畢業(yè)設計論文--六足機器人

1、摘 要本文介紹了一種應用兩個電機驅(qū)動的六足式步行機器人,并對該機器人的運動機理與步態(tài)進行了分析,經(jīng)樣機實驗,所設計的機器人可實現(xiàn)前進、后退、遇障轉(zhuǎn)彎等功能,具有結構簡單,控制便捷,行走穩(wěn)定的特點?；诜律鷮W原理,應用連桿機構學中的Robert原理,設計出一連桿軌跡能較好地近似于機器人理想足部軌跡的四桿機構，選擇足部運動曲線并在圖譜上找到該曲線，以確定四桿機構的各個參數(shù)。由參數(shù)和電動機的輸出轉(zhuǎn)矩就能確定足部的線速度和加速度。并通過PRO/E軟件,對用這一連桿機構作為腿部機構的六足機器人進行了前進和轉(zhuǎn)彎步態(tài)建模，并對它進行了穩(wěn)定裕量分析，包括靜力學分析和動力學分析。針對這種腿部結構設計了六足的行走

2、方式,通過對12個步進電機的控制,采用三角步態(tài),實現(xiàn)了六足機器人的直行功能。仿真及試驗證明,這種結構能較好地維持六足機器人自身的平衡,并且對今后更深入地研究六足機器人抬腿行走姿態(tài)及可行性,具有較高的參考價值。關鍵詞：六足機器人；行走步態(tài)；運動原理；穩(wěn)定性；四桿機構abstractThis paper introduced a six-legged walking robot propelled by two electromotors,and analyzed the robot's kinetic mechanism and walking style.Proved by the m

3、odel test,the robot is capable of actions such as forwarding,backwarding and veering in the case of obstruction.The robot demonstrates such advantages as simple structure,comfortable control and stable performance of pacing.Based on the principle of bionics,this paper designs a four-linked mechanism

4、 using Robert principle,which can approximate the ideal trace of robot's leg ,choose the sport curve of the foot department, then check to find out that curve on the diagram, the old ability but locations can make sure four each parameters of the pole structure, can make sure the line speed and

5、accelerations of the foot department from the exportation dint of the parameter and electric motor. Some simulations about the hexapod robot which uses the six-linked mechanism as its leg are made， and carried on the stability to it analysis, include the quiet mechanics analysis and dynamics analysi

6、s.A hexapod walking mode was designed according to this structure.By controlling 12 step motors straight walking function of the hexapod robot has been implemented with tripod gait movement.Simulation and experiment show that this structure can keep the hexapod robot body's balance better,provid

7、ing high reference value to research the advantage and feasibility of leg-raising walking gesture.Keyword: six foot robot; Tread the appearance of walk; The sport principle; Stability; Four pole organizations目錄摘 要IabstractII1 緒 論11.1國內(nèi)外機器人的研究現(xiàn)狀11.2機器人的主要研究問題31.3機器人的發(fā)展趨勢51.4本課題所研究的主要內(nèi)容62 機械機構設計62.1機構

8、分析62.2 設計方法122.3四連桿機構的設計132.4四個鈑金零件設計282.5 軀體部分機構設計332.6 機構設計總結34參考文獻35致謝37附 錄一50附錄二611 緒 論1.1國內(nèi)外機器人的研究現(xiàn)狀1.1.1機器人的定義機器人是上個世紀人類最偉大的發(fā)明之一，而從機器人的角度來講，21世紀將是一個自治機器人的世紀。隨著機器人的工作環(huán)境和工作任務的復雜化，要求機器人具有更高的靈活性、可靠性、準確性、穩(wěn)定性和更強的適應性。機器人技術是研究機器人工程技術的學問。關于機器人各國有不同的定義，其中一種定義得方法是“機器人是可通過感覺與智能進行作業(yè)的并具有與人或動物相似的外觀和機能的機械”。上述

9、的定義是強調(diào)“可進行作業(yè)”的性質(zhì)。而機器人的感覺機能和移動即能只不過是進行作業(yè)是必要的輔助技能而已。這里所說的作業(yè)并不是單一的簡單工作，而是能夠進行多種動作的作業(yè)。即具有通用性（或柔性）工作能力。例如，數(shù)控機床加工工件的能力雖然很強，但是它不能進行其它的作業(yè)，所以不能稱它為機器人，此外數(shù)控機床的外觀也很少有與生物相似之處。按照上述的定義，機器人具有以下幾個特點：一是有人類的功能，比如說作業(yè)功能、感知功能、行走功能，能完成各種動作；另一個特點是根據(jù)人的編程能自動工作，由于它通過編程才能改變它的工作、動作，工作的對象和一些要求。一般來說我們認為機器人是計算機控制的可以編程的目前能夠完成某種工作或可

10、以移動的自動化機械。雖然機器人的模型是動物或人，但是企圖給機器人賦予人類那樣的高度機能是不可能的。例如，在需要高級的認識與判斷的地方，還必須有人的幫助，就是非常高級的機器人也還必須進行人機對話才行。1.1.2國內(nèi)外機器人的研究現(xiàn)狀概述移動機器人近年來朝著智能化、多樣化和集成化方向發(fā)展。未來的移動機器人應該具有行動決策和規(guī)劃，以及自動執(zhí)行規(guī)劃能力，集人工智能、智能控制、信息處理、檢測與轉(zhuǎn)換等專業(yè)技術為一體的系統(tǒng)。自然界生物的運動行為和某些機能已成為機器人學者進行機器人設計，實現(xiàn)其靈活控制的思考源泉，導致各類仿生機器人不斷涌現(xiàn)。仿生機器人就是模仿自然界中生物的外部形狀或某些機能的機器人系統(tǒng)。仿生機

11、器人的類型很多。其中步行機器人成為機器人研究的一個熱點，步行是人類或有腿動物的獨特的運行方式，是自然界中最為靈活的移動形式。步行機器人是以模擬這種方式來實現(xiàn)自身運動的一類特殊的機器人，它具有良好的地形活動性，可以相對較易的跨過較大的障礙（如溝，坎等）。并且機器人的本質(zhì)具有的大量的自由度可以使機器人的運動更加靈活，對凹凸不平的地形的適應能力更強，由于立足點是離散的，距地面的接觸面積較小，可以在可達到的地面上選擇最優(yōu)支承點，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴格選擇足的支撐點，也能夠行走自如。現(xiàn)今國外得到業(yè)內(nèi)認同的輪腿混合式移動機器人主要是火星/月球漫游車，有的在研發(fā)中，有的己經(jīng)發(fā)射成功。前蘇聯(lián)L

12、unokhod月球探測車美國JPL的Sojourner火星探測車。 該機器人采用六輪搖臂懸吊式結構，即有6個獨立懸掛的驅(qū)動輪，傳動比為2000:1，因而能在各種復雜的地形中行駛，特別是軟沙地。此外該機器人的四個角輪具有獨立驅(qū)動和控制能力。本機器人是真正意義上的六輪腿式移動機器人。日本本田公司和大阪大學聯(lián)合推出的P2和P9型放人步行機器人代表了當今世界的最高水平。美國的MIT Leglab 有兩個小組在從事仿人步行機器人的研究，已完成的項目包括一個重22kg的平面型機器人。Keisuke Arikawn 等研究的TITAN-VII型四足機器人能夠以穩(wěn)定的方式在不平的地面行走，可以以非接觸方式繞過

13、地面上的障礙，能夠向任何方向運動，同時腿的自由度可以用于工作。俄羅斯羅伊斯公司在為英國核潛艇建造并保養(yǎng)壓力水反應堆時應用了蛇形機器人，它將用于太空的探索，其是由簡單的低自由度組件組成的高柔性、高冗余性的蛇形機器人。1999年日本研制的寵物狗AIBOERS-110具有18個關節(jié)，每個關節(jié)由伺服電機驅(qū)動以保持柔性運動。CWRU的仿生機器人試驗室研究了基于蟋蟀運動機能的機器人，其共有六條腿，后兩條腿較長，有兩個關節(jié)，各腿的運動通過壓縮空氣來驅(qū)動，它可以在一定范圍內(nèi)行走和跳躍，能夠適應粗糙地帶和障礙。國內(nèi)一些研究院所，如北航、北科大、國防科大、東南大學、沈陽自動化所和哈工大等進行了仿生機器人的研究。哈

14、爾濱工業(yè)大學月球車：輪腿式結構是現(xiàn)今最流行的行星探測車結構，雖然與國外的水平還有不小的差距，但國家政府在這方面也加大了投入力量，現(xiàn)在一些高等院校和科研機構相繼開展了有關輪腿式機器人方面的研究工作，也取得了一定的成果。 哈爾濱工業(yè)大學調(diào)動各院系的優(yōu)勢，共同成立了研究“月球車”的課題組，其中包括航天學院、機電學院等，研究的側(cè)重點各有不同。其中，航天學院的研究側(cè)重點是月球車的導航、控制系統(tǒng)；機電學院的研究側(cè)重于車體的研究。研究經(jīng)費以自籌為主，具體研究情況仍處于保密狀態(tài)。2003年12月，哈爾濱工業(yè)大學展示了近期研制的三款月球車原理樣車，分別為“六輪搖臂轉(zhuǎn)向架式”、 “兩輪并列式”和“行星輪式”。1.

15、2機器人的主要研究問題1.2.1建模問題 仿生機器人的運動具有高度的靈活性和適應性，其一般都是冗余度或超冗余度機器人，結構復雜。運動學和動力學模型與常規(guī)機器人有和大差別，且復雜度更大，為此，演練建模問題，實現(xiàn)機構的可控化是研究仿生機器人的關鍵問題之一。1.2.2控制優(yōu)化問題機器人的自由度較多，機構越復雜，必將導致控制系統(tǒng)的復雜化，復雜巨系統(tǒng)的實現(xiàn)不能全靠子系統(tǒng)的堆積。要做到“整體大于組分之和” ，同時要研究高優(yōu)化的控制算法才能使系統(tǒng)具有實時處理能力。1.2.3信息融合問題 在仿生機器人的設計開發(fā)中，為實現(xiàn)對不同物體和未知環(huán)境的感知，都裝備有一定量的傳感器，多傳感器的信息融合技術是實現(xiàn)其具有一定

16、智能的關鍵。信息融合技術把分布在不同位置的多個同類或不同類的傳感器所提供的局部環(huán)境的不完整的信息加以綜合，消除多傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾，從而提高系統(tǒng)決策、規(guī)劃、反應的快速性和正確性。1.2.4機構設計問題合理的機構設計是仿生機器人實現(xiàn)的基礎。生物的形態(tài)經(jīng)過千百萬年的變化，其結構特征極具合理性，而要用機械來完全仿制生物體幾乎是不可能的，只有在充分研究生物肌體結構和運動特性的基礎上提取其精髓進行簡化，才能開發(fā)全方位關節(jié)機構和簡單關節(jié)組成高靈活性的機器人機構。1.2.5微傳感器和微驅(qū)動問題衛(wèi)星仿生機器人有些已不是傳統(tǒng)常規(guī)機器人的按比例縮小，它的開發(fā)涉及到電磁、機械、熱、光、化學、生物等學

17、科。對于微型仿生機器人的制造，需要解決一些工程上的問題。如動力源、驅(qū)動方式、傳感集成控制以及同外界的通訊等，實現(xiàn)微傳感和微驅(qū)動的一個關鍵問題是機電光一體結合的微加工技術。同時，在設計時必須考慮到尺寸效應、新材料、新工藝等問題。1.3機器人的發(fā)展趨勢先進制造技術的發(fā)展對仿生機器人的研究正起著積極的促進作用，隨著先進制造技術的發(fā)展，工業(yè)機器人也從當初的上下料功能向高度柔性、高效率的精密裝配工能轉(zhuǎn)化。因此，開發(fā)面對先進制造環(huán)境的仿人機械臂及靈巧手有大量的理論與實踐工作要做。目前運行的絕大多數(shù)機器人都是固定的，它們只能固定在某一位置上進行操作。因而其應用范圍和功能受到限制。近年來，對移動機器人的研究受

18、到越來越多的重視，使機器人能夠移動到固定式機器人無法達到的預定目標，完成設定的操作任務。移動機器人中絕大多數(shù)是仿生機器人，包括步行機器人和爬行機器人等。仿生移動式機器人在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國防上具有廣泛的應用前景，它們能用于衛(wèi)星探測、軍事偵察、危險的廢料處理以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。為了開拓機器人新市場，向非制造業(yè)擴展是機器人發(fā)展的一個重要方向。在非制造業(yè)中的治療、娛樂和社會福利等方面的仿生機器人有很好的發(fā)展前景。如用于外科手術的多指收、仿生機器人玩具、老年人或臥床不起病人護理機器人和人工肢等?？茖W家預言，21世紀的尖端技術之一是微型機器人。仿生機器人可用于小型管道進行檢測作業(yè)，可進入人體腸道進行檢查和實施治

19、療而不傷害人體，也可以進入狹小的復雜環(huán)境進行作業(yè)。因此，機器人的小型化和微型化是一個發(fā)展趨勢。1.4本課題所研究的主要內(nèi)容本文所設計的六足機器人，是以契貝謝夫直線四桿機構作為行走機構，通過減速步進電機帶動四桿機構的旋轉(zhuǎn)運動來完成連桿曲線軌跡，行走采用了三角步態(tài)，（即六足分為兩組，身體一側(cè)的前、后足及對側(cè)的中足各作為一組，組成一個穩(wěn)定的三角支撐，實現(xiàn)昆蟲的快速運動。本文所設計的六足機器人具有6個支撐足，模仿了昆蟲的行走步態(tài)，能夠在平地上前進、后退、左右轉(zhuǎn)彎，在遇到障礙時能自行避開。）分成兩組運動，實現(xiàn)身體的穩(wěn)定前移，利用伸出臂電機的旋轉(zhuǎn)，來改變機器人前進的方向，步進電機通過單片機系統(tǒng)進行控制，從

20、機驅(qū)動步進電機，主機通過串行通信協(xié)調(diào)各個單片機，主從機的配合就能實現(xiàn)步進機器人走直線，轉(zhuǎn)彎等設計要求。設計過程中，盡量選擇了可以實現(xiàn)的方式。因為不僅要求設計步行機器人，我們還要在現(xiàn)有的條件下實現(xiàn)，而且時間很短，要設計性能良好的機器人也不太可能，不過我們是通過動手實踐，自己設計，自己制作，自己調(diào)試完成的，會珍惜這樣的機會，盡可能的鍛煉自己。設計的關鍵問題是機器人的運動，決定這個的因素是多方面的，比如我們設計的鈑金件都是手工劃線，手工制作的，精度很難保證等。2 機械機構設計2.1機構分析2.1.1整體結構設計圖2.1.1所示為六足機器人系統(tǒng)結構簡圖。該機構結構較為簡單，由軀干部分及六足、拉桿和直流

21、電機組成。該機器人共有六條腿，每條腿上裝有兩臺步進電動機，一個步進電動機旋轉(zhuǎn)帶動四連桿機構，實現(xiàn)基本的走直線勻速運動；另一個電機安裝在伸出的臂上，帶動整個腿的模塊的旋轉(zhuǎn)，完成在一定范圍內(nèi)的擺動，這兩個電機的配合協(xié)調(diào)，就能夠?qū)崿F(xiàn)整個機器人的較復雜的運動。 圖2.1.1 設計機器人系統(tǒng)結構圖2.1.2步態(tài)的原理及設計步行機構的行走方式分為靜態(tài)行走和動態(tài)行走兩類。靜態(tài)行走方式是指步行機構在行走過程中始終有三只以上的足同時著地；動態(tài)行走方式是指除此以外的其他行走方式。更準確的說，靜態(tài)行走時指步行機構在行走過程中，其重心總是處于穩(wěn)定支撐平面內(nèi)。支撐平面是指支撐足之間所組成的多邊形。為獲得較好的穩(wěn)定性，本

22、文設計將六足分為兩組，身體一側(cè)的前足、后足及一側(cè)的中間足做為一組，形成一個穩(wěn)定的三角支撐。兩組足交替地擺動和支撐，實現(xiàn)機構的移動。理論上而言，六足可供選擇的步態(tài)較多，但也應該遵守一般的準則：所選步態(tài)應符合動物的行走習慣。經(jīng)驗和理論分析表明，動物的行走方式是自然界中最合理的，這些行走方式是自然界中最合理的，這些行走方式不僅能使步態(tài)機構平衡，而且能使所消耗的能量減少到最低程度。所選步態(tài)應使控制盡可能簡單。和動物行走不同，步行機構的行走必須加以人為的控制，如果所選步態(tài)存在控制上的困難甚至難以實現(xiàn)，顯然意義是不大的。綜合考慮這兩條準則以及機構的整體構成，對機構的行走步態(tài)作以下規(guī)劃。.前進時的步態(tài)行走

23、六足機構前進時的行走步態(tài)如圖2.1.2所示。六足機構開始運動時，左側(cè)的2號腿和右側(cè)的4、6號腿抬起準備向前擺動，另外3條腿1、3、5處于支撐狀態(tài)，支撐機器人本體確保機器人的原有重心位置處于3條支撐腿所構成的三角形內(nèi)，使機器人處于穩(wěn)定狀態(tài)不至于摔倒（見圖2.1.2(a)）,擺動腿2、4、6向前跨步（見圖2.1.2（b），支撐腿1、3、5一面支撐機器人本體，一面在驅(qū)動電機和四桿機構的作用下驅(qū)動機器人本體，使機器人機體向前運動了半個步長S（見圖2.1.2（c）。 圖2.1.2 六足機器人前進時的步態(tài)示意圖 在機器人機體移動到位時，擺動腿2、4、6立即放下，呈支撐態(tài)，使機器人的重心位置處于2、4、6三

24、條支撐腿所構成的三角形穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，原來的支撐腿1、3、5已抬起并準備向前跨步（見圖2.1.2（d），擺動腿1、3、5向前跨步（見圖2.1.2（e），支撐腿2、4、6此時一面支撐機器人本體，一面驅(qū)動機器人本體，使機器人機體又向前運動了半個步長S（見圖2.1.2（f），如此不斷從步態(tài)（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）、（a），循環(huán)往復，周而復始實現(xiàn)機器人不斷向前運動。II.轉(zhuǎn)彎時的行走步態(tài)圖2.1.3是六足機構右轉(zhuǎn)時的行走步態(tài)。六足機構開始運動時，左側(cè)的2號腿和右側(cè)的4、6號腿抬起準備向前擺動，另外3條腿1、3、5處于支撐狀態(tài)，并形成一個三角形支撐區(qū)域（見圖2.1.3（a）;著地的足1和

25、足3項對軀體向后擺動一定角度，實現(xiàn)軀體相對地面的第一步轉(zhuǎn)動（見圖2.1.3（b）；如圖2.1.3所示，此時軀體的位姿已相對上一位姿擺動一個角度。懸空的足4和足6相對軀體向后擺動一個角度（見圖2.1.3（c）；足2的足5反方向擺動一個角度，使足1、足3、足5懸空，足2、足4足6著地（見圖2.1.3（d）；著地足4和足6相對軀體向前擺動一個角度，實現(xiàn)軀體相對地面的第二步轉(zhuǎn)動（見圖2.1.3（e）；如圖2.1.3（g）所示，此時軀體的位姿已相對上一位姿又轉(zhuǎn)動了一個角度；懸空的足1和足3相對軀體向前擺動一個角度（見圖2.1.3（f）。如此（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）、（a）往復循環(huán)，

26、便可實現(xiàn)六足機構向右轉(zhuǎn)動。左轉(zhuǎn)則依次類推。 在整個周期中包含6步，一個周期可實現(xiàn)機構轉(zhuǎn)動2角。圖2.1.3 轉(zhuǎn)彎時的步態(tài)圖2.1.3 腿部動作與占空系數(shù)圖2.1.4為一個步行周期T中六足機器人的擺動相與支撐相的交替過程。根據(jù)占空系數(shù)的大小可分為3種情況：（1）=0.5，在三擺動腿著地的同時，另外三支撐腿立即抬起，即任意時刻同時只有支撐相和擺動相（見圖2.1.4（a）；（2）0.5，機器人移動較慢時，擺動相與支撐相有一短暫的重疊過程，即機器人有六條腿同時著地的狀態(tài)（見圖2.1.4（b）；0.5，機器人移動較快時，六條腿有同時為擺動相的時刻，即六條腿同時在空中，處于騰空狀態(tài)（見圖2.1.4（c），

27、顯然此交替過程要求機器人機構具有彈性和消振功能，否則難以實現(xiàn)。本文所研究的六足機器人的步態(tài)是=0.5時的狀態(tài)。圖2.1.4 機器人三角步態(tài)的擺動相與支撐相2.1.4 六足機器人的足端運動軌跡曲線的確定在進行步行機構的運動仿真設計時，如果將腿直接連在軸上則足端曲線為圓形。這樣機器人的運動將會呈半圓狀起伏，如果能夠使的足端軌跡在觸地的部分保持平整就可以保持機器人的平穩(wěn)前進。況且步行機器人要求有很強的環(huán)境適應能力，它必須能夠在平面、臺階上穩(wěn)定的行走，又能跨過障礙、橫溝，不同的路面對軌跡曲線有不同的要求：對于平地路面要求有一定的速度，對于臺階要求能夠抬起并通過，對障礙物要求順利跨越，可見足端運動軌跡的

28、選擇度與步行機器人來說顯得非常重要。選擇足端運動軌跡曲線時應主要考慮以下問題：（a）曲線的高度比：曲線的高度比直接反應出曲線的運動特性。該比值越大則足端運動軌跡曲線越高，相應的跨越臺階的能力就越強同時前進特性（運動速度）就越差。（b）曲線弧長：在曲線寬度一定的情況下，曲線長度越長，在空中的運動時間就越長，這將直接影響到擺動腿的速度，進而影響到步行機的運行速度。曲線弧長越短，運動時間就越短，但相應的跨越能力就越差。2.2 設計方法模塊化設計方法： 機電一體化設備可設計成由驅(qū)動、傳感器、控制器、執(zhí)行元件和機械本體組成五個要素的功能部件組成，也可以設計成由若干功能子系統(tǒng)組成，而每個功能部件或功能子系

29、統(tǒng)又包含若干組成元素，這些功能部件組成一個功能模塊，每個功能模塊可視為一個獨立體，能夠完成具體的功能。柔性設計方法 將機電一體化系統(tǒng)中完成某一個功能的傳感元件，執(zhí)行元件和控制器作為一個功能模塊，如果控制器具有可編程的特點，則該模塊就成為柔性模塊，采用計算機編程還可以進一步提高驅(qū)動模塊的柔性。該機器人的整個設計過程遵循了上述的兩個基本原則，機械機構設計中，每一條腿均作為一個基本模塊，其中有一個鉸鏈四桿機構作為執(zhí)行元件，該機構是機器人可以運動的關鍵，它的功能就是能夠在電機的整圈旋轉(zhuǎn)過程中，實現(xiàn)機器人腳足端的抬起、懸空、落下和地面上的相對運動。每個上面兩個步進電機，作為腿部機構的驅(qū)動器；兩個傳感器，

30、用來作為機器人旋轉(zhuǎn)位置的信號，實現(xiàn)機器人自身可識別的準確運動，可旋轉(zhuǎn)的一塊鈑金組件，四連桿機構及其驅(qū)動電機按在上面；一個伸出的臂板鈑金組件，上面安裝了控制旋向的步進電機，支撐整個腿部機構。整個機器人機構的設計是圍繞其中一條腿的設計展開，確定機構運動方案。2.3四連桿機構的設計 機器人設計過程中，腿部的四連桿執(zhí)行機構采用了契貝謝夫直線四桿機構。在前期時參考了不少有關腿部機構的資料，這個機構的選擇很重要，主要原因如下：（1） 執(zhí)行機構決定了整個系統(tǒng)的復雜度，機構越復雜，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)行機構關系到運動的最終狀態(tài)，決定運行的姿態(tài)。（3） 執(zhí)行機構最終保證整個

31、機器人系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。2.3.1理論根據(jù)與機構選擇圖2.3.1 圖2.3.2 步行機構對于設計機器人是極為重要的，設計時根據(jù)上面的原則及實際三維建模進行選擇，并且根據(jù)實際要求進行了設計，上面圖示為六足機器人一條腿的機構簡圖。 圖2.3.1所示實現(xiàn)步行基本動作的契貝謝夫直線機構，主動桿OB轉(zhuǎn)動時，從動桿端點D端畫出包括一段直線的閉合軌跡。這并不是一種實際可行的步行機構，并不能實現(xiàn)需要的運動，只是表明了一組軌跡，它能夠?qū)崿F(xiàn)腿的抬起、落下及一段直線運動。它是一個基礎，雖然不能實現(xiàn)運動，但卻是我們選擇這種步行機構的起源，促使尋找確定可行的方案。主要是參考了鶴式起重機的變幅機構，和挖土機的臂部結構。 圖

32、2.3.2為使足部桿DE與機體始終保持垂直狀態(tài)的二重平行四邊形機構，這是一種比較理想的選擇。主要原因：（1） 可以毫無限制的提高腿的尺寸，從而說整個身體能站的比較高（2） 不會因腿部放大而放大整個機器人結構不過設計時發(fā)現(xiàn)垂直機構雖然足端軌跡好，但受力不好，走動過程中會發(fā)生偏移，兩組平行四邊形機構并不好實現(xiàn)。圖2.3.3 圖2.3.3為改進的契貝謝夫直線四桿機構，該步行機構用于六足機器人中，每三個足一組，著地時間為1/2個周期。如圖所示/23/2的直線段為足著地時的軌跡，3/20/2為足跨步時的軌跡。 為了使Q點的軌跡平行與地面上的R點，本機構采用另一個反向?qū)ΨQ的契貝謝夫機構，相位差為180&#

33、176;，如圖中的點CPMO。該機構上Q點的軌跡與原機構上Q點的軌跡完全相同，但移過s的距離，故QQ連線恒與OO相平行。用QQ的中垂線上的R點作足尖，其軌跡必于Q、Q的軌跡相同，適于作六足機器人的步行機構。該機構在行進中機體基本上是水平移動。一條腿用二個主動構件，不僅可以提高效率，而且易于控制軟件的開發(fā)，但對于本設計不太適合，反對稱機構解決了受力問題，但增加了機構的復雜程度，對于配合的要求更高，不符合設計要求；還增加了動力源的數(shù)目使控制系統(tǒng)更為復雜。在選擇時是下了一番工夫的，決定采用這種機構因為是它能比較好的完成一個周期的運動。如圖2.3.1的軌跡所示，如果找到一種構件能夠?qū)崿F(xiàn)D點的運動，就能

34、做到腿的提起、空中移動、落下和與地面的摩擦運動實現(xiàn)身體的前移。這種運動方式比較靈活，即使每條腿上只有一個電機，也可以實現(xiàn)勻速直線運動，變速直線運動，這些對于學習控制都是很有實際意義的。設計中考慮到制作的復雜度，以及最后執(zhí)行的準確度，就盡量采用簡化的構件，本文沒有采用雙重平行四邊形機構來實現(xiàn)足端與地面的垂直，主要做的機器人比較小，在有限的空間安排太多的運動實現(xiàn)比較困難。經(jīng)過一段時間的試驗，主要根據(jù)SOLIDWORKS三維仿真和作圖軌跡，決定采用一個57°的彎桿來實現(xiàn)。2.3.2設計參數(shù)（） 連桿尺寸Lab = 7mm,Lcd = 20mm,Lad = 15.6mm,Lbe = 40mm

35、 Lce = 60mm連桿各個部分符合契貝謝夫直線機構，見圖2.3.3,滿足PM = MQ = MO PM:CO:CP = 1:0.78:0.35（） 在正前方運行時，前腿和后腿之間不會發(fā)生相互干涉，其中身體上兩伸出臂距離是116mm.（） 電機軸與連桿的動力輸入軸能夠緊密配合。圖2.3.4 連桿機構圖2.3.3設計說明本連桿機構以契貝謝夫直線機構為基礎，但并不是單純應用軌跡特性曲線?，F(xiàn)在有很多關于連桿軌跡特性曲線的專著，通過程序設計出曲線圖譜，供設計查詢使用，但機器人的設計中并不能直接使用其結論，曲線圖譜是關于直線連桿機構的，與曲桿的關系不大，但機器人的設計用一些曲桿更好一些。在材料的選擇上

36、，AB桿與CD桿用的是mm的鋁板，BCE桿的是膠木板寬度均是mm，這樣可以盡量減輕機構的重量。電機輸出軸配合孔采用線切割加工，可以保證緊密配合。2.3.4足端軌跡分析仔細分析足端的軌跡是重要的，要研究做成的機器人如何運動，就需要明確的知道旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過一定角度后足端到達了什么位置，這點搞清楚了，才能很好的利用軌跡，對運動的控制才可以順利進行。 四桿機構的特性參數(shù)由實際參數(shù)可知此契比謝夫四桿機構為曲柄搖桿機構。（為方便計算，在這里只考慮四邊形ABCD。）l 壓力角和傳動角在圖2.3.5所示的原動桿AB通過連桿BC作用在鉸鏈C上一個驅(qū)動力，使從動的搖桿CD繞D點轉(zhuǎn)動。將這驅(qū)動力分解為兩個分力：沿受力點

37、C的速度方向的分力和垂直于方向的分力。驅(qū)動力方向與從動桿上受力點速度方向所夾的銳角稱為壓力角，則 圖2.3.5 曲柄搖桿機構的傳動角其中，是使搖桿C擺動的有效分力;而是使傳動副C上產(chǎn)生附加徑向壓力的有害分力。當壓力角愈小時，愈小，同時愈大。故壓力角愈小愈好。壓力角的余角稱為傳動角。傳動角卻愈大愈好。在機構的運動過程中，傳動角的大小是不斷地變化的。如圖中所示，當曲柄AB轉(zhuǎn)到AB1位置與機架重合時，連桿BC與搖桿CD的夾角最小，此時傳動角，且=24.8°當曲柄AB轉(zhuǎn)過180°到AB2位置時，連桿BC與搖桿CD的夾角有最大值，且 =68.8°當時，;當時,在一個運動循環(huán)

38、期間，有最小值，它是和之中的小值。即24.8°l 行程速度比系數(shù)和死點位置當曲柄搖桿機構中曲柄AB與連桿BC在同一條直線上時，搖桿CD有外極限位置，如圖2.3.6中AB1C1D所示。這時有最小值, =180°- =82.1° 圖2.3.6 曲柄搖桿機構的極限位置其對應的曲柄角 = =58°當曲柄AB與連桿BC重合時，搖桿CD有內(nèi)極限位置，如圖中AB2C2D所示。這時有最大值。 =180°- =139.5°其對應的曲柄角 =+180° = 268.3°搖桿的擺角可用下式計算=57.4°其對應的曲柄角為 =2

39、68.3°-58°=210.3°搖桿的行程速度比系數(shù)K可用下式計算 =1.4當從動桿上的傳動角（或壓力角）時，驅(qū)動力對從動桿的有效回轉(zhuǎn)力矩為零，這位置稱為機構的死點位置。在曲柄搖桿機構中，搖桿作為原動件，則搖桿在內(nèi)、外極限位置時，機構處于死點位置。 通過以上分析可得出四桿機構的基本運動軌跡，如圖中間的加粗黑線表示四連桿機構運行過程中的一個典型狀態(tài)。表示DE段的長度是mm，E點的軌跡雖然沒有了D點那樣好的直線軌跡，但是卻能夠在空間劃出一條比較好的曲線，它的特點是落下和提起都近似垂直，足端騰空距離大，雖然軌跡變了，但是對于要求的運動還是能完成。并且通過控制還可以實現(xiàn)平

40、穩(wěn)的勻速運動。中間彎桿的角度°是根據(jù)運動學仿真和作圖結果決定的，不一定是最優(yōu)的但也提供一種思路。只是覺得軌跡較理想，與地面的相對運動距離大，同等條件下運動速度快。 圖2.3.7軌跡其中AB : BC : CD : DE: CO = 0.35: 1 : 1 : 2 : 1圖2.3.8軌跡2角度對照表：桿的旋轉(zhuǎn)角度（極坐標） 桿的順時針旋轉(zhuǎn)角度0° 45°15° 53°30° 63°45° 74°60° 79°75° 82°90° 82°105

41、76; 82°120° 81°135° 78°150° 75°165° 72°180° 67°210° 57°240° 43°270° 54°300° 25°330° 23° 但此設計有一點不好，就是身體離地面太近，很難實現(xiàn)一些跨越障礙的要求，于是就想到增加DE部分的長度，把原來的腿長增加到.倍，如軌跡圖2.3.7和2.3.8所示。繪制的軌跡圖還可以應用，但是軌跡就有較大變形。主要是DE

42、越長，E點就越不能復現(xiàn)D點的軌跡。另外還有一點就是，DE部分越長，要實現(xiàn)最簡單的向前移動，設計整個機器人的尺寸越大，這樣就定DE部分是原長的1.5倍。從角度對照表和上圖的兩視圖可以看出，當點在做直線運動時，點有復現(xiàn)軌跡的趨勢。當桿的旋轉(zhuǎn)角度在°左右時，點走近似直線軌跡。行走主要是利用直線軌跡，運動方案的控制利用抬起的軌跡曲線。圖.3.8軌跡提供的關于運動的參數(shù)：步長：.mm步高：.mm旋轉(zhuǎn)臂距地面：.mm2.3.5設計校核圖.3.9旋轉(zhuǎn)平面圖僅驗算參數(shù)，但腿向正前方伸直時：（+-）+ 其中mm由圖.3.8軌跡得到,20mm是伸出臂的寬度。2.3.6可運動分析自由度計算機構具有確定運動

43、時所必須給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)目稱為機構的自由度。圖2.3.10機構分析圖自由度計算公式：3n（PL+PN） 式中：n活動構件數(shù)目低副數(shù)目 高副數(shù)目本機構中，.都是移動副，活動構件n=n機構自由度：×（×）該四桿機構能夠?qū)崿F(xiàn)自身的運動，只要各項指標達到設計要求，應該能夠?qū)崿F(xiàn)設計的運動。2.3.7 六足機器人三角步態(tài)的穩(wěn)定性分析如圖2.3.11所示：點A、B、C分別是六足機器人的左前腿、右中腿、左后腿在地面上的支撐點。三角形ABC是由三條支撐腿所構成的一組支撐三角形。取機器人本體的重心O為坐標原點，Y的正方向為機器人的前進方向，設支撐點A、B、C的水平坐標分別為A（xA ,y

44、A）、B（xB,yB）、C（xC,yC）,各點的z坐標都相同，點A、B、C是機器人重心到支撐三角形各邊的垂足點，d1、d2、d3是重心到各邊的相應的距離。直線AB的方程為：圖2.3.11 三角步態(tài)穩(wěn)定裕量計算圖斜率 則直線OA的斜率 其直線方程為： ，以上兩直線AB和OA的交點A的坐標為 式中d2AB是線段AB距離的平方。 線段OA長： 同理可得d2、d3。則六足機器人以三角步態(tài)行走時，其最小穩(wěn)定裕量判據(jù)為：d= min(d1,d2,d3)2.3.8倒立擺模型由于本文所設計的機器人采用三角步態(tài)，在任何時刻，同組的三條腿一起運動，三條腿的動作幾乎完全一致，可以等效為一條腿，其模型如圖2.3.12

45、所示。 圖2.3.12 六足機器人腿的倒立擺運動模型為了便于分析，本文假定機器人的質(zhì)量集中于腿（連桿）的一端，并且機器人的腿（連桿）不計質(zhì)量。如圖2.3.12所示：M是作用在機器人上面的驅(qū)動力矩，F(xiàn)x和Fy，是地面作用于機器人支撐腿上的反作用力，g是重力加速度，l是腿（連桿）長，是機器人支撐腿與地面在水平方向上的夾由角，此得出下式 （1）式中：代入式（1）并化簡可以得到如下式所示的機器人運動數(shù)學模型由此模型可以得到如圖2.3.13、2.3.14所示的機器人在行走時腿和地面的接觸力的仿真結果。圖2.3.13水平方向上的接觸力圖2.3.14垂直方向上的接觸力2.4四個鈑金零件設計腿部機構圖圖2.4

46、.1腿部機構圖圖2.4.2設計軸現(xiàn)在以腿部機構圖來說明四個鈑金零件設計（設計圖紙由附錄提供）2.4.1設計參數(shù)1 旋轉(zhuǎn)臂沿垂直方向，要可以往內(nèi)側(cè)擺動°，往外側(cè)擺動°。2 傳感器安裝要比較方便的檢測到基準信號。3 結構要盡量輕，避免因電動機功率不夠大而使機器人不能運動。2.4.2設計說明步進電機加上減速箱后，外形尺寸增大很多，就希望把帶動板旋轉(zhuǎn)的電機有板上移動到支撐臂的內(nèi)部，這樣可以省掉復雜的軸系聯(lián)結的設計，上面的軸聯(lián)結圖就是最初設計的軸系，旋轉(zhuǎn)板上有相應的鍵槽，輸出軸的旋轉(zhuǎn)帶動整個板的擺動；改進設計后，板的旋轉(zhuǎn)軸由內(nèi)部移到外部，直接由電動機軸帶動；為了保證轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，就需要在

47、電動機伸出軸的相反側(cè)設計旋轉(zhuǎn)的軸，主要是保證足端受力時旋轉(zhuǎn)板不會扭轉(zhuǎn)，下側(cè)軸是通過一個螺栓聯(lián)結，步進電機下側(cè)的第一塊板攻螺紋，并保證與上面電機伸出軸的同心；緊貼的那塊板件設計的旋轉(zhuǎn)軸，圍繞螺栓旋轉(zhuǎn)。圖2.4.3 連桿機構圖 旋轉(zhuǎn)板上的步進電機的輸出軸帶動連桿機構的短桿1整周旋轉(zhuǎn)，1、2兩桿螺栓與3桿連接。（最好是有鉚釘鉚上，我在機械機構手冊上查到沉頭鉚釘GB/T869×，但在制作過程中并沒有買到）螺栓連接不好的地方是要采取措施防松，并且不能太緊，太緊了轉(zhuǎn)不動。桿通過螺栓連接到旋轉(zhuǎn)板上，其中在板上攻螺紋。2.4.3設計校核擺動角度校核，由于外側(cè)可以自由旋轉(zhuǎn)，只校核內(nèi)側(cè)，先由腳部機構圖譜

48、抽象出分析簡圖，然后分析轉(zhuǎn)角極限圖2.4.4計算內(nèi)側(cè)最大擺動角圖設lCB,lCF之間的夾角為，根據(jù)實際情況090°由圖示知：lAB=lCB×sinlCD×coslDE×sin其中l(wèi)AB=45mm，lCB=37.2mm，lCD=25.5mm，lDE=12.5mm46=37.2×sin25.5×cos12.5×sinsin(arcsin)=0.82 其中sin=0.513解得：max=26.9°20°計算結果符合設計要求。2.4.4 傳感器的安裝設計有連桿的結構圖可以看出一個傳感的安裝，它是根據(jù)連桿2沿旋轉(zhuǎn)軸

49、擺動，就是一個極限位置，在此處連桿2把微動開關壓緊，開關閉合，可以檢測到基準信號。腿部機構圖上可以看出另一個傳感的安裝，它是把旋轉(zhuǎn)臂的擺臂端削尖，只讓平行于行走方向的位置時，尖端頂住微動開關，從而找到基準信號。（原來想用凸輪機構，但是實現(xiàn)過于復雜，就簡化為一個頂點支撐住。）2.4.5 材料的選擇設計過程中還要在設計參數(shù)條件下盡量減小尺寸，降低質(zhì)量，所以在材料上選用的是5mm厚的鋁板做的零件。鈑金（Sheec Metal）零件是采用沖壓和彎曲工藝制造的薄壁零件。通常用做零部件的外殼或支撐其它零件，是機械設計中常用的零件，不足之處就是鈑金比較薄，有時候難于連接。選擇鈑金件作為機器人支撐點，主要基于

50、如下考慮：1鈑金件相對比較輕，適合做機器人的設計。2鈑金形狀可塑性好，可以容易的做出較復雜的形狀。組件1 組件2最后設計的鈑金件看起來是較簡單的，但設計也經(jīng)歷了漫長的選擇，先由PRO/E自上而下建立起初步的機器人模型，然后又自上而下更改尺寸，解決機構的相互干涉，零件的定位，零件的連接等。機器人腿部機構的設計經(jīng)歷了多次改進，由簡單到復雜，才逐漸從設想變?yōu)楝F(xiàn)實，從軸鍵連接到鈑金件設計，幾乎推翻了最初的設計。2.5 軀體部分機構設計2.5.1 基本參數(shù)和要求軀體部分板長260mm,寬72mm；腿部模塊的距離是116mm，腿之間不能相互干涉；軀體部分深度為50mm，比電機軀體模塊電路板的板邊深，其板邊

51、為40mm×50mm;主機電路板的板邊要小于頂板的寬度，模板的設計尺寸260mm×80mm，保證電路板，腿部模塊正確安裝。2.5.2 設計說明身體部分是一個載體，它把機器人的各個部分連接起來。腿部模塊通過螺釘連接到身體上，采用三角形或?qū)蔷€形狀的布置，這樣可以防止腿部模塊的晃動，腿部模塊起著支撐身體的作用，必須解決好這個問題。從機驅(qū)動電路板通過一個彎針連到從機插板上（電路板），插板通過螺釘連接到身體的金屬底板上，這就要求設計的電路板一定要比身體內(nèi)部的空間小。從機插板的板邊為210mm×60mm，可以放進身體內(nèi)，12片從機驅(qū)動板并排插在上面。保證h從板h插板h軀體h

52、插板5060h插板10所以設計時要保證安裝和插板的總厚度小于10mm。另外身體外圍還要開槽，是為了步進電機輸出線連到從機驅(qū)動板上；頂板通過螺釘連接到身體上。2.6 機構設計總結（1） 阻礙設計的關鍵是動力元件的選擇。該機器人設計中采用永磁步進電機，但電機外形遲遲沒有定下來，而電機對于這種小型機器人的設計又有重要影響。電機校核力學模型需要自己設計；小型步進電機難以買到，只能從網(wǎng)上查找資料，然后訂購；微型電機動力較小，需要增加減速箱，提高速度，增大力矩，這些原因一度讓設計難以進行，設計之前就一定要明確動力源，建立起力學模型，校核好功率，確定明確的尺寸，這樣做可以避免機構設計反復。（2） 設計過程中

53、要考慮加工問題，以及可裝配性問題，尤其是圖紙，作為機械工程師的語言，圖紙一定要符合國際標準，高質(zhì)量的圖紙是設計實現(xiàn)的基本特征，作圖時要注意基準統(tǒng)一，加工工藝性，形位公差的實現(xiàn)等?？?結本文結合步行機器人的研究現(xiàn)狀，具體闡述了一種六足仿生機器人的運動原理和機構的組成。整個系統(tǒng)的設計過程不僅是對自己設計水平和實踐能力的一次大查閱，通過設計，也學習并熟悉了開發(fā)機電一體化系統(tǒng)所必需的流程。本次設計是我們踏入社會前的最后一次設計，也是對我們這四年學習的一次大總結和應用。這不僅提高了我們的設計能力和動手水平。也為我們在踏入社會后盡快的適應新的工作崗位提供了便利。仿生機器人的設計融合了機械原理、機械設計、動

54、力學等專業(yè)課程還包括高等物理中的力學分析等普通課程，在設計軟件方面我們采用的是AutoCAD 和 Pro/E軟件。本設計主要進行了一下幾個方面的設計：1.分析步行機器人的執(zhí)行機構，討論機構的可行性。確定機器人運動方案，包括腿的數(shù)目，機器人的步態(tài)分析。2.步行機器人機構設計，主要是進行模塊化設計腿部機構，機器人三維建模，改進機械結構設計，生成圖紙并根據(jù)圖紙制作機器人樣件。 在設計過程中我得到了老師和同學的巨大的幫助，在這要謝謝他們并把最美的祝福送給他們，希望他們的未來會更加的美好。參考文獻1. 崔海萍，閆軍. Solidworks2006中文版標準實例教程. 北京：機械工業(yè)出版社. 2005.1

55、02. 劉傳璽，齊秀麗. 機電一體化技術基礎及應用. 濟南：山東大學出版社. 2001.8.3. 遲冬祥，顏國正. 仿生機器人的研究狀況及其未來發(fā)展. 機器人. 2001，23(5): 476-4794. 馬光. 仿生機器人的研究發(fā)展. 機器人. 2001，23(5): 463-4655. 范偉，彭光正，寧汝新，柴森春. 氣動人工肌肉驅(qū)動器在六足步行機器人中的應用. 機器人技術與應用. 2003，16. 徐小云，顏國正. 六足微型機器人及其控制系統(tǒng)研究. 計算機工程. 2002，28(11): 81-837. 徐小云，顏國正. 微型六足仿生機器人及其三角步態(tài)的研究. 光學精密工程. 2002，10(4): 392-3968孫恒 ，陳作模。機械原理（第六版）。高等教育出版社. 2001.59濮良貴，紀名剛。機械設計（第七版）。高等教育出版社. 2001.610.Advanced Robotics PREUMONTA GhuysD GhuysD 1991/02P 941-94511.IEEE Internationnal Symposiu