仿生六足機器人機構(gòu)的設(shè)計【多足多功能機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計】

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Picturing of the component and assembly mapping of the bionic hexapod robot as well as the inspection of related parts which ensures the feasibility of the machinery design are both included in the total design. Key words: bionics ；hexapod robot ；machinery  全日制普通本科生 畢業(yè)論文（設(shè)計）誠信聲明 本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)論文是本人在指導老師的指導下，進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。同時，本論文的著作權(quán)由本人與湖南農(nóng)業(yè)大學東方科技學院、指導教師共同擁有。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。 畢業(yè)論文（設(shè)計）作者簽名： 年 月 日 目 錄 摘要……………………………………………………………………………………1 關(guān)鍵詞…………………………………………………………………………………1 1 前言 ………………………………………………………………………………1 1.1 課題背景及目的 …………………………………………………………1 1.2 仿生機器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 ………………………………………2 1.3 仿生學原理分析 …………………………………………………………4 1.4 仿生六足機器人的研究方法與思路 ……………………………………4 2 整體設(shè)計方案 ……………………………………………………………………5 2.1 工作原理分析 ……………………………………………………………5 2.1.1 三角步態(tài)原理分析 ………………………………………………6 2.1.2 機器人走動步態(tài)分析 ……………………………………………6 2.2 機器人機構(gòu)的整體設(shè)計 …………………………………………………7 2.3 電機的選擇 ………………………………………………………………9 2.4 舵機驅(qū)動原理與控制方法………………………………………………12 2.4.1 舵機原理 …………………………………………………………12 2.4.2 舵機控制方法 ……………………………………………………12 3 零件的設(shè)計………………………………………………………………………13 3.1 軀干的設(shè)計………………………………………………………………13 3.2 基節(jié)的設(shè)計………………………………………………………………14 3.3 關(guān)節(jié)蓋的設(shè)計……………………………………………………………15 3.4 脛節(jié)片的設(shè)計……………………………………………………………16 3.5 足的設(shè)計…………………………………………………………………17 3.6 連接桿的設(shè)計……………………………………………………………17 3.7 固定片的設(shè)計……………………………………………………………18 4 總結(jié)………………………………………………………………………………19 參考文獻 ……………………………………………………………………………19 致謝 …………………………………………………………………………………20 1 前言 1.1 課題背景及目的 機器人是科技和社會的發(fā)展的必然產(chǎn)物，機器人的運用促進了生產(chǎn)力的發(fā)展，為人類社會文明的進步做出了巨大的貢獻。人工智能技術(shù)的研究使得機械向著智能化方向發(fā)展，因此機器人的研發(fā)已經(jīng)成為了各國科技競爭的一個重要方面。機器人的研制水平代表著一個國家的綜合科技實力，新型機器人更是能代表一個國家的尖端科技成果。如今，世界上機器人的應用已經(jīng)非常普遍，機器人的種類更是繁多[1]。 機器人從傳統(tǒng)的單一機構(gòu)向著多元化轉(zhuǎn)變，人類研究機器人也突破自身視的局限擴展到世間萬物。機器人的研究由結(jié)構(gòu)環(huán)境的定點作業(yè)向著非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主作業(yè)轉(zhuǎn)變，在軍事偵查、宇航、搶險救災、星球探索、搶險救災等方向顯示出廣泛的前景。機器人能在人類不能或難以到達的未知環(huán)境中工作，人們要求機器人不僅適應原來結(jié)構(gòu)化的、已知的環(huán)境，更要適應未來發(fā)展中的非結(jié)構(gòu)化的、未知的環(huán)境。除了傳統(tǒng)的設(shè)計方法，人們也把目光對準了生物界，尋求從大自然奇妙的生物身上獲得靈感，將它們的運動機理和行為方式運用到對機器人的運動和控制中，從而使得機器人既具有感覺有具有某些思維功能，并由這些功能控制動作，具有與生物或者人類相類似的智能。將仿生學原理應用到工程系統(tǒng)的研究與設(shè)計中，為機器人的發(fā)展指出了新的方向[2]。 仿生多足機器人是模仿多足動物運動形式的特種機器人。據(jù)調(diào)查，地球上近一半的地面不能為傳統(tǒng)的輪式或履帶式車輛所到達，但很多足式動物卻可以在這些地面上行走自如。因此，仿生多足機器人的運動方式具有其他地面推進方式所不具有的獨特優(yōu)越性能，仿生多足機器人的運動方式具有較好的機動性，對不平整地面具有較好的適應能力。多足步行機器人在不平地面和松軟地面上的運動速度較快，而且能耗較少[2]。 基于仿生多足機器人的諸多的優(yōu)點，為了充分利用這些優(yōu)越的性能為人類服務(wù)，我們有必要對其進行深入的研究，使仿生多足機器人能在人類社會的發(fā)展歷程中發(fā)揮它的作用。 1.2 仿生機器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 仿生機器人就是通過對生物的性能和行為進行模仿，將其結(jié)構(gòu)特征、運動理、行為方式等應用于機器人的設(shè)計中，研制具有某些生物的外形或機能的機器人系統(tǒng)。仿生機器人的誕生是仿生技術(shù)與機器人技術(shù)融合的結(jié)果，涉及仿生學、力學、機構(gòu)學、控制學、計算機科學、信息科學、微電子學、傳感技術(shù)、人工智能等諸多學科，從而使機器人既擁有傳統(tǒng)機器人所具有的優(yōu)點，又將生物運動機理和行為方式作為理論模型運用于機器人的運動控制，借大自然千萬年來“自然選擇”的造化之手來提高機器人的運動能力和效率，使其突破原有理論的藩籬，大大提高了機器人的運動特性和工作效率。仿生機器人大致可分為仿人機器人和仿非人生物機器人，仿人機器人是目前機器人技術(shù)的前沿課題和具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題之一，主要是研究多自由度的關(guān)節(jié)型機器人操作臂、多指靈巧手的組合既雙足步行機器人機構(gòu)；仿非人生物機器人主要是研究多足機器人、蛇形機器人、水下機器人及飛行機器人等。當前，仿生機器人研究的熱點主要涉及到運動機理仿生、控制機理仿生、信息感知仿生、能量代謝仿生和材料合成仿生。目前，已經(jīng)研制出了幾款典型的仿生多足機器人，如仿壁虎四足機器人、仿竹節(jié)蟲六足機器人、仿螳螂六足機器人、仿蜘蛛八足機器人、仿蝎八足機器人等 [3]。 機器人的應用范圍遍及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、娛樂、服務(wù)和國防各個領(lǐng)域，機器人的 應用朝著多元化、多領(lǐng)域、多用途的方向發(fā)展。機器人正朝著智能化發(fā)展，將人 工智能與仿生學相結(jié)合制造出類生物機器人。近年來隨著日本仿生機器ASIMO\美國火星探測器等項目的研制成功，智能機器人的研究和發(fā)展，特別是能夠代替人在危險、惡劣等環(huán)境中從事特殊任務(wù)的特種智能機器人的研究和發(fā)展，成了各國政府制定高技術(shù)計劃的一個重要內(nèi)容，支撐智能機器人的關(guān)鍵技術(shù)——感知與智能控制技術(shù)已成為機器人研究領(lǐng)域的熱點之一[1]。 20 世紀 90 年代初，美國麻省理工學院的教授布魯克斯在學生的幫助下，制造出一批蚊型機器人，取名昆蟲機器人，這些小東西的習慣和蟑螂十分相近。它們不會思考，只能按照人編制的程序動作。幾年前，科技工作者為圣地亞哥市動物園制造電子機器鳥，它能模仿母兀鷹，準時給小兀鷹喂食；日本和俄羅斯制造了一種電子機器蟹，能進行深?？販y，采集巖樣，捕捉海底生物，進行海下電焊等作業(yè)。美國研制出一條名叫查理的機器金槍魚，長 1.32 米，由 2843 個零件組成。通過擺動軀體和尾巴，能像真的魚一樣游動，速度為 7.2 千米/小時。可以利用它在海下連續(xù)工作數(shù)個月，由它測繪海洋地圖和檢測水下污染，也可以用它來拍攝生物，因為它模仿金槍魚惟妙惟肖。在美國，科技人員研制設(shè)計的金槍魚潛艇，其實就是金槍魚機器人，行駛速度可達 20 節(jié)，是名副其實的水下游動機器。它的靈活性遠遠高于現(xiàn)有的潛艇，幾乎可以達到水下任何區(qū)域，由人遙控，它可輕而易舉地進入海底深處的海溝和洞穴，悄悄地溜進敵方的港口，進行偵察而不被發(fā)覺。作為軍用偵察和科學探索工具，其發(fā)展和應用的前景十分廣闊。目前，中國科學院也已經(jīng)研究出了類似仿生魚機器人。研究制造昆蟲機器人，其前景也是非常美好的。例如，有人研制一種有彈性腿的機器昆蟲，大小只有一張信用卡的 1/3 左右，可以像蟋蟀一樣輕松地跳過障礙，一小時幾乎可前進 37 米。美國科學家研制的蜜蜂機器人，在加裝太陽能電池板和傳感設(shè)備后可自主飛行相當長的時間。這種機器昆蟲最特殊的地方是突破了“牽動關(guān)節(jié)必須加發(fā)動機”的觀念。機器人正在向人工智能方向快速發(fā)展，仿生機器人的發(fā)展也非?？?。機器人的存在價值就在于它能夠做很多人類不能完成的任務(wù)，人類是有生命體征的動物，對生存條件有很高的要求。而機器人是一臺機器，它沒有生命體征，只有在極其惡劣的環(huán)境中工作時才會對它機體的材料有比較高的要求。這樣就可以讓機器人代替人類去完成那些人類無法完成的任務(wù)。隨著人類研究領(lǐng)域的不斷擴展，以及人類生活水平的不斷提高，機器人的發(fā)展也顯得越來越重要[3]。 自然界中的各種生物通過物競天擇和長期進化，已對外界環(huán)境產(chǎn)生了極強的適應性，在能量轉(zhuǎn)化、運動控制、狀態(tài)調(diào)節(jié)、信息處理和方位辨別等方面還表現(xiàn)出高度的合理性。因此機器人朝著仿生方向發(fā)展是必然的。曾經(jīng)在 IEEE 機器人學與仿生學國際學術(shù)會議上，與會的機器人專家就指出：“模仿生物的身體結(jié)構(gòu)和功能，從事生物特點工作的仿生機器人，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工業(yè)機器人，成為成為未來機器人的發(fā)展方向[1]。 1.3 仿生學原理分析 仿生式六足機器人，顧名思義，六足機器人在我們理想架構(gòu)中，我們借鑒了自然界昆蟲的運動原理。 足是昆蟲的運動器官。昆蟲有3對足，在前胸、中胸和后胸各有一對，我們相應地稱為前足、中足和后足。每個足由基節(jié)、轉(zhuǎn)節(jié)、腿節(jié)、脛節(jié)、跗節(jié)和前跗節(jié)幾部分組成?；?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。腿節(jié)是最長最粗的一節(jié)。第四節(jié)叫脛節(jié)，一般比較細長，長著成排的刺。第五節(jié)叫跗節(jié)，一般由2-5節(jié)個亞節(jié)組成：為的是便于行走。在最末節(jié)的端部還長著兩個又硬又尖的爪，可以用它來抓住物體。行走是以三條腿為一組進行的，即一側(cè)的前、后足與另一側(cè)的中足為一組。這樣就形成了一個三角形支架結(jié)構(gòu)，當這三條腿放在地面并向后蹬時，另外三條腿即抬起向前準備替換。前足用爪固定物體后拉動蟲體向前，中足用來支持并舉起所屬一側(cè)的身體，后足則推動蟲體前進，同時使蟲體轉(zhuǎn)向。 這種行走方式使昆蟲可以隨時隨地停息下來，因為重心總是落在三角支架之內(nèi)。并不是所有成蟲都用六條腿來行走，有些昆蟲由于前足發(fā)生了特化，有了其他功能用或者退化，行走就主要靠中、后足來完成了。大家最為熟悉的要算是螳螂了，我們常看到螳螂一對鉗子般的前足高舉在胸前，而是由后四條足支撐地面行走[4]。 參考以上的昆蟲足部結(jié)構(gòu)，我想出了較簡單的方式來表達。一只腳的兩個關(guān)節(jié)來主動運動，一個關(guān)節(jié)采用左右式移擺；另一個關(guān)節(jié)則是采用偏擺式，使得腳可以提高，當做上下運動的一種。 1.4 仿生六足機器人的研究方法與思路 本次研究的仿生機器人采用六足設(shè)計，而機構(gòu)設(shè)計是仿生六足機器人本次的任務(wù)，也是仿生六足機器人系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。整機機械結(jié)構(gòu)、自由度數(shù)、驅(qū)動方式和傳動機構(gòu)等都會直接影響機器人的運動和動力性能。同時，仿生六足機器人機構(gòu)的設(shè)計除了要滿足系統(tǒng)的技術(shù)性能外，還要滿足經(jīng)濟性能要求，即必須在滿足機器人的預期技術(shù)指標的同時，考慮用材合理、制造安裝便捷、價格低廉以及可靠性高等問題。 仿生六足機器人的機構(gòu)由軀體和腿兩部分組成，腿的數(shù)量及其配置是整體設(shè)計的主要問題?，F(xiàn)有多組機器人的足數(shù)包括三足、四足、六足、八足甚至更多，足的數(shù)目較多時適合重載和慢速運動，而足數(shù)少時似乎運動更加靈活。足數(shù)選擇的因素主要有：穩(wěn)定性、節(jié)能性、冗余性、關(guān)節(jié)控制性能的要求、制造成本、質(zhì)量、所需傳感器的復雜性以及可能的步態(tài)等；腿的配置是指步行機器人的足相對于機體的位置和方位的安排，確定分布形式時，還需考慮一些細節(jié)問題，如腿在主平面內(nèi)的幾何構(gòu)形和腿桿件的相對彎曲方向等。此次設(shè)計腿的分布如圖1所示。 圖 1 仿生六足機器人腿的分布示意圖 Fig 1 Bionic six foot robot leg distribution diagram 綜合足數(shù)等因素，本設(shè)計的行走步態(tài)采用三角步態(tài)，這也是六足機器人步行方式通常采用的。三角步態(tài)中，六足機器人身體的一側(cè)的前足和后足與另一側(cè)的中足共同組成一組。其他三條足組成另外一組。 2 整體設(shè)計方案 2.1 工作原理分析 六足步行機器人的步態(tài)是多樣的，其中三角步態(tài)是六足步行機器人實現(xiàn)步行的典型步態(tài)。以下著重分析三角步態(tài)原理。 2.1.1 三角步態(tài)原理分析 “六足綱”昆蟲步行時，一般不是六足同時直線前進，而是將三對足分成兩組，以三角形支架結(jié)構(gòu)交替前行。目前，大部分六足機器人采用了仿昆蟲的結(jié)構(gòu)，6條腿分布在身體的兩側(cè)，身體左側(cè)的前、后足及右側(cè)的中足為一組，右側(cè)的前、后足和左側(cè)的中足為另一組，分別組成兩個三角形支架，依靠大腿前后劃動實現(xiàn)支撐和擺動過程，這就是典型的三角步態(tài)行走法。由于身體重心低，容易穩(wěn)定，所以這種行走方案能得到廣泛運用[5]。 2.1.2 機器人走動步態(tài)分析 項目設(shè)計共使用18個舵機用于步態(tài)實現(xiàn)。每條腿上有三個舵機，分別控制跟關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運動，其中兩個舵機安裝呈正交，構(gòu)成垂直和水平方向的自由度。由于腿具有水平和垂直平面的運動自由度，所以考慮利用三角步態(tài)實現(xiàn)直線行走。分別給18個舵機編號（1-18），如下圖所示。 A B C F E D 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 18 17 圖2 舵機安裝示意圖 Fig 2 Steering gear installed scheme （1）行走步態(tài)分析 由1、2、3、7、8、9、13、14、15號舵機控制的A、C、E腿所處的狀態(tài)總保持一致（都是正在擺動，或者都在支撐）；同樣，4、5、6、10、11、12、16、17、18號所控制的B、D、F腿的狀態(tài)也保持一致。當處在一個三角形內(nèi)的3條腿在支撐時，另3條腿正在擺動。支撐的3條腿使得身體前進，而擺動的腿對身體沒有力和位移的作用，只是使得小腿向前運動，做好接下去支撐的準備。步態(tài)函數(shù)的占空系數(shù)為0.5，支撐相和擺動相經(jīng)過調(diào)整，達到滿足平坦地形下的行走步態(tài)要求和穩(wěn)定裕量要求[7]。 （2）轉(zhuǎn)彎步態(tài)分析 項目設(shè)計的機器人采用以一中足為中心的原地轉(zhuǎn)彎方式實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，右轉(zhuǎn)彎運動的過程如下：首先A、C、E腿抬起，然后A、C腿向前擺動，E腿保持不動，B、D、F腿支撐。然后A、C、E腿落地支撐，同時B、D、F腿抬起保持不動。最后A、C腿向后擺動。整個運動過程中B、D、E、F不做前后運動，只是上下運動[7]。 2.2 機器人機構(gòu)的整體設(shè)計 六足機器人在步行運動過程中將六條腿分為 2 組，以蟲體的一側(cè)的前足和后足及另一側(cè)的中足為一組，其余的三條腿又為一組。在運動過程中，會有一組腿抬起，一組腿著地，三只著地的腿不僅保持蟲體的平穩(wěn)性，而且在擺腿的時候產(chǎn)生推動力，使蟲體能夠完成直線或轉(zhuǎn)彎運動。本設(shè)計中采用的三角步態(tài)是將六足機器人的六條腿分為 2 組，1、3、5 號腿為一組，2、4、6 號腿為另一組。六足機器人通過控制 2 組腿交替地抬起、擺動、放下來實現(xiàn)步行運動。抬起得每條腿從軀體上看是開鏈結(jié)構(gòu)，相當于串聯(lián)手臂，而同時著地的3條腿或6條腿與軀體構(gòu)成并聯(lián)多閉鏈多自由度機構(gòu)。步行機器人在正常行走條件下，各支撐腿與地面接觸存在摩擦不打滑，可以簡化為點接觸，相當于機構(gòu)學上的3自由度球面副，再加上跟關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)（各關(guān)節(jié)為單自由度，相當于轉(zhuǎn)動副），每條腿都有6個單自由度運動副。假設(shè)步行機器人任一時刻處于支撐相的腿數(shù)為n，則此時模型為具有n個分支的空間多環(huán)并聯(lián)機構(gòu)，其自由度可由下式計算： （1） 式中：p----運動副數(shù)，p=4n； ----第i個運動副具有的自由度數(shù)，=1（i=1~3n）,=3(i=3n+1~4n); L----獨立封閉環(huán)數(shù)，L=n-1； ----第i個獨立封閉環(huán)所具有的封閉約束條件數(shù)，=6； ----消極自由度數(shù)，=0； 和----分別為局部自由度數(shù)和重復約束數(shù)，。 將以上參數(shù)代入式（1），可得： F=3n+3n-(n-1)6=6 由此可知，無論步行機器人有幾條腿處于支撐相，不論是3足支撐或6足支撐，整個機構(gòu)是具有6自由度的空間多環(huán)并聯(lián)機構(gòu)，只是有時是3分支并聯(lián)機構(gòu)，有時是6分支并聯(lián)機構(gòu)。6足步行機這樣行走，從機構(gòu)學角度看就是3分支并聯(lián)機構(gòu)、6分支并聯(lián)機構(gòu)及串聯(lián)開鏈機構(gòu)之間不斷變化的復合型機構(gòu)。同時，上式也說明，無論該步行機器人采取的步態(tài)及地面狀況如何，軀體在一定范圍內(nèi)均可靈活地到達任意的位置，并呈現(xiàn)要求的姿態(tài)。仿生六足機器人腿分布示意圖如圖3所示。 圖3 仿生六足機器人腿分布示意圖 Fig 3 Bionic six foot robot leg distribution diagram 仿生六足機器人的六支腿均布在圓盤狀的機身上，根據(jù)設(shè)計要求：單腿是具有三自由度的運動副，因此每條腿上裝配三個電機以實現(xiàn)三個轉(zhuǎn)動的自由度。電機的裝配位置為腿的跟關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)部位。基節(jié)與機身主板連接，跟關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)每個都有相應的自由度來保證正常的運動。脛節(jié)用于連接關(guān)節(jié)部位，以保證了良好的運動性，六足機器人的足部分大致采用了仿昆蟲的足部設(shè)計，具有良好的通過性、優(yōu)越的實用性以及較好的靈活性。腿在行走過程中交替地支撐機體的質(zhì)量，并在負重狀態(tài)下推進機體向前運動，因此必須具備與整機質(zhì)量相適應的剛性和承載能力。項目設(shè)計的仿生六足機器人，采用相似的三自由度關(guān)節(jié)式腿機構(gòu)，其中膝關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)分別由電機和錐齒輪共同驅(qū)動，以便用簡單的機構(gòu)獲得較大的工作空間和靈活度。通過控制相應關(guān)節(jié)電機的運動使機器人具備了多個自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)機器人步行足在可達域內(nèi)任意一點的自由定位。在結(jié)構(gòu)上保證其能夠更有效地模擬昆蟲的行走方式以完成相對復雜的運動。驅(qū)動系統(tǒng)在仿生六足機器人中的作用相當于生物的肌肉，它通過轉(zhuǎn)動腿部各關(guān)節(jié)來改變機器人的姿態(tài)。驅(qū)動系統(tǒng)必須擁有足夠的功率對關(guān)節(jié)進行加、減速并帶動負載，而且自身必須輕便、經(jīng)濟、精準、靈敏、可靠且便于維護六足機器人的腿生物結(jié)構(gòu)示意圖4所示[8]。 圖4 仿生六足機器人腿的生物結(jié)構(gòu)示意圖 Fig 4 Bionic six foot robot leg biological structure diagram 2.3 電機的選擇 電機的選擇需要考慮機器人的質(zhì)量和最大扭矩。則需要有腿的質(zhì)量和尺寸，通過查閱及預算得出：上腿（股節(jié)）的有效長度為 34mm，中腿（脛節(jié)）有效長度為 34mm,下腿（足）有效長度 90mm。上腿 190 克，中腿 140克，下腿 150 克。對腿部進行受力分析，做出受力簡圖5如下。 圖5 仿生六足機器人腿的受力簡圖 Fig 5 Bionic six foot robot leg force diagram 仿生六足機器人以地面為 xoy 平面，仿生六足機器人的重心在 xoy 平面上的投影為坐標原點 O，z 軸與機身垂直。 仿生六足機器人的每條腿都有三個自由度，每條腿都由上腿、中腿和下腿通過舵機連接而成。本設(shè)計中，上腿的長度為34mm，中腿的長度為34mm，下腿的長度為90mm。機體和上腿由A舵機連接，上腿與中腿由B舵機連接，中腿和下腿由C舵機連接。腿著地時，上腿與中腿間的夾角為135度，中腿與下腿間的夾角為135度，抬腿時，B舵機逆時針轉(zhuǎn)動30度。在仿生六足機器人行走過程中，未了避免腿與腿會碰到，腿擺動時需要選擇合適的角度，本設(shè)計中運動控制時選擇的擺動角度為30度。 針對仿生六足機器人支撐腿的受力狀況，其虛位移平衡方程的分析如下： 首先用表示質(zhì)點系的廣義坐標，即有 （2） ，，，，，，，，，則仿生六組機器人步行足的廣義平衡方程為： （3） （4） 其中 M2、M3 為膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)所需扭矩，l2、l3、 m2、 m3 為脛節(jié)、足的長度和質(zhì)量。 假設(shè)仿生六足機器人按“三角步態(tài)”行走，支撐相三足均勻承受負荷，則足的反力為： （5） 仿生六足機器人在實際運動中，存在 的情況。據(jù)此，可推算出各關(guān)節(jié)所需的扭矩為： （6） （7） 當q2=90°，q2-q3=30°時，由公式得，關(guān)節(jié)需輸出扭矩最大值為： （8） （9） 計算得出，電機的最大輸出扭矩要大于1.58 Nm。 根據(jù)數(shù)據(jù)選用的伺服馬達為 TowPro 的，型號為 SG303。其主要技術(shù)參數(shù)如下： 轉(zhuǎn)速：0.23 秒／30 度。 力矩：1.8Nm。 尺寸：40.4mm×19.8mm×36mm。 重量：37.2g。 5V 電源供電。 舵機的結(jié)構(gòu)如圖6所示 圖6 舵機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 Fig 6 Internal structure of the actuator 通過整體設(shè)計確定六足機器人的基本結(jié)構(gòu)，通過電機的選擇確定仿生六足機器人的質(zhì)量和腿的尺寸，為后面的零件設(shè)計做了準備。 2.4 舵機驅(qū)動原理 仿生六足機器人采用電動驅(qū)動的方式進行驅(qū)動，驅(qū)動器采用微型直流角位移伺服電動機（舵機）。 2.4.1 舵機原理 舵機是一種結(jié)構(gòu)簡單的、集成化的直流伺服系統(tǒng)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由直流電機、減速齒輪、電位計和控制電路組成。舵機采用的驅(qū)動信號是脈沖比例調(diào)制信號（PWM），即在通常為20ms的周期內(nèi)，輸入以0.5-2.5ms變化的脈沖寬度，對應的轉(zhuǎn)角范圍從0度變化到180度，脈沖寬度與轉(zhuǎn)角呈線性關(guān)系?？刂菩盘柧€提供一定脈寬的脈沖時，其輸出軸保持在相應的角度上。若舵機初始角度狀態(tài)在0度位置，那么電機只能朝一個方向運動。所以初始化的時候，應將所有電機的位置定在90 度的位置。機器人跟關(guān)節(jié)連接的舵機轉(zhuǎn)軸為水平轉(zhuǎn)動，控制腿部前進和后退。 2.4.2 舵機控制方法 標準的舵機有3條導線，分別是：電源線、地線、控制線。 輸出轉(zhuǎn)軸 電源線Vcc 地線GND 控制線 圖7 標準舵機 Fig 7 Standard steering gear 電源線和地線用于提供舵機內(nèi)部的直流電機和控制線路所需的能源，電壓通常介于4-6V，這里取5V。給舵機供電電源應能提供足夠的功率?？刂凭€的輸入是一個寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號，方波脈沖信號的周期為20ms（即頻率為50Hz）。當方波的脈沖寬度改變時，舵機轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生變化，角度變化與脈沖寬度成正比。 從上述舵機轉(zhuǎn)角的控制方法可看出，舵機的控制信號實質(zhì)是一個可調(diào)寬度的方波信號（PWM）。該方波信號可由FPGA、模擬電路或單片機來產(chǎn)生。采用FPGA成本較高，用模擬電路來實現(xiàn)則電路較復雜，不適合多路輸出。所以一般采用單片機作為舵機的控制器。這里主要對機構(gòu)進行設(shè)計，單片機電子部分就暫不過多研究了。 舵機輸出軸轉(zhuǎn)角 輸入信號脈沖寬度 （周期為20ms） 0.5ms 1ms 1.5ms 圖8 舵機輸出轉(zhuǎn)角與輸入信號脈沖寬度關(guān)系 Fig 8 Actuator output angle and input signal pulse width 3 零件的設(shè)計 3.1 軀干的設(shè)計 仿生六組機器人的六條腿為均布在圓盤狀得機身上，為了設(shè)計簡潔，故將機身做成圓片形，直徑為 150mm。上下各一個，中間通過加工了內(nèi)螺紋的金屬圓柱支撐，從上下用螺釘將其固定。 在主板上鉆出六組通孔，每組兩個，以用來安裝六組機器人的腿。通孔的直徑因大于 M3 的開槽圓柱頭螺釘?shù)拇髲剑员懵葆斈艽┻^通孔?？追植荚诎霃綖?5mm 的圓上，同組兩個孔相距為 25mm。 為了減輕重量，在不影響結(jié)構(gòu)安全的情況下，對圓片鉆孔，十二個孔均布在半徑為 50mm 的圓上，中心同樣去一個半徑為 40mm 的圓。這樣以來就可大幅降低零件的質(zhì)量。機身主板是整個機構(gòu)最中心的地方，它承載了6只足的負荷，設(shè)計要達到滿足的載荷、強度要求以及適合的尺寸。以上追求了輕便化的設(shè)計還是需要強調(diào)它的本身及部件可靠及便于維護的特點。機身主板如圖9所示。 圖9 機身主板 Fig 9 Motherboard 3.2 基節(jié)的設(shè)計 基節(jié)作為機器人的腿的安裝位置，需考慮舵機的安裝。這里采用兩個片狀零件來構(gòu)成基節(jié)。分為上基節(jié)片和下基節(jié)片。圖10為上基節(jié)片 圖10 基節(jié)片 Fig 10 Coxal plate 基節(jié)做成長片狀使得腿的安裝位置向前伸展，使得腿部空間增大，可避免兩腿的刮碰，其長度為 65mm，前端寬度為 25mm 后端基座 32mm。分上下兩塊，上基節(jié)片前端中心位置鉆一個直徑為 4mm 的通孔，為舵機的轉(zhuǎn)軸預留。以前端中心為圓心在半徑為 7.5mm 的圓上均布四個直徑為 3mm 的內(nèi)螺紋孔。通過與固定在轉(zhuǎn)動軸上的圓片連接，當舵機轉(zhuǎn)動時，舵機的機身就會帶動與它緊固的部分轉(zhuǎn)動。這個位置可稱為仿生六足機器人的跟關(guān)節(jié)。 下基節(jié)片為跟關(guān)節(jié)舵機的安放平臺，在前端半圓的中心位置裝一個半徑為10mm 的圓片，圓片的中心位置為一通孔與跟關(guān)節(jié)舵機底片的相同位置的通孔由一個圓柱銷定位。圖11為下基節(jié)片 圖11 下基節(jié)片 Fig 11 Base segment 下基節(jié)片與上基節(jié)片在結(jié)構(gòu)上只有一個直徑為 4mm 的通孔的區(qū)別，其基本尺和上基節(jié)片一樣，厚度同為 3mm。 3.3 關(guān)節(jié)蓋的設(shè)計 關(guān)節(jié)蓋的作用是用來連接跟關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的。其后部夾住跟關(guān)節(jié)的舵機，前部套住膝關(guān)節(jié)的舵機，由于在這個零件上裝載了兩個舵機，考慮到穩(wěn)定性因此其長度不能太長。圖12即關(guān)節(jié)蓋 圖12 關(guān)節(jié)蓋 Fig 12 Joint cover 前端加工一個長 42mm 寬 21mm 的方形孔，方孔用來固定膝關(guān)節(jié)舵機由圖可知關(guān)節(jié)蓋也需兩件，后部把跟關(guān)節(jié)的舵機夾住，通過兩個螺釘固定。前端方孔的尺寸略大于舵機的同位置尺寸，將舵機放入方孔，前后各一個，兩個關(guān)節(jié)蓋相距為 20mm。因舵機本身帶有固定部。因此裝入四個 M4 的螺釘，通過上下兩個孔，與關(guān)節(jié)蓋固定。 關(guān)節(jié)蓋的基本尺寸為 85mm 長、60mm 寬、厚度為 3mm。其中后部寬為 40mm。綜合兩個舵機安裝后的位置，膝關(guān)節(jié)的舵機的轉(zhuǎn)軸與跟關(guān)節(jié)舵機的轉(zhuǎn)軸的距離為30mm。這個 30mm 即為股節(jié)的長度，作為腿的最末端 30mm 的長度似乎偏短?？紤]到股節(jié)短可避免相鄰兩腿的碰撞，這使得每條腿都能在一個安全的區(qū)域內(nèi)運動。便于操控與行走，確保了機構(gòu)的可行性。 3.4 脛節(jié)片的設(shè)計 脛節(jié)作為膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的連接部分稱之為中腿。脛節(jié)片直接與兩個舵機的轉(zhuǎn)動軸。從腿的上端往下看，脛節(jié)片的上部與膝關(guān)節(jié)的舵機相連接，當膝關(guān)節(jié)的舵機轉(zhuǎn)動時，帶動整個脛節(jié)運動。在脛節(jié)下端與踝關(guān)節(jié)以及足部相連接，可帶動中足、下足。從下往上看時，當足部地面接觸踝關(guān)節(jié)舵機轉(zhuǎn)動，由于足部分與地面接觸相當足部被固定，踝關(guān)節(jié)舵機扭矩即通過脛節(jié)片向上傳遞。傳遞上去的扭矩使仿生六足機器人的軀體運動。 在脛節(jié)的兩個脛節(jié)片中有一片需與兩個關(guān)節(jié)的舵機相連。這就有了傳動脛節(jié)片的設(shè)計。傳動脛節(jié)片的結(jié)構(gòu)圖如圖13所示 圖13 傳動脛節(jié)片 Fig 13 Femur plate transmission 傳動脛節(jié)片的尺寸為長 75mm、寬 22mm、厚 3mm。在兩端的半圓的圓心位置加工直徑為 4mm 的通孔用于與舵機相連接。在中間中心線兩邊分布有兩個直徑 2.2 的通孔，加裝兩個連接桿用于兩塊脛節(jié)片的連接。連接桿的長度為 45mm。 圖14 脛節(jié)片 Fig 14 Tibia plate 與傳動脛節(jié)片相對應的另一塊脛節(jié)片用加強膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)的連結(jié)，結(jié)構(gòu)如圖14所示 兩塊脛節(jié)片平行裝配連接，通過中間的兩根連接桿用螺釘緊固。從而組成中腿。 3.5 足的設(shè)計 足作為機器人與地面相接觸的部分，由裝在踝關(guān)節(jié)上的舵機控制運動。為了減小與地面的摩擦，足前端做成尖的圓頭狀。如圖15所示 圖15 足 Fig 15 Foot 足的后部分做寬為了能夠?qū)⒍鏅C裝進來。根據(jù)計算足的長度為 90mm，這個長度是指從足尖到裝在足上的舵機的轉(zhuǎn)軸的長度，實際的足的零件的設(shè)計長度為108mm，在保證 90mm 后還需舵機的裝配空間。足寬為 30mm。 3.6 連接桿的設(shè)計 為了能夠?qū)⒛承┝慵b配起來，需要加入支撐物。體積和質(zhì)量小的桿狀連接件成了設(shè)計的首選。首先作為構(gòu)成六足機器人軀干的機身主板，兩板之間的距離需按裝在跟關(guān)節(jié)上的舵機的尺寸來確定。由舵機的結(jié)構(gòu)可知舵機的寬度尺寸作為機身主板的間距的基礎(chǔ)，經(jīng)計算可知軀干上的連桿需 44mm 長。通過兩頭的螺釘緊固。圖16即軀干上的連接桿。 圖16 軀干連接桿 Fig 16 Trunk connecting rod 在連接桿的兩端鉆孔攻絲加工內(nèi)螺紋以便與螺釘配合。另一個是用于兩塊脛節(jié)片的連接，使得通過脛節(jié)把足和股節(jié)連接起來如：如圖17所示。 圖17 脛節(jié)連桿 Fig 17 Femur rod 3.7 固定片的設(shè)計 如何讓舵機的傳動軸的扭矩作用到腿的幾個關(guān)節(jié)，這需要進行相關(guān)的連接和固定，以確保實現(xiàn)機器人足部穩(wěn)定的行走以及良好的靈活性能。這需要設(shè)計專門的零件來實現(xiàn)。針對前面設(shè)計的零件設(shè)計出圓片狀的固定片。傳動連接片通過直接與舵機的傳動軸連接，再由四個螺釘與基節(jié)片或脛節(jié)片連接即可將扭矩傳遞出來。 關(guān)節(jié)連接片通過裝在中心孔和舵機固定板的圓柱銷連接，用來固定舵機的位置以及給仿生六足機器人的機構(gòu)保證穩(wěn)定性。另外連接片還通過四個螺釘與基節(jié)片或脛節(jié)片相連接。在跟關(guān)節(jié)與股節(jié)片相連的過程中以及在膝關(guān)節(jié)與脛關(guān)節(jié)的連接過程中，加上脛關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)的連接過程中以及踝關(guān)節(jié)與足底根部的連接過程中都需要用到固定片與連接片，這個關(guān)鍵部位看似簡單，其實在保證整個機構(gòu)的穩(wěn)定行走的狀態(tài)中，它的作用是功不可沒的。 通過具體的尺寸計算確定零件的尺寸，根據(jù)具體需要設(shè)計零件的結(jié)構(gòu)，在零件設(shè)計時活學活用。如圖18和19。 圖18 傳動連接片 圖19 關(guān)節(jié)連接片 Fig 18 Driving connecting piece Fig 19 Joint connecting piece 4 總結(jié) 畢業(yè)設(shè)計是大學里對所學知識的一次大練兵，為我們走向即將到來的工作崗位做準備。通過這次設(shè)計，我看到了自己的不足，但是從最初的無從下手到后來的主動發(fā)現(xiàn)問題這一過程中，我不斷地磨練了自己。從最開始選題，覺得六足機器人很有趣。畢業(yè)設(shè)計開始后我看到任務(wù)書我在懷疑當初的選擇是否合適，它是否適合我，我又能否適應它。通過自己的努力慢慢的一點點的克服，從中找到了樂趣。設(shè)計的進展也好轉(zhuǎn)了。四個月的設(shè)計即將結(jié)束。在這段時間里自己不斷地反思補償不足，學會了如何去做事如何提高自己。 參考文獻 [1] 陳懇 等.機器人技術(shù)與應用[M] .北京：清華大學出版社，2006 [2] 林良明.仿生機械學[M]。上海：上海交通大學出版社，1991，4：21-23 [3] 王坤興.機器人技術(shù)的發(fā)展趨勢[J],機器人技術(shù)與應用，2001,3：42-45 [4] 馬惠欽.昆蟲與仿生學淺談[J].昆蟲知識.2003，03：12-13 [5] 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