足機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì) 2015-2016第 1 學(xué)期 題目：六足式機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 小組成員：寧輕 631326110302 夏麗萍 631326110305 周義恒 631326110301 趙晨光 631326110117 陳森631326110304 班級(jí)：國(guó)機(jī)械一班 指導(dǎo)教師：王正倫 成績(jī)： 日期：2015年12月 目 錄 摘 要 4 第一章 緒 論 1 1.1. 六足仿生機(jī)器人的概念： 1 1.2.課題來(lái)源 2 1.3.設(shè)計(jì)目的 2 1.4.技術(shù)

2、要求 2 1.5.設(shè)計(jì)意義 2 1.6.設(shè)計(jì)范圍 3 1.7.國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r和存在的問題 3 1.7.1.國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r 3 1.7.2.國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 4 1.7.3.存在的問題 5 1.8.具體設(shè)計(jì) 5 1.8.1.設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想 5 1.8.2.應(yīng)解決的主要問題 5 1.8.3.本設(shè)計(jì)采用的研究計(jì)算方法 6 1.8.4.技術(shù)路線 6 第二章 六足仿生機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃 7 2.1步態(tài)分類 7 2.1.1 三角步態(tài) 7 跟導(dǎo)步態(tài) 7 交替步態(tài) 7 2.2步態(tài)規(guī)劃概述 8 2.3六足仿生機(jī)器人的坐標(biāo)含義 9 2.4 三角步態(tài)的穩(wěn)定性分析 12 2.4.1 穩(wěn)

3、定性分析 12 穩(wěn)定裕量的計(jì)算 12 2.5三角步態(tài)行走步態(tài)設(shè)計(jì) 13 直線行走步態(tài)規(guī)劃 13 轉(zhuǎn)彎步態(tài)分析 15 2.6六足機(jī)器人的步長(zhǎng)設(shè)計(jì) 15 2.7六足機(jī)器人著地點(diǎn)的優(yōu)化 16 第三章 六足機(jī)器人的機(jī)構(gòu)分析 18 3.1四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 18 理論根據(jù)與機(jī)構(gòu)選擇 18 3.2設(shè)計(jì)參數(shù) 21 3.3步行腿機(jī)構(gòu)系統(tǒng) 21 3.4 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)原理 22 驅(qū)動(dòng)原理 22 3.4.2 舵機(jī)控制方法 22 3.5 六足機(jī)器人主體設(shè)計(jì) 24 3.5.1 機(jī)身 24 腿部的設(shè)計(jì) 25 足 25 小腿 26 大腿 27 第四章 總結(jié) 28 4.1.設(shè)計(jì)小結(jié) 2

4、8 4.2設(shè)計(jì)感受 28 4.3課程設(shè)計(jì)見解 28 參考文獻(xiàn) 29 謝 辭 30 摘要 人類社會(huì)的發(fā)展，各種各樣的機(jī)器人正漸漸的走進(jìn)我們的視野，有很多的地方都用到了機(jī)器人，在機(jī)器人的領(lǐng)域里越來(lái)越多的人開始愛好上了機(jī)器人。能更好的適應(yīng)環(huán)境和地形是多足仿生機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，很多人的工作可以由機(jī)器人代替完成，科學(xué)價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值是很重要的。復(fù)雜的多足機(jī)器人機(jī)構(gòu)是不易制造的，機(jī)器人六條腿的運(yùn)動(dòng)也難以有效地調(diào)控，能讓機(jī)器人選擇最優(yōu)秀的路徑到達(dá)目的地是一個(gè)很讓人思考的問題。以昆蟲活動(dòng)時(shí)選用的三角步態(tài)行動(dòng)為基礎(chǔ)策劃六足機(jī)器人，為實(shí)現(xiàn)其全方位機(jī)動(dòng)性，需要解決一系列的技術(shù)問題，首先，對(duì)機(jī)器人直線

5、行走和轉(zhuǎn)彎進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃，分析其運(yùn)動(dòng)特性，根據(jù)對(duì)其進(jìn)行的步行規(guī)劃確定其運(yùn)動(dòng)軌跡，之后確定其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用契貝謝夫四桿機(jī)構(gòu)作為其主要的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，為了保證其轉(zhuǎn)彎的靈敏性，在小腿上加上了舵機(jī)，易于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，掉頭等動(dòng)作。好的行走機(jī)構(gòu)，能安穩(wěn)的運(yùn)轉(zhuǎn)和走路，布局簡(jiǎn)單，容易設(shè)計(jì)制造，這個(gè)也是很重要的，本文還對(duì)舵機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)易的討論。本文設(shè)計(jì)主要針對(duì)的是六足機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的分析。 關(guān)鍵詞：六足機(jī)器人，步態(tài)規(guī)劃，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，契貝謝夫四桿機(jī)構(gòu) 第一章 緒論 1.1. 六足仿生機(jī)器人的概念： 機(jī)器人技術(shù)是在新技術(shù)革命中迅速發(fā)展起來(lái)的一門新興學(xué)科，它在眾多領(lǐng)域與生產(chǎn)部門得到了廣泛的應(yīng)用，并顯示出強(qiáng)

6、大的生命力。它使得傳統(tǒng)的生產(chǎn)發(fā)生變革，并對(duì)人類社會(huì)的生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，它正在成為工廠，企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)，乃至整個(gè)國(guó)家進(jìn)行經(jīng)濟(jì)和軍事較量的重要手段。 六足機(jī)器人又叫蜘蛛機(jī)器人，是多足機(jī)器人的一種。仿生式六足機(jī)器人，顧名思義，六足機(jī)器人在我們理想架構(gòu)中，我們借鑒了自然界。 昆蟲的運(yùn)動(dòng)原理。足是昆蟲的運(yùn)動(dòng)器官。昆蟲有3對(duì)足，在前胸、中胸和后胸各有一對(duì)，我們相應(yīng)地稱為前足、中足和后足。每個(gè)足由基節(jié)、轉(zhuǎn)節(jié)、腿節(jié)、脛節(jié)、跗節(jié)和前跗節(jié)幾部分組成。 圖1 昆蟲腿節(jié) 基節(jié)是足最基部的一節(jié)，多粗短。轉(zhuǎn)節(jié)常與腿節(jié)緊密相連而不活動(dòng)。腿節(jié)是最長(zhǎng)最粗的一節(jié)。第四節(jié)叫脛節(jié)，一般比較細(xì)長(zhǎng)，長(zhǎng)著成排的刺。第五節(jié)叫跗節(jié)

7、，一般由2-5個(gè)亞節(jié)組成﹔為的是便于行走。在最末節(jié)的端部還長(zhǎng)著兩個(gè)又硬又尖的爪，可以用它們來(lái)抓住物體。行走是以三條腿為一組進(jìn)行的，即一側(cè)的前、后足與另一側(cè)的中足為一組。這樣就形成了一個(gè)三角形支架結(jié)構(gòu)，當(dāng)這三條腿放在地面并向后蹬時(shí)，另外三條腿即抬起向前準(zhǔn)備替換。前足用爪固定物體后拉動(dòng)蟲體向前，中足用來(lái)支持并舉起所屬一側(cè)的身體，后足則推動(dòng)蟲體前進(jìn)，同時(shí)使蟲體轉(zhuǎn)向。這種行走方式使昆蟲可以隨時(shí)隨地停息下來(lái)，因?yàn)橹匦目偸锹湓谌侵Ъ苤畠?nèi)。并不是所有成蟲都用六條腿來(lái)行走，有些昆蟲由于前足發(fā)生了特化，有了其他功用或退化，行走就主要靠中、后足來(lái)完成了。大家最為熟悉的要算螳螂了，我們?？煽吹襟胍粚?duì)鉗子般的前足

8、高舉在胸前，后面四條足支撐地面行走。 1.2.課題來(lái)源 本課題來(lái)源于機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程的研究課題。之前我們學(xué)習(xí)了有關(guān)機(jī)械原理的基本概念，基本理論，以及相關(guān)的計(jì)算方法，老師帶領(lǐng)我們深入淺出的學(xué)習(xí)了機(jī)械方面的知識(shí)，使我們了解包括機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析，運(yùn)動(dòng)分析，力分析以及動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)于常用的機(jī)構(gòu)，例如，連桿機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)，齒輪機(jī)構(gòu)的等也有了深入的認(rèn)知。在王老師開設(shè)的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程上我們選擇了這個(gè)課題，來(lái)將學(xué)習(xí)到的知識(shí)付諸于實(shí)踐。 1.3.設(shè)計(jì)目的 本設(shè)計(jì)主要是利用機(jī)械原理相關(guān)知識(shí)合理設(shè)計(jì)機(jī)械腿的相關(guān)尺寸及機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)行走與轉(zhuǎn)彎的功能。 1.4.技術(shù)要求 1.電機(jī)的選擇和控制原理； 2.運(yùn)動(dòng)學(xué)的

9、分析和仿真； 3.連桿機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)； 4.穩(wěn)定性，重心轉(zhuǎn)移。 1.5.設(shè)計(jì)意義 在自然界和人類社會(huì)中存在一些人類無(wú)法到達(dá)的地方和可能危及人類生命的特殊場(chǎng)合。如行星表面、災(zāi)難發(fā)生礦井、防災(zāi)救援和反恐斗爭(zhēng)等，對(duì)這些危險(xiǎn)環(huán)境進(jìn)行不斷地探索和研究，尋求一條解決問題的可行途徑成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展和人類社會(huì)進(jìn)步的需要。地形不規(guī)則和崎嶇不平是這些環(huán)境的共同特點(diǎn)。從而使輪式機(jī)器人和履帶式機(jī)器人的應(yīng)用受到限制。以往的研究表明輪式移動(dòng)方式在相對(duì)平坦的地形上行駛時(shí)，具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)運(yùn)動(dòng)速度迅速、平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)和控制也較簡(jiǎn)單，但在不平地面上行駛時(shí)，能耗將大大增加，而在松軟地面或嚴(yán)重崎嶇不平的地形上，車輪的作用也

10、將嚴(yán)重喪失移動(dòng)效率大大降低。為了改善輪子對(duì)松軟地面和不平地面的適應(yīng)能力，履帶式移動(dòng)方式應(yīng)運(yùn)而生但履帶式機(jī)器人在不平地面上的機(jī)動(dòng)性仍然很差行駛時(shí)機(jī)身晃動(dòng)嚴(yán)重。與輪式、履帶式移動(dòng)機(jī)器人相比在崎嶇不平的路面步行機(jī)器人具有獨(dú)特優(yōu)越性能在這種背景下六足仿生機(jī)器人的研究蓬勃發(fā)展起來(lái)。而仿生步行機(jī)器人的出現(xiàn)更加顯示出步行機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)。 六足仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡是一系列離散的足印運(yùn)動(dòng)時(shí)只需要離散的點(diǎn)接觸地面對(duì)環(huán)境的破壞程度也較小可以在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)對(duì)崎嶇地形的適應(yīng)性強(qiáng)。正因?yàn)槿绱肆惴律鷻C(jī)器人對(duì)環(huán)境的破壞程度也較小。輪式和履帶式機(jī)器人的則是一條條連續(xù)的轍跡。崎嶇地形中往往含有巖石、泥土、沙

11、子甚至峭壁和陡坡等障礙物可以穩(wěn)定支撐機(jī)器人的連續(xù)路徑十分有限,這意味著輪式和履帶式機(jī)器人在這種地形中已經(jīng)不適用。六足仿生機(jī)器人的腿部具有多個(gè)自由度使運(yùn)動(dòng)的靈活性大大增強(qiáng)。它可以通過調(diào)節(jié)腿的長(zhǎng)度保持身體水平也可以通過調(diào)節(jié)腿的伸展程度調(diào)整重心的位置因此不易翻倒穩(wěn)定性更高。當(dāng)然六足仿生機(jī)器人也存在一些不足之處。比如為使腿部協(xié)調(diào)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到控制系統(tǒng)算法都比較復(fù)雜相比自然界的節(jié)肢動(dòng)物仿生六足仿生機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性還有很大差距。 1.6.設(shè)計(jì)范圍 一直以來(lái)移動(dòng)型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式大體上包括，輪式、履帶式、足式等。六足仿生機(jī)器人類似昆蟲原理較為簡(jiǎn)單，技術(shù)也比較成熟，而且傳動(dòng)效率比較高，行走重心波動(dòng)

12、很小，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，這類裝置重量小，運(yùn)動(dòng)靈活，采用步態(tài)仿生簡(jiǎn)便直接。 1.7.國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r和存在的問題 .國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r 我國(guó)步行機(jī)器人的研究開始較晚，真正開始是在上世紀(jì)80年代初。1980年，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所采用平行四邊形和凸輪機(jī)構(gòu)研制出一臺(tái)八足螃蟹式步行機(jī),主要用于海底探測(cè)4 作業(yè)并做了越障、爬坡和通過沼澤地的試驗(yàn)。1989年，北京航空航。天大學(xué)孫漢旭博士進(jìn)行了四足步行機(jī)的研究，試制成功一臺(tái)四足步行機(jī)，并進(jìn)行了步行實(shí)驗(yàn)；錢晉武博士對(duì)地、壁兩用六足步行機(jī)器人進(jìn)行了步態(tài)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的研究。1991年，上海交通大學(xué)馬培蓀等研制出JTUWM系列四足步行機(jī)器人，該機(jī)器人采用計(jì)算機(jī)

13、模擬電路兩級(jí)分布式控制系統(tǒng),JTUWM-III以對(duì)角步態(tài)行走,腳底裝有PVDF測(cè)力傳感器，如圖4，同時(shí)對(duì)多足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制，以及機(jī)器人的腿、臂功能融合和模塊化實(shí)現(xiàn)的控制體系及其設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。 圖2 .國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 隨著電子技術(shù)發(fā)展，計(jì)算機(jī)性能的提高，使多足步行機(jī)器人技術(shù)進(jìn)入了基于計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展階段。其中有代表性的研究為1993年,美國(guó)卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)開發(fā)出有纜的八足步行機(jī)器人DANTE，圖1所示，用于對(duì)南極的埃里伯斯火山進(jìn)行了考察，其結(jié)構(gòu)由2個(gè)獨(dú)立的框架構(gòu)成。這一階段研究的重點(diǎn)在于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、機(jī)器人的步態(tài)生成與規(guī)劃及傳統(tǒng)的控制方法在機(jī)器人行走運(yùn)動(dòng)控制過程的應(yīng)用

14、。Boston Dynamics公司的Big Dog四足機(jī)器人用于為軍隊(duì)運(yùn)輸裝備，其高3英尺，重165磅，可以以3.3英里的速度行進(jìn)，其采用汽油動(dòng)力。 圖3 Adaptive Suspension Vehicle 圖4 Odex1步行機(jī)器人 圖5 MIT 腿部實(shí)驗(yàn)室的四足和雙足機(jī)器人 由于新的材料的發(fā)現(xiàn)、智能控制技術(shù)的發(fā)展、對(duì)步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)高效建模方法的提出以及生物學(xué)知識(shí)的增長(zhǎng)促使了步行機(jī)器人向模仿生物的方向發(fā)展。 .存在的問題 綜上所述，國(guó)外在這方面的研究成果較多，但是大多都結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)昂貴，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人民的經(jīng)濟(jì)承受能力。國(guó)內(nèi)的研究相對(duì)較晚，雖然

15、也誕生了很多專利，但由于受到體積，重量，穩(wěn)定性級(jí)安全問題還沒有產(chǎn)品真正投入使用。 1.8.具體設(shè)計(jì) .設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想 面向社會(huì)應(yīng)用需求，基于機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程的課題要求，根據(jù)之前學(xué)習(xí)到的機(jī)械原理等知識(shí)，力求推動(dòng)大學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力，提高機(jī)器人應(yīng)用實(shí)際的實(shí)際操控力，達(dá)到我們機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的目的。 .應(yīng)解決的主要問題 1.重心對(duì)于機(jī)器人行走穩(wěn)定性的影響，對(duì)機(jī)體質(zhì)心及其穩(wěn)定性； 2.驅(qū)動(dòng)腿部運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力的施加，分析采用合適參數(shù)； 3.兩腿之間運(yùn)動(dòng)時(shí)的協(xié)調(diào)配合，以及周期的確定； 4.機(jī)器人行走轉(zhuǎn)彎靈活自如，以及舵機(jī)的選擇； 5.運(yùn)動(dòng)學(xué)分析：建立合理得運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，從而對(duì)不同運(yùn)動(dòng)階段進(jìn)行分析。

16、.本設(shè)計(jì)采用的研究計(jì)算方法 本設(shè)計(jì)主要通過分析六足昆蟲的步態(tài)運(yùn)動(dòng)，結(jié)合高等代數(shù)、機(jī)械原理等相關(guān)知識(shí)以及利用互聯(lián)網(wǎng)資源對(duì)六足仿生機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行合理的分析與設(shè)計(jì)。 .技術(shù)路線 1.收集國(guó)內(nèi)外六足機(jī)器人的相關(guān)資料，分析并消化，總結(jié)出我們自己的方法； 2.六足仿生機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃，選擇合適的步態(tài)，并穩(wěn)定性分析，行走步態(tài)設(shè)計(jì)； 3.機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，繪制六足機(jī)器人的機(jī)構(gòu)原理圖；針對(duì)運(yùn)動(dòng)特征設(shè)計(jì)相應(yīng)機(jī)構(gòu)，改善運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)完成設(shè)計(jì)。 4.根據(jù)腿的二維平面設(shè)計(jì)示意圖進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，并用CATIA軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)行走仿真，動(dòng)態(tài)模擬分析。 研究手段 成果集成 研究結(jié)果 網(wǎng)上資料

17、查閱收集確定基本思路 步態(tài)分析 六足仿生機(jī)器人 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 查閱機(jī)械原理基礎(chǔ)知識(shí) 機(jī)器人機(jī)構(gòu)可行性分析 動(dòng)態(tài)模擬分析 第二章 六足仿生機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃 2.1步態(tài)分類 六足機(jī)器人要體現(xiàn)良好的地面適應(yīng)能力和行走靈活性，需要規(guī)劃合理，有效的行走步態(tài)。步態(tài)不僅是指步態(tài)機(jī)器人各條腿抬腿、放腿的順序，還包括機(jī)器人占空系數(shù)分析、足端軌跡的選擇等。一般是模仿動(dòng)物的行走姿態(tài)來(lái)研究機(jī)器人的步態(tài)。避免死鎖現(xiàn)象，保證機(jī)器人步行的連續(xù)性和全方位。 2.1.1 三角步態(tài) 交替三角步態(tài)也被稱為三角步態(tài)，六足綱是很多人熟知的一種步態(tài)，三角步態(tài)也可以稱之為最為快速最為有效的一種靜態(tài)穩(wěn)

18、定步態(tài)結(jié)構(gòu)，這種步態(tài)非常的方便和快捷，能最簡(jiǎn)單化的模擬出昆蟲的移動(dòng)方式和方法，而且速度迅速快捷。本文就這種步態(tài)方式進(jìn)行了簡(jiǎn)單的討論，得出了三角步態(tài)是最適合步行機(jī)器人直線的行走。 2.1.2跟導(dǎo)步態(tài) 很多人都是采用的三角步態(tài)，但是三角步態(tài)也是有局限性的，三角步態(tài)被應(yīng)用在平常不凸起的地面，在1974年sun提出的跟導(dǎo)步態(tài)，這個(gè)是跟導(dǎo)步態(tài)最原先的鼻祖，他是以后跟導(dǎo)步態(tài)的一個(gè)基礎(chǔ)，在為后人的研究中做出了很大的貢獻(xiàn)。 　　選擇前兩足的坐標(biāo)是跟導(dǎo)步態(tài)的重點(diǎn)，當(dāng)前足和中足的坐標(biāo)決定了一對(duì)中足和一對(duì)后足的下一步的坐標(biāo)點(diǎn)，這種方式控制簡(jiǎn)單，而且還有很好的穩(wěn)定性，當(dāng)然了一切的前提是在不平面的地面上行走時(shí)，我

19、們平時(shí)在平面上運(yùn)動(dòng)的概率相對(duì)來(lái)說(shuō)還是比他要大得多。 2.1.3交替步態(tài) 復(fù)雜地形的行走是很多研究所在的重要環(huán)境特征，如何充分發(fā)揮六足機(jī)器人的特點(diǎn)，交替步態(tài)（也被稱之為五角交替步態(tài)）這是很多研究院和研究機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)研究對(duì)象，這是一種單腿交替行走的步態(tài)。 抬升和前進(jìn)是五角步態(tài)的兩個(gè)重要的部分，相鄰的腿之間信號(hào)要順序傳遞，一個(gè)靠地，另一個(gè)抬起，當(dāng)這種狀態(tài)能夠持續(xù)的開始時(shí)，那么六足機(jī)器人就可以行走了。 但是你可以想象一下因?yàn)榈匦蔚脑?，那么各個(gè)腿到地面的時(shí)間不同，位置不同，這樣的話就不可以預(yù)測(cè)出他的時(shí)間和轉(zhuǎn)換的規(guī)律，所以對(duì)于凹凸不平的地面來(lái)講是不可用的，當(dāng)然了對(duì)于平整的地面來(lái)說(shuō)就都一樣了，時(shí)間規(guī)

20、律都是有了固定值，這可以在試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。 2.2步態(tài)規(guī)劃概述 昆蟲大多是采用的六足綱的原理來(lái)行走，可以看作兩個(gè)狀態(tài)，當(dāng)腿抬離地面的時(shí)候就叫作懸空相和當(dāng)腿接觸到地面推動(dòng)機(jī)體前行的時(shí)候就叫做支撐相，懸空時(shí)的狀態(tài)記作1，支撐時(shí)候狀態(tài)就記住0。一個(gè)腿運(yùn)動(dòng)完一個(gè)完整的周期循環(huán)所需要的時(shí)間就叫作一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期。腿的運(yùn)動(dòng)周期相同，當(dāng)周期變換的時(shí)候，腿就不同運(yùn)動(dòng)。有荷因素的定義為整個(gè)循環(huán)的運(yùn)動(dòng)周期中腿在地面的時(shí)間比例： (2-1) 如果i為1、2、，，，，2k（2k為總的足數(shù)）也就是為偶數(shù)的時(shí)候，這種步態(tài)就稱之為規(guī)則步態(tài)。 步距：指的是一個(gè)完整的腿循環(huán)中機(jī)身重心的移動(dòng)的位置。 平均速度：指

21、的是機(jī)身的平均運(yùn)動(dòng)的速度。 所以由此可以看出行程，步距，和有荷因數(shù)三者之間的關(guān)系為。根據(jù)上述所說(shuō)的，有荷因數(shù)大小可以分為3種情況， （1）當(dāng)時(shí)；在一組腿著地時(shí)候處于支撐相時(shí)，另外的三條腿立刻抬起處于懸空相，使他能在任意時(shí)刻同時(shí)具備支撐相和擺動(dòng)相，保證在任意時(shí)刻都有三條腿支承地面，三條腿擺起，這就是三角步態(tài)所處的時(shí)刻。 （2）當(dāng)時(shí)；機(jī)身的前行移動(dòng)慢的時(shí)候，當(dāng)擺動(dòng)相和支撐相有很少的時(shí)間重疊過程，也就是說(shuō)六條腿同時(shí)著地的時(shí)候，在這種情況下，步行機(jī)器人穩(wěn)定性更高，但是行走速度就相對(duì)降低。 （3）當(dāng)時(shí)；機(jī)身運(yùn)動(dòng)相對(duì)很快時(shí)候，六條腿同時(shí)在飛躍在空中時(shí)，各個(gè)腳都是處于懸空相時(shí)候，在這種結(jié)構(gòu)中，機(jī)器人

22、騰空這要求機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)有很好的彈性和吸振性。 三角步態(tài)（也或者稱之為交替三角步態(tài)或者“3＋3”步態(tài)），這是運(yùn)動(dòng)是六條腿成為兩組三角步態(tài)交替支撐前進(jìn)邁步，一般來(lái)說(shuō)像(螞蟻，蟑螂）步行的時(shí)候都不是六條腿同時(shí)直線前進(jìn)的，而是把兩邊分為兩組以三角形支架的形式交替前行的，身體一邊的前后足和另一邊的中足組成一對(duì)三角架，穩(wěn)定身體的狀態(tài)，兩組腳在一邊抬起時(shí)，另一邊的三角腳架不動(dòng)，使身體的重量都集中在不動(dòng)的三角架上，當(dāng)前面的腿上的肌肉收縮時(shí)候，也就是舵機(jī)動(dòng)作，把腳部的力矩傳遞個(gè)機(jī)身，使機(jī)身的重心移動(dòng)，當(dāng)然了機(jī)身的重心的投影在三角架內(nèi)部。就是通過重心的轉(zhuǎn)移來(lái)使機(jī)身移動(dòng)，然后再重復(fù)上一組的動(dòng)作，相互互換周而復(fù)

23、始，這種方式是很便捷的，因?yàn)橹匦囊恢痹趦蓪?duì)三角架的重心位置，使其能更穩(wěn)定的行走，這充分的體現(xiàn)了三角步態(tài)的行走方式，但是這不是直線，我們可以理解為一種類似呈鋸齒形的曲線前進(jìn)方式。 自然界的昆蟲一般都是用的三角步態(tài)來(lái)達(dá)到疾走的目的，如下圖說(shuō)的一般來(lái)講三個(gè)A為一組腿，三個(gè)B為一組腿，每三個(gè)構(gòu)成一個(gè)三角形，當(dāng)其中一組處于支撐相的時(shí)候，另一組要迅速的處于懸空相，這兩者之間是交替互換的，前足固定產(chǎn)生摩擦力帶動(dòng)重心移動(dòng)，后足有轉(zhuǎn)變方向的作用，他們是交替支撐身體的，所以總的來(lái)說(shuō)三角步態(tài)還是相當(dāng)穩(wěn)定的步態(tài)，相比較其他的方式有很大的優(yōu)越點(diǎn)，下面用圖來(lái)簡(jiǎn)單表示下： 1、仿生六組機(jī)器人六條腿都在地面上也就是處于支

24、撐相，看到機(jī)器人的重心在C1的地方，B組的支撐機(jī)身重量，A腿擺動(dòng)。 2、仿生六足機(jī)器人再次同時(shí)在地面上，發(fā)現(xiàn)重心到了C2的位置，Ａ、Ｂ組都支撐機(jī)身體重，機(jī)身向前移動(dòng)了Ｌ長(zhǎng)度。 3、仿生六足機(jī)器人Ａ組靠地面時(shí)候，Ｂ組開始動(dòng)作，重心仍然不變，所有的狀態(tài)回到初始，這就是一個(gè)周期，運(yùn)動(dòng)起來(lái)這就是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的過程。 圖2-1 機(jī)器人步態(tài)規(guī)律圖 2.3六足仿生機(jī)器人的坐標(biāo)含義 六足仿生機(jī)器人的簡(jiǎn)圖以下圖是X0Y與機(jī)身平行，Z軸與機(jī)身相互垂直，機(jī)身的質(zhì)心在坐標(biāo)原點(diǎn)上。 腿的順序定義如圖所示，定義腿間距為n，機(jī)身的體寬為1m。A1、A2、A3、B1、B2、B3、分別是腿的站立點(diǎn)，A11，A21

25、、A31、B11、B21、B31、分別是腿與髖關(guān)節(jié)的連接處。 圖2-2 機(jī)器人的坐標(biāo)定義 六足仿生機(jī)器人腿機(jī)械圖如下圖所示：X軸投影定義的腿長(zhǎng)為L(zhǎng)，腿的高度為H，大腿與小腿之間角度為，髖關(guān)節(jié)在Z軸旋轉(zhuǎn)角度為，髖關(guān)節(jié)在Y軸旋轉(zhuǎn)角度為。 圖2-3 腿變化示意圖 圖2-4 髖關(guān)節(jié)在XOY平面旋轉(zhuǎn)示意圖 由上面的兩幅圖可以看出，六足仿生機(jī)器人髖關(guān)節(jié)的電機(jī)向上旋轉(zhuǎn)了角度的時(shí)候，其中一條腿在Z軸方向提升高度，六足步行機(jī)器人腿部Z方向提升高度可以通過圖計(jì)算如圖: 根據(jù)圖中所示，得到計(jì)算的表達(dá)式子： （2-2） （2-3） 所以可以確定的是髖關(guān)節(jié)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度時(shí)候與立足的位置點(diǎn)Ai在Z軸

26、的方向上提升高度的函數(shù)關(guān)系。 由圖2-5可見六足仿生機(jī)器人髖關(guān)節(jié)電機(jī)向著前面轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候立足位置點(diǎn)Ai在Y軸的方向上前進(jìn)了半步長(zhǎng)為S/2，六足仿生機(jī)器人腿部Y方向前進(jìn)的步長(zhǎng)計(jì)算如下： 圖2-5 腿在Y方向上前進(jìn)的示意圖 所以說(shuō)可以得出來(lái)S/2=Lsin，由表達(dá)可以確定髖關(guān)節(jié)電機(jī)向前轉(zhuǎn)動(dòng)角度的時(shí)候，立足位置點(diǎn)Ai在Y方向的前進(jìn)的步長(zhǎng)為一半S/2的相確定的關(guān)系。當(dāng)較小的時(shí)候，可以設(shè)旋轉(zhuǎn)角度后腿在X軸上的投影長(zhǎng)度近視為L(zhǎng)。 2.4 三角步態(tài)的穩(wěn)定性分析 2.4.1 穩(wěn)定性分析 步行機(jī)器人任一時(shí)刻的，如2-6圖所示： 六足仿生機(jī)器人的兩足腿Ai、Bi及質(zhì)心O在地面坐標(biāo)系XOY平面內(nèi)投影為

27、點(diǎn)、、落在三角架支撐腿所構(gòu)成陰影內(nèi)，當(dāng)然了這樣的話機(jī)器人的穩(wěn)定性就可以得到很好的保證，選擇合適的轉(zhuǎn)角和跨步可以保證重心的位置在我們需要的區(qū)域范圍之內(nèi)。 圖2-6 機(jī)器人重心位置圖 2.4.2穩(wěn)定裕量的計(jì)算 在一般時(shí)候，任一時(shí)刻，機(jī)器人以交替三角步態(tài)行走的時(shí)候，其B組支撐腿的著地的位置點(diǎn)，機(jī)器人的重心在XOY平面的投影如圖所示；當(dāng)然了重心的投影與XOY平面坐標(biāo)原點(diǎn)重合。 圖2-7 重心在XOY面投影圖 圖中，設(shè)B1、B2、B3、的在XOY平面坐標(biāo)為：B1（x1，y1）、B2（x2，y2）、B（x3，y3），OM、ON、OP、為原點(diǎn)到直線B1B2、B2B3、B3B1的垂線，設(shè)d1=|

28、OM|.d2=|ON| D3=|OP|，所以d1，d2，d3，分別為機(jī)器人重心投影到支撐架的三角形各邊的相對(duì)距離，直線B1B2方程為： Y=(Y1-Y2)/(X1-X2)(X-X1)+Y1(2-4) 而其垂線OM的方程為： Y=(Y1+Y2)/(X1+X2)X1(2-5) 有上面的兩個(gè)可以得到兩個(gè)直線的坐標(biāo)為： Xm=(Y2-Y1)(X1Y2-Y1X2)/(X1-X2)2-(Y1-Y2)2 Ym=(X2-X1)(X1Y2-Y1X2)/(X1-X2)2-(Y1-Y2)2 由上面的坐標(biāo)（Xm，Ym），可以計(jì)算得出來(lái)他的距離d： d=OM=xm2+ym2（2-6） 同樣的道理，也

29、可以求得d2=|ON|，d3=|OP|. 六足仿生機(jī)器人以三角步態(tài)行走的時(shí)候，我們對(duì)其穩(wěn)定裕量取為最小值： d=mind1，d2，d3 ，穩(wěn)定裕量越小說(shuō)明越穩(wěn)定。 2.5三角步態(tài)行走步態(tài)設(shè)計(jì) 2.5.1直線行走步態(tài)規(guī)劃 三角步態(tài)直線行走步態(tài)就是兩組腿之間交替的互換前進(jìn)。如圖所示規(guī)劃他在一個(gè)步態(tài)周期的步行。采用“3+3”直線行走步態(tài)規(guī)劃。 三角步態(tài)規(guī)劃圖如圖2-8 “3+3”直線行走步態(tài)的擺腿順序分為A組和B組，兩組在步行效果上是一致的。 階段1：機(jī)器人六腿都著地，機(jī)身前移，重心移至C1，如圖（a）所示 階段2：A組腿做擺動(dòng)腿，擺起；B組腿做支承腿；重心繼續(xù)前移，如圖（b）所

30、示 階段3：機(jī)器人六條腿著地，坐姿勢(shì)調(diào)整，重心前移； 階段4：B組腿做擺動(dòng)腿，擺起；A組腿做支撐腿，重心繼續(xù)前移，完成一個(gè)步態(tài)周期如圖（e）所示 圖2-8 直行狀態(tài)步態(tài)圖 2.5.2轉(zhuǎn)彎步態(tài)分析 我們都是一般采用以一個(gè)中足為中心，再原地轉(zhuǎn)彎從而達(dá)到轉(zhuǎn)彎的目的，如下圖所示： 圖2-9 轉(zhuǎn)彎步態(tài)圖 當(dāng)圖中的B點(diǎn)不動(dòng)作為支撐重點(diǎn)的時(shí)候： （1）當(dāng)B1、B2、B3各個(gè)腿都抬起，然后B1、B3腿再擺動(dòng)，B2腿不動(dòng)的時(shí)候，機(jī)身靠三腳架A1，A2，A3支撐起他的重量。 （2）B1，B2，B3腿落地支撐機(jī)身重量，同時(shí)A1，A2，A3，腿不動(dòng)。B1，B2腿向后擺動(dòng)。在轉(zhuǎn)彎的過程中，A1、A3

31、、B1、B3只是做上下運(yùn)動(dòng)。 2.6六足機(jī)器人的步長(zhǎng)設(shè)計(jì) 六足機(jī)器人腿的初始姿態(tài)如圖2-10（a）的實(shí)線所示，這時(shí)設(shè)根關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)的角度分別為。于是有： （2-7） 其中l(wèi)1、l2、l3分別基節(jié)、股節(jié)、脛節(jié)的的長(zhǎng)度，L0、H0分別是初始姿態(tài)時(shí)機(jī)器人腿的伸展量和機(jī)體的重心高度。 機(jī)器人最大伸展量如圖3-4中的虛線所示，可有： （2-8） 圖2-10(b)是機(jī)器人某只腿在向前邁進(jìn)時(shí)在水平面的投影，由圖可以求得機(jī)器人的允許的最大步長(zhǎng)的大小。 （2-9） (a)圖2-10 (b

32、) 2.7六足機(jī)器人著地點(diǎn)的優(yōu)化 為了保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，兩組腿能更加的靈活和穩(wěn)定，我們就要求三腳架所在的范圍盡可能的面積最大化，下圖中多邊形defgij的面積最大。這樣，只要機(jī)器人的重心在重疊區(qū)域內(nèi)，機(jī)器人可以選擇任意一組腿擺動(dòng)。重合面積越大，機(jī)器人的重心的活動(dòng)范圍越大。 為了分析方便，兩個(gè)全等的等腰三角形；h為三角形在x軸上高；的斜率k，AB的斜率為(-k)；點(diǎn)到線AC的距離或點(diǎn)B到線的距離為a；點(diǎn)到點(diǎn)B在y軸方向上的距離為b。 由于多邊形defgij具有對(duì)稱性，要求其的面積最大，只需求四邊形edji的面積最大。 易求得直線的表達(dá)式： （2-10） 直線AB的表達(dá)式：

33、（2-11） 根據(jù)式（4）和式（5）可求出點(diǎn)e、d、j、i的坐標(biāo)值： （2-12） 求出四邊形edji的面積，并求出最大值，當(dāng)a=h/3時(shí)，四邊形edji的面積會(huì)變?yōu)樽畲? （2-13） 由式（2-13）可看出，為了提高兩三角形的重合度，可增大側(cè)面兩個(gè)角（∠B和∠）的大小，和橫向的寬度（h的值），但增量要適當(dāng)，否則可能增大機(jī)器人的重量或者導(dǎo)致各個(gè)方向的穩(wěn)定裕度相差懸殊。從式（2-13）還可以看出，步行機(jī)器人的步長(zhǎng)（b的值）越大，兩三角形的重疊面積越小，因此，為了提高六足機(jī)器人的穩(wěn)定性，保持它的靈活性，可適當(dāng)減小步長(zhǎng)。 第三章 六足機(jī)器人的機(jī)構(gòu)分析 3.1四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

34、機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中，腿部的四連桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用了契貝謝夫直線四桿機(jī)構(gòu)。在前期時(shí)參考了不少有關(guān)腿部機(jī)構(gòu)的資料，這個(gè)機(jī)構(gòu)的選擇很重要，主要原因如下： （1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)決定了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜度，機(jī)構(gòu)越復(fù)雜，涉及到的工作和配合越多，制作的精度就不容易保證。 （2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)系到運(yùn)動(dòng)的最終狀態(tài)，決定運(yùn)行的姿態(tài)。 （3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)最終保證整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。 3.1.1理論根據(jù)與機(jī)構(gòu)選擇 圖3-1契貝謝夫直線機(jī)構(gòu)圖3-2二重平行四邊形機(jī)構(gòu) 步行機(jī)構(gòu)對(duì)于設(shè)計(jì)機(jī)器人是極為重要的，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)上面的原則及實(shí)際三維建模進(jìn)行選擇，并且根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行了設(shè)計(jì)，上面圖示為六足機(jī)器人一條腿的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。 圖3-1所

35、示為實(shí)現(xiàn)步行基本動(dòng)作的契貝謝夫直線機(jī)構(gòu)，主動(dòng)桿OB轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)桿端點(diǎn)D端畫出包括一段直線的閉合軌跡。這并不是一種實(shí)際可行的步行機(jī)構(gòu)，并不能實(shí)現(xiàn)需要的運(yùn)動(dòng)，只是表明了一組軌跡，它能夠?qū)崿F(xiàn)腿的抬起、落下及一段直線運(yùn)動(dòng)。它是一個(gè)基礎(chǔ)，雖然不能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，但卻是我們選擇這種步行機(jī)構(gòu)的起源，促使尋找確定可行的方案。主要是參考了鶴式起重機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)和挖土機(jī)的臂部結(jié)構(gòu)。 圖3-2為使足部桿DE與機(jī)體始終保持垂直狀態(tài)的二重平行四邊形機(jī)構(gòu)，這是一種比較理想的選擇。主要原因： （1）可以毫無(wú)限制的提高腿的尺寸，從而整個(gè)身體能站的比較高； （2）不會(huì)因腿部放大而放大整個(gè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)。 不過設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)垂直機(jī)構(gòu)雖然

36、足端軌跡好，但受力不好，走動(dòng)過程中會(huì)發(fā)生偏移，兩組平行四邊形機(jī)構(gòu)并不好實(shí)現(xiàn)。 圖3-3改進(jìn)的四桿機(jī)構(gòu) 圖3-3為改進(jìn)的契貝謝夫直線四桿機(jī)構(gòu)，該步行機(jī)構(gòu)用于六足機(jī)器人中，每三個(gè)足一組，著地時(shí)間為1/2個(gè)周期。如圖所示π/2—3π/2的直線段為足著地時(shí)的軌跡，3π/2—0—π/2為足跨步時(shí)的軌跡。 圖3-4 步行腿機(jī)構(gòu)原理圖 為了使D點(diǎn)的軌跡平行與地面上的E點(diǎn)，本機(jī)構(gòu)采用另一個(gè)反向?qū)ΨQ的契貝謝夫機(jī)構(gòu)，相位差為180°，如圖中的點(diǎn)。 該機(jī)構(gòu)上點(diǎn)的軌跡與原機(jī)構(gòu)上D點(diǎn)的軌跡完全相同，但移過△s的距離，故連線恒與相平行。用的中垂線上的點(diǎn)作足尖，其軌跡必于D、的軌跡相同，適于作六足機(jī)器人的步行機(jī)構(gòu)

37、。該機(jī)構(gòu)在行進(jìn)中機(jī)體基本上是水平移動(dòng)。一條腿用二個(gè)主動(dòng)構(gòu)件，不僅可以提高效率，而且易于控制軟件的開發(fā)。若采用雙重平行四邊形機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)足端與地面的垂直,在有限的空間安排太多的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)比較困難如圖3-2所示，反平行四邊形機(jī)構(gòu)不僅復(fù)雜而且空間結(jié)構(gòu)布置緊湊。如圖3-5所示 圖3-5 步行腿側(cè)視圖 為了解決該問題我們采用如圖3-6所示的方案，機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)前行時(shí)，必須得解決抬腿與擺腿兩個(gè)動(dòng)作因此我們采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其抬腿動(dòng)作，在小腿上面安裝一個(gè)舵機(jī)使其實(shí)現(xiàn)向前擺動(dòng)的。該機(jī)構(gòu)不僅解決機(jī)構(gòu)空間布置的難題而且還是機(jī)器人的轉(zhuǎn)向更加靈敏。 圖3-6 步行腿機(jī)構(gòu)圖 3.2設(shè)計(jì)參數(shù) （1）連桿尺寸LAO

38、= 26.6mm,LCD= 76mm,LBC=76mm,LAD=152mm, LBO= 60.8mm， 連桿各個(gè)部分符合契貝謝夫直線機(jī)構(gòu) 圖3-7 步行腿機(jī)構(gòu)原理圖 滿足CB = CA = CD CA:OB:OA = 1:0.78:0.35 （2）估算機(jī)身高度設(shè)置為H=170,LDE=162mm,在正前方運(yùn)行時(shí)，前腿和后腿之間不會(huì)發(fā)生相互干涉，為了保證兩足之間有足夠的距離，則兩伸出臂的距離為170mm.如圖3-7所示 （3）電機(jī)軸與連桿的動(dòng)力輸入軸能夠緊密配合在材料的選擇上。桿用的是５mm的鋁板，膠木板寬度均是８mm，這樣可以盡量減輕機(jī)構(gòu)的重量。舵機(jī)機(jī)輸出軸配合孔采用線切

39、割加工，可以保證緊密配合。 3.3步行腿機(jī)構(gòu)系統(tǒng) 六足機(jī)器人兩側(cè)的步行腿系統(tǒng)均相同，行走時(shí)一側(cè)一條腿與另一側(cè)的前后兩條腿運(yùn)動(dòng)步態(tài)一致，每次均有三條腿同時(shí)著地，構(gòu)成三角形結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定機(jī)身。該六足機(jī)器人通過曲柄搖桿機(jī)構(gòu)將電機(jī)驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)換為步行腿向上的擺動(dòng)，在小腿上安裝有壓力傳感器，并在小腿上安裝有舵機(jī)，舵機(jī)接受壓力傳感器傳來(lái)的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)工作，使小腿開始擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前行。 圖3-8 步行腿行走原理圖 六足機(jī)器人在直線行走過程中需要左拐時(shí)，關(guān)閉機(jī)體左側(cè)電機(jī)電源開關(guān)，接通右側(cè)電機(jī)。左側(cè)電機(jī)停止驅(qū)動(dòng)，使左側(cè)步行腿停止擺腿運(yùn)動(dòng)，而右側(cè)的電機(jī)繼續(xù)驅(qū)動(dòng)右側(cè)步行腿擺動(dòng)，并以左側(cè)停止擺動(dòng)的步行腿為支點(diǎn)實(shí)

40、現(xiàn)向左轉(zhuǎn)彎功能。同理，關(guān)閉右側(cè)電機(jī)，接通左側(cè)電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)向右轉(zhuǎn)彎功能。 當(dāng)兩側(cè)一舵機(jī)正轉(zhuǎn)，另一個(gè)反轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)體兩側(cè)對(duì)應(yīng)的步行腿做相逆的旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)體原地轉(zhuǎn)彎掉頭的功能。 3.4 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)原理 3.4.1驅(qū)動(dòng)原理 仿生六足機(jī)器人利用的是電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的方法，舵機(jī)是經(jīng)常選用的驅(qū)動(dòng)器，它選用的是微型直流角位移伺服電動(dòng)機(jī)。直流電機(jī)，減速齒輪，電位計(jì)以及控制電路是舵機(jī)的重要組成部分，驅(qū)動(dòng)信號(hào)利用的是脈沖，轉(zhuǎn)角和其寬度之間是線性關(guān)系，為了使電機(jī)能向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)就要保持舵機(jī)的初始位置時(shí)候?yàn)?0度，這樣就可以控制腿部的前進(jìn)和后退。 3.4.2 舵機(jī)控制方法 電源線、地線、控制線是標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)的三個(gè)

41、重要組成部分。 輸出轉(zhuǎn)軸 電源線Vcc 地線GND 控制線 圖3-10 舵機(jī)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu) 舵機(jī)內(nèi)部的電機(jī)與線路靠電源線和地線維持，電壓的大小大約為5V，當(dāng)輸入可調(diào)的周期性信號(hào)（方波脈沖）是，舵機(jī)的轉(zhuǎn)角就會(huì)和信號(hào)相關(guān)聯(lián)，同時(shí)變大變小。 舵機(jī)需要一個(gè)可調(diào)寬度的方波信號(hào)，這也是舵機(jī)的控制信號(hào)，可以以此來(lái)控制舵機(jī)。（當(dāng)然隨著FPGA成本高，模擬電路，實(shí)現(xiàn)電路復(fù)雜，不適合輸出）舵機(jī)的控制器常常都用單片機(jī)。這里主要對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，單片機(jī)電子部分就暫不過多研究了。 3.5六足機(jī)器人主體設(shè)計(jì) 用三維軟件CATIA畫出總設(shè)計(jì)圖如下: 機(jī)身 通過大多數(shù)的昆蟲的外形觀察，可以發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的生物

42、機(jī)體大小類似于一個(gè)橢圓，通過查閱一些資料可以發(fā)現(xiàn)采用近似菱形的機(jī)體的多足機(jī)器人可以減少腿部之間的碰撞，另一方面還使機(jī)體更加的穩(wěn)定，因此仿生六足機(jī)器人機(jī)體采用六邊形框架結(jié)構(gòu)，機(jī)體的材料選擇鋁合金以減輕機(jī)器人重量。如圖3-11所示 圖3-11 機(jī)身 腿部的設(shè)計(jì) 腿部結(jié)構(gòu)是機(jī)器人身體里主要的部分，根據(jù)仿生學(xué)的知識(shí)，自然界的昆蟲的腿部結(jié)構(gòu)大致為：基節(jié)，股節(jié)，脛節(jié)，三個(gè)部分，而圍繞著跟關(guān)節(jié)，髖關(guān)節(jié)，和膝關(guān)節(jié)，還有踝關(guān)節(jié)和腳。本文采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其直線行走和轉(zhuǎn)彎功能的。三角架交替的變換使機(jī)身能向前運(yùn)動(dòng)，他們每組都支撐機(jī)體的重量，并在負(fù)重的狀態(tài)下使機(jī)體的前行，所以適應(yīng)的剛性和承載能力是非常重要的。

43、所以對(duì)承載能力有著限制。 足 機(jī)器人的足部要安裝壓力傳感器，所以腳步結(jié)構(gòu)需要突起的一部分， 因?yàn)橹虚g需要放置傳感器所以需要突起一部分來(lái)使得壓力傳感器能更好的傳遞壓力信息，具體的零件尺寸看其cad圖紙。當(dāng)然了在腳的中間要挖了一塊來(lái)放傳感器，能更好的傳遞外界的壓力，反應(yīng)環(huán)境的特點(diǎn)。如圖3-12所示： 圖3-12 足 基本的尺寸如圖3-13所示： 圖3-13 足的尺寸圖 腳通過直徑為4的螺釘螺母來(lái)連接小腿。 小腿 為了簡(jiǎn)化舵機(jī)架在小腿的作用所以把舵機(jī)架簡(jiǎn)化到小腿上去，小腿的作用一方面來(lái)連接腳，另一個(gè)就是來(lái)安裝固定住膝蓋部分的舵機(jī)，從而使其更好的轉(zhuǎn)動(dòng)，小腿的基本尺寸如圖3-14所示

44、 圖3-14小腿 圖3-15 小腿尺寸圖 為了減輕他的重量所以采用鋁合金制作，和舵機(jī)相連接部分是采用螺栓連接。 3.5.5大腿 大腿部分的作用是作為連接小腿和機(jī)身兩者之間的關(guān)鍵點(diǎn)，他們兩兩之間是通過舵盤和螺釘連接，當(dāng)跟關(guān)節(jié)的舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，（從機(jī)身舵機(jī)角度看過去），舵機(jī)帶動(dòng)大腿的轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)小腿和足的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)足落地后，接觸到地面，產(chǎn)生了力，然后力矩通過小腿到大腿向上傳遞，傳遞上去的扭矩使機(jī)器人的軀體運(yùn)動(dòng)。大腿的設(shè)計(jì)圖主要如下圖3-16：通過兩段弧連接兩個(gè)圓使其成為大腿。兩個(gè)圓的直徑為M24，圓上打上4個(gè)螺紋孔來(lái)連接舵機(jī)機(jī)構(gòu)。 圖3-16 大腿圖3-17 大腿尺寸腿 第四章 總結(jié)

45、4.1.設(shè)計(jì)小結(jié) 通過這次機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用了機(jī)械原理及其他課程的理論知識(shí)。將理論與實(shí)際結(jié)合在了一起，培養(yǎng)了我們團(tuán)隊(duì)合作以及解決機(jī)械工程有關(guān)的實(shí)際問題，最重要的是讓我們從所學(xué)專業(yè)中找到了樂趣。在本次機(jī)械原理的課程設(shè)計(jì)訓(xùn)練中鞏固學(xué)習(xí)了機(jī)械原理設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、CAD二維制圖軟件和CATIA三維軟件，也學(xué)會(huì)了怎樣從前人設(shè)計(jì)中取得經(jīng)驗(yàn)以及處理數(shù)據(jù)的能力。 4.2設(shè)計(jì)感受 在機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)過程中，我們通過對(duì)已有文獻(xiàn)的查閱結(jié)合我們自己所學(xué)的專業(yè)知識(shí)。將理論和實(shí)踐完美的結(jié)合在了一起，使我們更深刻的理解了我們的專業(yè)知識(shí)。從中學(xué)到了很多知識(shí)，并認(rèn)識(shí)到團(tuán)隊(duì)協(xié)作的重要性。在設(shè)計(jì)過程中我們遇到了很多困難和挫

46、折但經(jīng)過努力以及我們不畏困難，不拋棄，不抱怨等都是我們學(xué)到的精神品質(zhì)。 通過這次設(shè)計(jì)我們認(rèn)識(shí)到，機(jī)械是精準(zhǔn)、系統(tǒng)、經(jīng)驗(yàn)化的學(xué)科，對(duì)于問題不能粗略的概括和認(rèn)識(shí)，容不得半點(diǎn)偏差。面對(duì)茫然不知所措的問題時(shí)要冷靜，耐心對(duì)待。再設(shè)計(jì)過程中我們不斷領(lǐng)悟機(jī)械學(xué)科及行業(yè)精髓，對(duì)所學(xué)專業(yè)有了濃厚的興趣，激發(fā)了我們的學(xué)習(xí)熱情當(dāng)然讓我們對(duì)將來(lái)的職業(yè)也充滿了希望。在設(shè)計(jì)過程中培養(yǎng)了我們的自學(xué)能力，這是我們步入社會(huì)所必備的素質(zhì)。 現(xiàn)實(shí)企業(yè)中越來(lái)越強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)協(xié)作，這次設(shè)計(jì)是我們小組在老師指導(dǎo)下共同努力的結(jié)果，沒有良好的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能了我們是不可能完成本次機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)的。這種團(tuán)隊(duì)意識(shí)使我們步入社會(huì)必備的技能，這對(duì)我們即將

47、步入社會(huì)的大學(xué)生有著重大意義。 4.3課程設(shè)計(jì)見解 機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)，對(duì)于我們將要上更多專業(yè)課程的學(xué)生有著積極的意義，讓我們更近的理解本專業(yè)的特點(diǎn)。所以我希望我們能有相對(duì)更充足的時(shí)間，先在老師的指導(dǎo)下自學(xué)相關(guān)理論文獻(xiàn)，鍛煉我們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)的學(xué)習(xí)能力。這樣我們就可以更加完美的完成我們的課程設(shè)計(jì)，得到的體會(huì)或許更多。 參考文獻(xiàn) [1]陳國(guó)定，機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013. [2]柳天虹，姜樹海，仿生六足機(jī)器人穩(wěn)定性分析與仿真［J］，計(jì)算機(jī)仿真，2013-12第30卷，第12期. [3]張春林編，機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)［M］，機(jī)械工業(yè)出版社，2007. [4]陳學(xué)東 孫翊 賈

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49、 [11]孫恒 陳作模 葛文杰主編，機(jī)械原理［M］，北京高等教育出版社，2013. 謝辭 經(jīng)過近若干星期的忙碌和學(xué)習(xí)，本次的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課題已經(jīng)順利完成。作為一個(gè)機(jī)械行業(yè)的初學(xué)者，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，以及知識(shí)的片面，難免有許多考慮不周的地方，如果沒有王老師的督促和指導(dǎo)，以及同小組成員的支持，想要完成此次設(shè)計(jì)的困難將會(huì)是難以想象的。本次機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)是在王老師的悉心指導(dǎo)下完成的。我們從里王老師這里學(xué)到了很多，學(xué)到了對(duì)待問題應(yīng)保持的態(tài)度，思考問題要全面，思路要開闊不能拘泥于陳舊的知識(shí)，要實(shí)時(shí)更新我們的知識(shí)認(rèn)知，保持一顆火熱求知的心，這些都是我們將來(lái)會(huì)受益終生的。 承蒙王老師的親切關(guān)懷和精心指導(dǎo)，雖然有繁忙的工作，但仍抽出時(shí)間給予我們學(xué)術(shù)上的指導(dǎo)和幫助，特別是給我們提供了許多參考資料，使我們小組的全體成員從中受益非淺。王老師對(duì)學(xué)生認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究方法、敏銳的學(xué)術(shù)洞察力、勤勉的工作作風(fēng)以及勇于創(chuàng)新、勇于開拓的精神是我們學(xué)習(xí)機(jī)械的學(xué)生永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣。 在此，謹(jǐn)向王老師致以深深的敬意和由衷的感謝！