们提出了一种六条腿的小型铲子，用于室内拆迁工程及开发。在机构设计中，首先由可达性区域决定底盘和腿的基本尺寸。基于液压缸和泵最大输出的约束条件。在机构分析软件DADS上建立了六足微型铲子的动力学模型，并对其进行了分析。设计了液压缸的伺服控制，最后对液压缸的动态分析和仿真结果进行了分析和仿真。说明我们提出的六条腿微型铲子是一种实用而有效的方法。
1.1介绍
1.1背景
现代建筑材料强度增强，拆除废弃建筑的成本更高。废弃材料的大量生产，拆卸时产生微粒，建筑也是严重的问题，因此，为了减少拆迁成本和报废的材料，只更换和重复使用室内陈设，没有拆迁整座建筑，就增加了建筑物的室内陈设，这些是环境方面的必要回收工作[1]。节约和有效利用资源，拆除墙壁板和建筑物内部通常是手工完成的(图1.1)。诸如增加劳动力成本、恶劣的工作环境和石棉等问题的同时强制使用建筑设备机械化地执行这种工作等等。然而，如何将建筑设备运至高层仍是一个悬而未决的问题，将建筑设备运输到高层的可能方法包括郎中方法，第一种方法是使用起重机，但吊车的高度却是很不幸的。另一种是使用建筑物电梯，对其大小或重量有限制。这样只能容纳一台小型机器[2]。通过以上两种方法，建筑设备目前可以到达较高的楼层，主要是通过爬楼梯，用于内部拆除的铲子的运输方法是履带工具，当我们把建筑设备搬到高层，我们让它用爬行器爬下楼梯，如图1.2所示。但是，这样爬虫会划破地板和新更换的室内楼梯，与此同时在走的时候缺乏身体的稳定性，这个时候，一种新的不同于爬行器的运动方式就成了一个非常必要的需求了。
1.2学习目的
根据这一背景，我们提出了一种新的移动工作装置--六条腿的微型铲子，而不是履带式的微型铲子——作为移动的一种方法来研究。具体如下图所示：
图1.1人工拆除 图1.2人工拆除
虽然已稳定性，并使楼梯能够顺利通过。此外，它还可经有一些关于使用多腿机器人爬楼梯的研究。工作时，这些机器人的重量在数百公斤以下，只能上升[3]。一种六足机器人的机构及行走控制算法可爬楼梯，但是重约一吨的车辆尚未按照施工规范的规定制定。在这里，我们建议的六足步行，约一吨重量的系统，作为一种移动铲子的方法，在执行室内拆除任务时，不会损坏地板和楼梯。它还显示出在楼梯上行走的高度以利用它的可达范围来调整它的身高，这是腿部机械的一个显著优势，这也创造了附加价值。大大提高了天花板拆除的效果，这是室内拆迁的一项重要任务[4]。在这项研究中，作为开发六足微型铲的第一步，为了验证爬楼梯稳性的有效性液压缸的最大输出量和泵的最大流量，在静力学分析的基础上进行机构设计和行走分析。以小型挖掘机为例，建立了计算机辅助设计（CAD）动态模型：SK09SR，这是一个内部的拆迁工作市场的产品。采用六足昆虫像运动法在多足步行系统，有四条腿的六条腿的。八条腿的系统。六足步行系统优化型在静态稳定性、行走速度和控制简单性等方面[5]。六足步行系统应用于车辆，行星探测。探索埃里伯斯火山，森林工作，核反应堆的工作，检测等。对于室内拆除工作，以下三点被认为是步行系统的关键：
1）使用楼梯需要高稳定性；
2)实际使用需要一定的步行速度；
3)在为事故做准备时，需要在腿的数目上增加冗余，作为安全储备；
因此，在我们的研究中，采用了六足类昆虫行走系统来做室内拆除工作。四足步行系统被认为是另一种选择。这个系统在动态时具有与六足步行系统相同的步行速度，但是，由于稳定性差，不适合大型移动系统，也需要控制重心的位置[6]。因此，六足步行系统比四足步行系统具有更高的稳定性，而且四足步行系统不能当一条腿断了的时候行走，但是六条腿走路系统将有更多的执行器，即使一条腿出现故障之后还是可以行走，并且速度是四条腿的两倍，因此，四足步行系统不能满足上述要求。另一方面，八条腿的步行系统满足上述要求。但是喂了满足以上三点，但成本较高，想让控制系统变得更加完善，我们认为六足步行系统最适合完成多腿步行机器人用于室内拆除工作。
2.底盘和腿机构的基本设计
本研究的研究对象是六条腿步行铲，它是以商业为基础的小型铲SK09SR(重量约0.9吨)用于内部拆卸。它将安装一条腿机构而不是履带机[7]。其应用将主要用于拆除建筑物的内部，所需经费要点概述如下：
1)它可以通过楼梯和着陆;
2)它可以以相当于爬虫的速度行走;
3)它可以通过标准宽度的内门;
它能保证步行和工作时的足够稳定性，确定了其腿机构的粗尺寸和可达范围。从这些条件来看，如图2.1所示，目标楼梯是基于日本建筑规范规，规定宽300mm，高300mm。如图所示，腿连杆的尺寸和可达范围是为了让铲子能上升到楼梯上。人体尺寸是为了让它通过上下楼梯之间的着陆。如图所示，尽管腿的配置具有水平放置的形式 身体，就像螃蟹一样，因为机器人的宽度增加了，所以它不让它通过楼梯底部和入口处。因此，如图2.2和图4a所示，我们采用对身体垂直放置的形式。目标行走速度设定在0.5-l公里/小时左右，因为商业小型铲子的最高时速是1公里/小时，重量必须是在1吨左右。
图2.1链接和楼梯的测量
图2.2身体和休息地点的测量(A)箱体和腿(B)着陆地点
图2.3日本建筑法规
交流伺服电机和液压缸被认为是服务对象。作为执行机构，交流伺服电机比液压缸昂贵。此外，由于结构的原因，在连接节点附近增加了较大的扭矩。因为需要一个强大的交流伺服电机，这增加了系统的重量和成本。因此，前者不如后者有利。与滚珠螺钉结合使用，在有颗粒的环境中瓦砾飞溅，滚珠螺丝可能会迅速恶化。另一方面，在工程机械中液压缸被频繁使用，他已经证明了他的高度可靠性。商用液压油缸和液压泵可以大幅度降低成本[8]，因此，作为一种执行机构，采用了商用液压油缸。要使用的液压缸的最大输出量决定了最大输出量。可承受的自重和液压泵的最大流量是一种对确定液压冲程速度峰值的约束，第三节介绍了基于它们的机构设计。
- 基于静态分析的跳跃机构设计
3.1约束规格
商用液压缸和液压泵的约束在表1，液压缸的尺寸如图3.1所示。液压缸的直径为40毫米，行程为100毫米，而液压泵的有效压力为200 kGF/cm2，图液压缸的尺寸
图3.1液压缸的尺寸
这些值可用于估计 液压缸F使用：
也就是说，必须设计一个附加到液压系统中的机构[9]。当实际行走时，圆柱会变成F或更少。因此，约束专家组机构的设计泵最大流量规范概述如下：
1)泵最大流量Qmax=22l/min;
2)液压缸最大输出Fmax=2.1 T;
3.2 专家组机制提案
液压缸的腿机构已经有三个典型的方案。在参考文献中。执行机构分为垂直方向的自由度和水平方向的自由度。这样，在水平方向上总重量较小并且速度可能较高。但是，支撑垂直执行机构的垂直杆的高度太高，它会干扰底盘的旋转和铲子的吊杆。参考文献提出了一种腿机构的直线机构[10]。这和参考文献是一样的。支撑垂直致动器的垂直杆的高度太高。在参考文献中。腿机构没有高垂直杆。然而，腿的结构形式是水平地放置在身体上，就像螃蟹一样，它不让它通过楼梯、地面和门的入口。
为了使铲子通过楼梯、地面和入口处，同时又不影响底盘和臂架的转动，提出了三种腿机构，然后通过静态分析，确定了最优类型[11]。1型是一种挖土机，它的圆筒布置类似于商业铲子。类型2是修改后的反铲类型。第3型有一个设计的圆柱体。冀(i=1，...，9)表示腿部的每个关节，如图所示,对于第2型，这种安排是很难实现的，因为一个液压缸的尺寸。此外，腿部机构内的液压缸会增加撞击击穿的风险。因此，这种配置是不可取的。3型在其油压衬里是有利的，可以设计为稳健的，尽管气缸内的位置类似于2型和它的整体长度受到限制。因此，在3.3节中进行了静态分析，以评估仅为1型和3型的腿的输出力。
3.3基于静态分析机构的确定
通过计算各支腿机构的可达范围，确定1型和3型支腿机构，并按Z方向在腿端输出如下：
可达范围可以用阶运动学计算，腿部尖端的输出力可以通过计算雅可比矩阵来计算， 其中X，Y，Z表示腿的位置，theta;theta;1，2，3theta;表示角位移在腿的链接和L1、L2 L3接头，表示液压缸的位移。腿部末端的输出F可以使用：
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f = Jminus;Tfp, |
(2) |
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|
f = (fx fy fz)T, |
fp = (fp1 fp2 fp3)T. |
(3) |
计算值为2.1 TF，作为每个液压缸的最大输出量。利用上述方程分析了各机构在Z方向上的可达范围和输出量。结果如图所示。8A和B。图8a显示，在地面平面上输出约0.4 TF，其腿为1型。这一输出在一条腿尖端是足够支持身体总负荷1 TF与三条或多条腿在任何时候。图8b表示Z方向的输出在附近变得非常小。
图3.3输出力在Z轴方向在腿尖（a）类型1（b）类型3
图3.4腿的详细设计（a）主视图（b）侧视图
第3类的接地平面。因此，很难用3型来支撑身体。因此，在腿机构中采用了1型。图显示了使用1型的腿部机构的最终设计尺寸。
图3.5腿尖的期望轨迹（a）绝对坐标（b）局部坐标
图3.6变量定义 图3.7力平衡和力矩平衡
3.4机构设计的步行静力分析验证
设计了步行过程中对液压缸的载荷进行分析的腿部轨迹。它的步态假定为三脚架步态，步长为2秒，步长为0.3米，摆动腿的高度为0.05米，而对称的步态则是三条支撑腿一次携带三条摆动腿[12]。实际设计的腿尖的目标轨迹如图所示。图3.5a描绘了静止坐标系中的轨迹。图3.5b是从每个腿的局部坐标系中看到的轨迹，是通过逆运动学将每个液压缸的位移命令转换成的波形为图中的初始位置，10b为y=0.4 m，z=-0.28 m.支撑反作用力作用于每条腿的尖端，在从腿轨迹计算的步行时，提供一个施加于每个液压缸的载荷，如图3.6所示假设三个支撑腿在任何时候都起作用，没有支撑反作用力作用于摆动腿，这一假设基于力平衡和力矩
图3.7液压缸输出力（位置2） 图3.8液压缸的输出力（位置3）
- 液压阀建模与控制系统设计
为了控制液压缸，必须使用伺服阀或比例控制电磁阀作为液压阀。虽然伺服阀响应性能优良，适合于高精度的定位控制，但其成本回收量较大。另一方面，比例控制电磁阀相对便宜，尽管它的响应不如伺服阀[13]。为此，采用比例控制电磁阀对液压管路进行控制。电磁阀的数学模型如图所示。输入为控制器电压，输出为液压缸力，采用二阶滞后传递函数，电磁阀谐振频率omega;n=100 rad/s，阻尼比zeta;=1.0，压力增益Kv=2.0 MPa/V，投影净面积A=0.022pi;m2。此外，由于饱和单元中存在一个死区，使得供气压力达到上限，并且通用电磁阀，在数学模型的输入端也增加了plusmn;1V的死区。请注意，液压油的压缩性、泄漏等没有被检查。
包括控制系统在内的整个仿真模型如图所示，这里，“I.K.”是一条腿在腿尖位置向量PR之间的逆运动学[14]，如图所示。每个活塞的输出位移DR。驱动腿机构的液压缸的控制采用模拟控制的位置控制。为了便于位置控制，设计了两个小回路：一个是采用压力传感器的力(压力)控制回路，用于改善电磁阀的响应；另一个是速度控制回路，用于消除机构的非线性，改善位置回路的响应。采用这种方法设计的控制系统对液压缸的位移阶跃响应进行了仿真[15]。结果如图5.1所示，这表明阶跃响应迅速收敛到设定点，没有瞬态超调。此时每个控制回路的增益如表2所示。
图4.1液压阀框图
图4.2控制器框
表2
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