仿生機(jī)械馬的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、仿生機(jī)械馬的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)0 引言當(dāng)前，由索尼公司研制的“愛寶”機(jī)器狗是當(dāng)今四足步行機(jī)器人中最典型的代表，也是最受廣泛關(guān)注的機(jī)器人。但是，眾所周知，愛寶機(jī)器狗的售價(jià)相當(dāng)高，不是一般的消費(fèi)群體所能接受的。例如，索尼公司在2003 推出的AIBO 機(jī)器狗ERS-7，售價(jià)就高達(dá) 日元，合人民幣12820 元。索尼中鳴15 自由度機(jī)器狗具有15 個(gè)自由度，即有15 個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其中四條腿，每條都有3 個(gè)伺服電機(jī)，很多都是在關(guān)節(jié)處采用齒輪和電機(jī)驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致步行時(shí)能量耗費(fèi)很大，機(jī)器人的大部分能量并沒有完全為步行運(yùn)動(dòng)做功，而是轉(zhuǎn)換為熱能損耗了。為此，本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是用直流電機(jī)通過對傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的配合驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)

2、四足步行機(jī)器人前進(jìn)，后退和左右轉(zhuǎn)彎等功能，達(dá)到結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，功能可靠的目標(biāo)。1 方案選擇仿生機(jī)械馬的機(jī)械部分是機(jī)械馬所有控制及運(yùn)動(dòng)的載體，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)直接決定了機(jī)器馬的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。其中，腿部結(jié)構(gòu)形式是仿生機(jī)械馬機(jī)械結(jié)構(gòu)中重要的組成部分，也是機(jī)械設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。因此，仿生機(jī)械馬機(jī)構(gòu)的分析主要集中在步行機(jī)構(gòu)的分析上。步行機(jī)構(gòu)不能太復(fù)雜，桿件過多的步行機(jī)構(gòu)形式會(huì)引起結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)的實(shí)現(xiàn)困難，對腿部機(jī)構(gòu)的基本要求有以下的方面：實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)要求；具有一定的承載能力；方便控制。1.1 方案的比較如上二種方案所示，均為凸輪驅(qū)動(dòng)。只是二種方案的連桿機(jī)構(gòu)不同。方案一，為平面四桿機(jī)構(gòu)，凸輪驅(qū)動(dòng)豎直方向的連桿，實(shí)

3、現(xiàn)小腿的抬升和著地；凸輪驅(qū)動(dòng)水平方向的連桿，實(shí)現(xiàn)小腿的前跨和后收。該平面四桿機(jī)構(gòu)具有縮放性，它可以將凸輪較小的豎直和水平方向的距離差轉(zhuǎn)化為較大距離的小腿運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)械馬的前進(jìn)和后退，結(jié)構(gòu)緊湊，功能穩(wěn)定；方案二，為空間四桿機(jī)構(gòu)，有二處為球鉸接，可以較方便的實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器馬的轉(zhuǎn)向功能。在該機(jī)構(gòu)中，凸輪分別驅(qū)動(dòng)兩豎直方向的連桿，較形像地模仿人的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)小腿的前后運(yùn)動(dòng)。1.2 方案選定對于步行機(jī)構(gòu)，本課題設(shè)計(jì)選取第一種方案。平面四桿機(jī)構(gòu)縮放系數(shù)比K 較易確定，結(jié)構(gòu)緊湊，而空間四桿機(jī)構(gòu)要確定小腿的運(yùn)動(dòng)軌跡需用相關(guān)分析軟件，在課題后期此方案可以考慮。仿生機(jī)械馬的機(jī)體選取平行四邊形模

4、型，該模型可以很方便地解決機(jī)械馬在行進(jìn)過程中產(chǎn)生的機(jī)架之間的角度變化問題，有效地防止機(jī)架之間的干涉。并且，關(guān)鍵的一點(diǎn)在于，四足行走機(jī)器人在行走時(shí)，機(jī)體首先要保證靜態(tài)穩(wěn)定，其運(yùn)動(dòng)的任一時(shí)刻至少應(yīng)有三條腿與地面接觸支撐機(jī)體，且機(jī)體的中心必須落在三足支撐點(diǎn)構(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)。平行四邊形模型可以很靈活地調(diào)節(jié)機(jī)械馬在行進(jìn)過程中的機(jī)身重心，保證機(jī)體重心落在三足支撐點(diǎn)構(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)。2 仿生機(jī)械馬步行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析2.1 機(jī)械馬運(yùn)動(dòng)步態(tài)步態(tài)規(guī)劃是機(jī)器人穩(wěn)定步行的關(guān)鍵之一，機(jī)器人要達(dá)到穩(wěn)定行走的目的，要滿足幾個(gè)條件：1步行穩(wěn)定，協(xié)調(diào)；無左右搖晃和前后沖擊。2機(jī)體和關(guān)節(jié)間沒有較大的沖擊，特別是擺動(dòng)腿著地時(shí)，與

5、地面接觸為軟著陸。3擺動(dòng)腿跨步迅速，腿部運(yùn)動(dòng)軌跡圓滑，關(guān)節(jié)速度與加速度軌跡沒有畸點(diǎn)。真正使機(jī)器人保持三條腿著地的步態(tài)只有六種，其順序如表2.1 所示：穩(wěn)定裕量：步行機(jī)器人的重心在足支撐平面上的垂直投影點(diǎn)到各足支撐點(diǎn)構(gòu)成的多邊形各邊的最短距離d，它是衡量步行機(jī)器人在行走時(shí)的靜態(tài)穩(wěn)定度。機(jī)器人靜態(tài)穩(wěn)定的充分必要條件是d 大于0，一般為了提高穩(wěn)定性，d 越大越好。占空系數(shù) ：在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)，機(jī)器人的腿處于支撐相的時(shí)間和一個(gè)步態(tài)周期T 的比值。由表知，在相同的占空系數(shù)下，選擇 1-4-2-3 的跨步順序，機(jī)器人的穩(wěn)定性最好。2四條腿在一周期循環(huán)的過程中，機(jī)體始終相對地面作勻速運(yùn)動(dòng)。只考慮勻速的情況，

6、腿部的運(yùn)動(dòng)分為兩個(gè)過程。支撐腿在支撐過程中，機(jī)體向前移動(dòng)，足尖相對機(jī)體向后運(yùn)動(dòng)；在抬跨過程中，足尖的運(yùn)動(dòng)是由隨機(jī)體的向前運(yùn)動(dòng)和足尖相對機(jī)體向前抬跨運(yùn)動(dòng)的合成。步態(tài)圖是機(jī)械馬在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)各腿相繼抬跨和機(jī)體相對各腿位置變化的情況反映。機(jī)械馬按“腿1腿4腿2腿3”的抬腿順序完成一個(gè)步行過程，其中需要經(jīng)歷以下8 個(gè)關(guān)鍵步驟，各關(guān)鍵時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)步態(tài)圖如下所示：腿在抬跨時(shí)，為了防止地面對腿的沖擊，足尖的加速度曲線應(yīng)該是平滑的，沒有突彎。所以，在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)滑塊1 和2 時(shí)，我采用正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律。2.2 機(jī)械馬步行機(jī)構(gòu)在本次設(shè)計(jì)中，我所采用的是平面四桿機(jī)構(gòu)作為仿生機(jī)械馬的步行機(jī)構(gòu)。其機(jī)構(gòu)簡圖如下所示：3 凸輪設(shè)

7、計(jì)在本設(shè)計(jì)中，凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)采用圖解法。凸輪機(jī)構(gòu)工作時(shí)，凸輪和從動(dòng)件都在運(yùn)動(dòng)，為了在圖紙上繪制出凸輪的輪廓曲線，希望凸輪相對于圖紙平面保持靜止不動(dòng)，為此可采用反轉(zhuǎn)法。反轉(zhuǎn)法的原理為：假設(shè)給整個(gè)機(jī)構(gòu)加上一個(gè)公共的角速度“-w”，使其繞凸輪軸心O作反向轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)相對運(yùn)動(dòng)原理，凸輪與從動(dòng)件之間的相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系并不改變，凸輪此時(shí)固定不動(dòng)，從動(dòng)件將一方面隨其導(dǎo)路以角速度“-w”繞O 轉(zhuǎn)動(dòng)，另一方面又相對其導(dǎo)路按預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律移動(dòng)。從動(dòng)件在這種復(fù)合運(yùn)動(dòng)中，尖端始終與凸輪輪廓保持接觸。因此，在此運(yùn)動(dòng)過程中，從動(dòng)件尖端的運(yùn)動(dòng)軌跡為凸輪輪廓曲線。1本設(shè)計(jì)采用的是滾子從動(dòng)件。在圖解法的過程中，以滾子中心為基點(diǎn)，

8、作出反轉(zhuǎn)過程中滾子中心的運(yùn)動(dòng)軌跡，即為凸輪的理論廓線。然后再以理想廓線上各點(diǎn)為圓心，以滾子半徑r 為半徑作一系列的滾子圓，然后作這簇滾子圓的內(nèi)包絡(luò)線，即為凸輪的實(shí)際廓線。為了保證在行進(jìn)過程中的平穩(wěn)性，本課題所設(shè)計(jì)的盤式溝槽凸輪采用正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律。從動(dòng)件在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中速度和加速度連續(xù)且無突變，從而有效地避免了剛性和柔性沖擊。本設(shè)計(jì)中的凸輪正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律的推程運(yùn)動(dòng)線圖如下所示：在本設(shè)計(jì)中，從動(dòng)件為滾子從動(dòng)件，偏心距為0，即為對心直動(dòng)滾子從動(dòng)件。凸輪為溝槽式凸輪，有兩個(gè)面。一面的基圓半徑為40mm ,另一面的基圓半徑為80 mm。根據(jù)上面正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律的推程運(yùn)動(dòng)線圖，可以得出以下盤式溝

9、槽凸輪輪廓設(shè)計(jì)流程圖：4 仿生機(jī)械馬整體安全性分析機(jī)械馬在行進(jìn)過程中，隨著四條腿的分別邁出，平行四邊形機(jī)體會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生變化，從而牽動(dòng)各機(jī)架之間的夾角變化。這有利于機(jī)械馬在行進(jìn)過程中實(shí)現(xiàn)自身的重心調(diào)節(jié)。但是，如果此夾角變化過大，后部相鄰的圓錐齒輪之間可能發(fā)生干涉。由機(jī)械馬的結(jié)構(gòu)尺寸，可以知道可能發(fā)生干涉的相鄰圓錐齒輪的外沿最小夾角為30.74。若要保證在行進(jìn)過程中不會(huì)發(fā)生干涉，機(jī)架之間的夾角變化必須小于30.74。5 結(jié)論仿生機(jī)械馬的設(shè)計(jì)是完全自主創(chuàng)新的產(chǎn)物：平行四邊形鉸接機(jī)架可以靈活地調(diào)節(jié)機(jī)械馬在行進(jìn)過程中的機(jī)身重心，保證機(jī)體重心落在三足支撐點(diǎn)構(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)，確保行進(jìn)過程中機(jī)械馬的平穩(wěn)；平面連桿機(jī)構(gòu)作為仿生機(jī)械馬的腿部結(jié)