足機器人行走機構(gòu)設(shè)計

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1、機械創(chuàng)新設(shè)計課程設(shè)計2015-2016第 1 學(xué)期題目：六足式機器人的行走機構(gòu)設(shè)計小組成員：寧輕 631326110302 夏麗萍 631326110305 周義恒 631326110301 趙晨光 631326110117 陳森631326110304 班級：國機械一班指導(dǎo)教師：王正倫成績：日期：2015年12月目 錄摘 要4第一章緒 論11.1. 六足仿生機器人的概念：11.2.課題來源21.3.設(shè)計目的21.4.技術(shù)要求21.5.設(shè)計意義21.6.設(shè)計范圍31.7.國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r和存在的問題31.7.1.國外發(fā)展?fàn)顩r31.7.2.國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r41.7.3.存在的問題51.8.具體設(shè)計5

2、1.8.1.設(shè)計指導(dǎo)思想51.8.2.應(yīng)解決的主要問題51.8.3.本設(shè)計采用的研究計算方法61.8.4.技術(shù)路線6第二章六足仿生機器人的步態(tài)規(guī)劃72.1步態(tài)分類72.1.1 三角步態(tài)7跟導(dǎo)步態(tài)7交替步態(tài)72.2步態(tài)規(guī)劃概述82.3六足仿生機器人的坐標(biāo)含義92.4 三角步態(tài)的穩(wěn)定性分析122.4.1 穩(wěn)定性分析12穩(wěn)定裕量的計算122.5三角步態(tài)行走步態(tài)設(shè)計13直線行走步態(tài)規(guī)劃13轉(zhuǎn)彎步態(tài)分析152.6六足機器人的步長設(shè)計152.7六足機器人著地點的優(yōu)化16第三章六足機器人的機構(gòu)分析183.1四連桿機構(gòu)的設(shè)計18理論根據(jù)與機構(gòu)選擇183.2設(shè)計參數(shù)213.3步行腿機構(gòu)系統(tǒng)213.4 舵機驅(qū)動原

3、理22驅(qū)動原理223.4.2 舵機控制方法223.5 六足機器人主體設(shè)計243.5.1 機身24腿部的設(shè)計25足25小腿26大腿27第四章總結(jié)284.1.設(shè)計小結(jié)284.2設(shè)計感受284.3課程設(shè)計見解28參考文獻29謝 辭30摘要人類社會的發(fā)展，各種各樣的機器人正漸漸的走進我們的視野，有很多的地方都用到了機器人，在機器人的領(lǐng)域里越來越多的人開始愛好上了機器人。能更好的適應(yīng)環(huán)境和地形是多足仿生機器人的優(yōu)點，很多人的工作可以由機器人代替完成，科學(xué)價值和實際應(yīng)用價值是很重要的。復(fù)雜的多足機器人機構(gòu)是不易制造的，機器人六條腿的運動也難以有效地調(diào)控，能讓機器人選擇最優(yōu)秀的路徑到達目的地是一個很讓人思考

4、的問題。以昆蟲活動時選用的三角步態(tài)行動為基礎(chǔ)策劃六足機器人，為實現(xiàn)其全方位機動性，需要解決一系列的技術(shù)問題，首先，對機器人直線行走和轉(zhuǎn)彎進行步態(tài)規(guī)劃，分析其運動特性，根據(jù)對其進行的步行規(guī)劃確定其運動軌跡，之后確定其運動機構(gòu)，采用契貝謝夫四桿機構(gòu)作為其主要的驅(qū)動機構(gòu)，為了保證其轉(zhuǎn)彎的靈敏性，在小腿上加上了舵機，易于實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，掉頭等動作。好的行走機構(gòu)，能安穩(wěn)的運轉(zhuǎn)和走路，布局簡單，容易設(shè)計制造，這個也是很重要的，本文還對舵機的設(shè)計進行了簡易的討論。本文設(shè)計主要針對的是六足機器人的步態(tài)規(guī)劃及機構(gòu)運動的分析。關(guān)鍵詞：六足機器人，步態(tài)規(guī)劃，機構(gòu)設(shè)計，契貝謝夫四桿機構(gòu)第一章 緒論1.1. 六足仿生機器人的

5、概念：機器人技術(shù)是在新技術(shù)革命中迅速發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，它在眾多領(lǐng)域與生產(chǎn)部門得到了廣泛的應(yīng)用，并顯示出強大的生命力。它使得傳統(tǒng)的生產(chǎn)發(fā)生變革，并對人類社會的生活產(chǎn)生深遠的影響，它正在成為工廠，企業(yè)進行產(chǎn)品生產(chǎn)，乃至整個國家進行經(jīng)濟和軍事較量的重要手段。六足機器人又叫蜘蛛機器人，是多足機器人的一種。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(yīng)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。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)

6、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，可以用它們來抓住物體。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(dāng)這三條腿放在地面并向后蹬時，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，有了其他功用或退

7、化，行走就主要靠中、后足來完成了。大家最為熟悉的要算螳螂了，我們常可看到螳螂一對鉗子般的前足高舉在胸前，后面四條足支撐地面行走。1.2.課題來源本課題來源于機械創(chuàng)新設(shè)計課程的研究課題。之前我們學(xué)習(xí)了有關(guān)機械原理的基本概念，基本理論，以及相關(guān)的計算方法，老師帶領(lǐng)我們深入淺出的學(xué)習(xí)了機械方面的知識，使我們了解包括機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析，運動分析，力分析以及動力學(xué)分析，對于常用的機構(gòu)，例如，連桿機構(gòu)，凸輪機構(gòu)，齒輪機構(gòu)的等也有了深入的認知。在王老師開設(shè)的機械創(chuàng)新設(shè)計課程上我們選擇了這個課題，來將學(xué)習(xí)到的知識付諸于實踐。1.3.設(shè)計目的本設(shè)計主要是利用機械原理相關(guān)知識合理設(shè)計機械腿的相關(guān)尺寸及機構(gòu)來實現(xiàn)行走與轉(zhuǎn)

8、彎的功能。1.4.技術(shù)要求1.電機的選擇和控制原理；2.運動學(xué)的分析和仿真；3.連桿機構(gòu)，傳動機構(gòu)的設(shè)計；4.穩(wěn)定性，重心轉(zhuǎn)移。1.5.設(shè)計意義在自然界和人類社會中存在一些人類無法到達的地方和可能危及人類生命的特殊場合。如行星表面、災(zāi)難發(fā)生礦井、防災(zāi)救援和反恐斗爭等，對這些危險環(huán)境進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)展和人類社會進步的需要。地形不規(guī)則和崎嶇不平是這些環(huán)境的共同特點。從而使輪式機器人和履帶式機器人的應(yīng)用受到限制。以往的研究表明輪式移動方式在相對平坦的地形上行駛時，具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢運動速度迅速、平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)和控制也較簡單，但在不平地面上行駛時，能耗將大大增加，

9、而在松軟地面或嚴(yán)重崎嶇不平的地形上，車輪的作用也將嚴(yán)重喪失移動效率大大降低。為了改善輪子對松軟地面和不平地面的適應(yīng)能力，履帶式移動方式應(yīng)運而生但履帶式機器人在不平地面上的機動性仍然很差行駛時機身晃動嚴(yán)重。與輪式、履帶式移動機器人相比在崎嶇不平的路面步行機器人具有獨特優(yōu)越性能在這種背景下六足仿生機器人的研究蓬勃發(fā)展起來。而仿生步行機器人的出現(xiàn)更加顯示出步行機器人的優(yōu)勢。六足仿生機器人的運動軌跡是一系列離散的足印運動時只需要離散的點接觸地面對環(huán)境的破壞程度也較小可以在可能到達的地面上選擇最優(yōu)的支撐點對崎嶇地形的適應(yīng)性強。正因為如此六足仿生機器人對環(huán)境的破壞程度也較小。輪式和履帶式機器人的則是一條條

10、連續(xù)的轍跡。崎嶇地形中往往含有巖石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障礙物可以穩(wěn)定支撐機器人的連續(xù)路徑十分有限,這意味著輪式和履帶式機器人在這種地形中已經(jīng)不適用。六足仿生機器人的腿部具有多個自由度使運動的靈活性大大增強。它可以通過調(diào)節(jié)腿的長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)定運動從機械結(jié)構(gòu)設(shè)計到控制系統(tǒng)算法都比較復(fù)雜相比自然界的節(jié)肢動物仿生六足仿生機器人的機動性還有很大差距。1.6.設(shè)計范圍一直以來移動型機器人的運動方式大體上包括，輪式、履帶式、足式等。六足仿生機器人類似昆蟲原理較為簡單，技術(shù)也比較成

11、熟，而且傳動效率比較高，行走重心波動很小，運動平穩(wěn)，這類裝置重量小，運動靈活，采用步態(tài)仿生簡便直接。1.7.國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r和存在的問題.國外發(fā)展?fàn)顩r我國步行機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，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械研究所采用平行四邊形和凸輪機構(gòu)研制出一臺八足螃蟹式步行機,主要用于海底探測4 作業(yè)并做了越障、爬坡和通過沼澤地的試驗。1989年，北京航空航。天大學(xué)孫漢旭博士進行了四足步行機的研究，試制成功一臺四足步行機，并進行了步行實驗；錢晉武博士對地、壁兩用六足步行機器人進行了步態(tài)和運動學(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

12、器人，該機器人采用計算機模擬電路兩級分布式控制系統(tǒng),JTUWM-III以對角步態(tài)行走,腳底裝有PVDF測力傳感器，如圖4，同時對多足步行機器人的運動規(guī)劃與控制，以及機器人的腿、臂功能融合和模塊化實現(xiàn)的控制體系及其設(shè)計進行了研究。圖2.國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r隨著電子技術(shù)發(fā)展，計算機性能的提高，使多足步行機器人技術(shù)進入了基于計算機控制的發(fā)展階段。其中有代表性的研究為1993年,美國卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)開發(fā)出有纜的八足步行機器人DANTE，圖1所示，用于對南極的埃里伯斯火山進行了考察，其結(jié)構(gòu)由2個獨立的框架構(gòu)成。這一階段研究的重點在于機器人的運動機構(gòu)的設(shè)計、機器人的步態(tài)生成與規(guī)劃及傳統(tǒng)的控制方法在機器人行走運動控

13、制過程的應(yīng)用。Boston Dynamics公司的Big Dog四足機器人用于為軍隊運輸裝備，其高3英尺，重165磅，可以以3.3英里的速度行進，其采用汽油動力。圖3 Adaptive Suspension Vehicle 圖4 Odex1步行機器人圖5 MIT 腿部實驗室的四足和雙足機器人由于新的材料的發(fā)現(xiàn)、智能控制技術(shù)的發(fā)展、對步行機器人運動學(xué)、動力學(xué)高效建模方法的提出以及生物學(xué)知識的增長促使了步行機器人向模仿生物的方向發(fā)展。.存在的問題綜上所述，國外在這方面的研究成果較多，但是大多都結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價昂貴，遠遠超出人民的經(jīng)濟承受能力。國內(nèi)的研究相對較晚，雖然也誕生了很多專利，但由于受到體積，

14、重量，穩(wěn)定性級安全問題還沒有產(chǎn)品真正投入使用。1.8.具體設(shè)計.設(shè)計指導(dǎo)思想面向社會應(yīng)用需求，基于機械創(chuàng)新設(shè)計課程的課題要求，根據(jù)之前學(xué)習(xí)到的機械原理等知識，力求推動大學(xué)生設(shè)計創(chuàng)新能力，提高機器人應(yīng)用實際的實際操控力，達到我們機械創(chuàng)新設(shè)計的目的。.應(yīng)解決的主要問題1.重心對于機器人行走穩(wěn)定性的影響，對機體質(zhì)心及其穩(wěn)定性；2.驅(qū)動腿部運動的動力的施加，分析采用合適參數(shù)；3.兩腿之間運動時的協(xié)調(diào)配合，以及周期的確定；4.機器人行走轉(zhuǎn)彎靈活自如，以及舵機的選擇；5.運動學(xué)分析：建立合理得運動學(xué)模型，從而對不同運動階段進行分析。.本設(shè)計采用的研究計算方法本設(shè)計主要通過分析六足昆蟲的步態(tài)運動，結(jié)合高等代

15、數(shù)、機械原理等相關(guān)知識以及利用互聯(lián)網(wǎng)資源對六足仿生機器人機構(gòu)進行合理的分析與設(shè)計。.技術(shù)路線1.收集國內(nèi)外六足機器人的相關(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；3.機構(gòu)設(shè)計和運動學(xué)分析，繪制六足機器人的機構(gòu)原理圖；針對運動特征設(shè)計相應(yīng)機構(gòu)，改善運動機構(gòu)完成設(shè)計。4.根據(jù)腿的二維平面設(shè)計示意圖進行三維設(shè)計，并用CATIA軟件進行機構(gòu)行走仿真，動態(tài)模擬分析。 研究手段 成果集成 研究結(jié)果網(wǎng)上資料查閱收集確定基本思路步態(tài)分析六足仿生機器人機構(gòu)設(shè)計查閱機械原理基礎(chǔ)知識機器人機構(gòu)可行性分析 動態(tài)模擬分析第二章 六足仿生機器人的步

16、態(tài)規(guī)劃2.1步態(tài)分類六足機器人要體現(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)機器人各條腿抬腿、放腿的順序，還包括機器人占空系數(shù)分析、足端軌跡的選擇等。一般是模仿動物的行走姿態(tài)來研究機器人的步態(tài)。避免死鎖現(xiàn)象，保證機器人步行的連續(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)定步態(tài)結(jié)構(gòu)，這種步態(tài)非常的方便和快捷，能最簡單化的模擬出昆蟲的移動方式和方法，而且速度迅速快捷。本文就這種步態(tài)方式進行了簡單的討論，得出了三角步態(tài)是最適合步行機器人直線的行走。2.1.2跟導(dǎo)步態(tài)

17、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)的一個基礎(chǔ)，在為后人的研究中做出了很大的貢獻。選擇前兩足的坐標(biāo)是跟導(dǎo)步態(tài)的重點，當(dāng)前足和中足的坐標(biāo)決定了一對中足和一對后足的下一步的坐標(biāo)點，這種方式控制簡單，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，我們平時在平面上運動的概率相對來說還是比他要大得多。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)揮六足機器人的特點，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構(gòu)的重點研究

18、對象，這是一種單腿交替行走的步態(tài)。抬升和前進是五角步態(tài)的兩個重要的部分，相鄰的腿之間信號要順序傳遞，一個靠地，另一個抬起，當(dāng)這種狀態(tài)能夠持續(xù)的開始時，那么六足機器人就可以行走了。但是你可以想象一下因為地形的原因，那么各個腿到地面的時間不同，位置不同，這樣的話就不可以預(yù)測出他的時間和轉(zhuǎn)換的規(guī)律，所以對于凹凸不平的地面來講是不可用的，當(dāng)然了對于平整的地面來說就都一樣了，時間規(guī)律都是有了固定值，這可以在試驗中得到驗證。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行走，可以看作兩個狀態(tài)，當(dāng)腿抬離地面的時候就叫作懸空相和當(dāng)腿接觸到地面推動機體前行的時候就叫做支撐相，懸空時的狀態(tài)記作1，支撐時候狀態(tài)就

19、記住0。一個腿運動完一個完整的周期循環(huán)所需要的時間就叫作一個運動周期。腿的運動周期相同，當(dāng)周期變換的時候，腿就不同運動。有荷因素的定義為整個循環(huán)的運動周期中腿在地面的時間比例： (2-1)如果i為1、2、，2k（2k為總的足數(shù)）也就是為偶數(shù)的時候，這種步態(tài)就稱之為規(guī)則步態(tài)。步距：指的是一個完整的腿循環(huán)中機身重心的移動的位置。平均速度：指的是機身的平均運動的速度。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)上述所說的，有荷因數(shù)大小可以分為3種情況，（1）當(dāng)時；在一組腿著地時候處于支撐相時，另外的三條腿立刻抬起處于懸空相，使他能在任意時刻同時具備支撐相和擺動相，保證在任意時刻都有三

20、條腿支承地面，三條腿擺起，這就是三角步態(tài)所處的時刻。（2）當(dāng)時；機身的前行移動慢的時候，當(dāng)擺動相和支撐相有很少的時間重疊過程，也就是說六條腿同時著地的時候，在這種情況下，步行機器人穩(wěn)定性更高，但是行走速度就相對降低。（3）當(dāng)時；機身運動相對很快時候，六條腿同時在飛躍在空中時，各個腳都是處于懸空相時候，在這種結(jié)構(gòu)中，機器人騰空這要求機器人的機械結(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“33”步態(tài)），這是運動是六條腿成為兩組三角步態(tài)交替支撐前進邁步，一般來說像(螞蟻，蟑螂）步行的時候都不是六條腿同時直線前進的，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

21、和另一邊的中足組成一對三角架，穩(wěn)定身體的狀態(tài)，兩組腳在一邊抬起時，另一邊的三角腳架不動，使身體的重量都集中在不動的三角架上，當(dāng)前面的腿上的肌肉收縮時候，也就是舵機動作，把腳部的力矩傳遞個機身，使機身的重心移動，當(dāng)然了機身的重心的投影在三角架內(nèi)部。就是通過重心的轉(zhuǎn)移來使機身移動，然后再重復(fù)上一組的動作，相互互換周而復(fù)始，這種方式是很便捷的，因為重心一直在兩對三角架的重心位置，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方式。自然界的昆蟲一般都是用的三角步態(tài)來達到疾走的目的，如下圖說的一般來講三個A為一組腿，三個B為一組腿，每三個構(gòu)

22、成一個三角形，當(dāng)其中一組處于支撐相的時候，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)生摩擦力帶動重心移動，后足有轉(zhuǎn)變方向的作用，他們是交替支撐身體的，所以總的來說三角步態(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，下面用圖來簡單表示下：1、仿生六組機器人六條腿都在地面上也就是處于支撐相，看到機器人的重心在C1的地方，B組的支撐機身重量，A腿擺動。2、仿生六足機器人再次同時在地面上，發(fā)現(xiàn)重心到了C2的位置，、組都支撐機身體重，機身向前移動了長度。3、仿生六足機器人組靠地面時候，組開始動作，重心仍然不變，所有的狀態(tài)回到初始，這就是一個周期，運動起來這就是一個循環(huán)往復(fù)的過程

23、。圖2-1 機器人步態(tài)規(guī)律圖2.3六足仿生機器人的坐標(biāo)含義六足仿生機器人的簡圖以下圖是X0Y與機身平行，Z軸與機身相互垂直，機身的質(zhì)心在坐標(biāo)原點上。腿的順序定義如圖所示，定義腿間距為n，機身的體寬為1m。A1、A2、A3、B1、B2、B3、分別是腿的站立點，A11，A21、A31、B11、B21、B31、分別是腿與髖關(guān)節(jié)的連接處。圖2-2 機器人的坐標(biāo)定義六足仿生機器人腿機械圖如下圖所示：X軸投影定義的腿長為L，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，六足仿生機器人髖

24、關(guān)節(jié)的電機向上旋轉(zhuǎn)了角度的時候，其中一條腿在Z軸方向提升高度，六足步行機器人腿部Z方向提升高度可以通過圖計算如圖:根據(jù)圖中所示，得到計算的表達式子：（2-2）（2-3）所以可以確定的是髖關(guān)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)角度時候與立足的位置點Ai在Z軸的方向上提升高度的函數(shù)關(guān)系。由圖2-5可見六足仿生機器人髖關(guān)節(jié)電機向著前面轉(zhuǎn)動的時候立足位置點Ai在Y軸的方向上前進了半步長為S/2，六足仿生機器人腿部Y方向前進的步長計算如下：圖2-5 腿在Y方向上前進的示意圖所以說可以得出來S/2=Lsin，由表達可以確定髖關(guān)節(jié)電機向前轉(zhuǎn)動角度的時候，立足位置點Ai在Y方向的前進的步長為一半S/2的相確定的關(guān)系。當(dāng)較小的時候，可以

25、設(shè)旋轉(zhuǎn)角度后腿在X軸上的投影長度近視為L。2.4 三角步態(tài)的穩(wěn)定性分析2.4.1 穩(wěn)定性分析步行機器人任一時刻的，如2-6圖所示：六足仿生機器人的兩足腿Ai、Bi及質(zhì)心O在地面坐標(biāo)系XOY平面內(nèi)投影為點、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 機器人重心位置圖2.4.2穩(wěn)定裕量的計算在一般時候，任一時刻，機器人以交替三角步態(tài)行走的時候，其B組支撐腿的著地的位置點，機器人的重心在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)原點重合。圖2-7 重心在XOY面投影圖圖中，設(shè)

26、B1、B2、B3、的在XOY平面坐標(biāo)為：B1（x1，y1）、B2（x2，y2）、B（x3，y3），OM、ON、OP、為原點到直線B1B2、B2B3、B3B1的垂線，設(shè)d1=|OM|.d2=|ON|D3=|OP|，所以d1，d2，d3，分別為機器人重心投影到支撐架的三角形各邊的相對距離，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)有上面的兩個可以得到兩個直線的坐標(biāo)為：Xm=(Y2-Y1)(X1Y2-Y1X2)/(X1-X2)2-(Y1-Y2)2Ym=(X2-X1)(X1Y2-Y1X2)/(

27、X1-X2)2-(Y1-Y2)2由上面的坐標(biāo)（Xm，Ym），可以計算得出來他的距離d：d=OM=xm2+ym2（2-6）同樣的道理，也可以求得d2=|ON|，d3=|OP|.六足仿生機器人以三角步態(tài)行走的時候，我們對其穩(wěn)定裕量取為最小值：d=mind1，d2，d3 ，穩(wěn)定裕量越小說明越穩(wěn)定。2.5三角步態(tài)行走步態(tài)設(shè)計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。如圖所示規(guī)劃他在一個步態(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：機器人六腿都著地，機身前移，重心

28、移至C1，如圖（a）所示階段2：A組腿做擺動腿，擺起；B組腿做支承腿；重心繼續(xù)前移，如圖（b）所示階段3：機器人六條腿著地，坐姿勢調(diào)整，重心前移；階段4：B組腿做擺動腿，擺起；A組腿做支撐腿，重心繼續(xù)前移，完成一個步態(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中足為中心，再原地轉(zhuǎn)彎從而達到轉(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點不動作為支撐重點的時候：（1）當(dāng)B1、B2、B3各個腿都抬起，然后B1、B3腿再擺動，B2腿不動的時候，機身靠三腳架A1，A2，A3支撐起他的重量。（2）B1，B2，B3腿落地支撐機身重量，同時A1，A2，A3

29、，腿不動。B1，B2腿向后擺動。在轉(zhuǎn)彎的過程中，A1、A3、B1、B3只是做上下運動。2.6六足機器人的步長設(shè)計六足機器人腿的初始姿態(tài)如圖2-10（a）的實線所示，這時設(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)的的長度，L0、H0分別是初始姿態(tài)時機器人腿的伸展量和機體的重心高度。機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)是機器人某只腿在向前邁進時在水平面的投影，由圖可以求得機器人的允許的最大步長的大小。（2-9）(a)圖2-10 (b)2.7六足機器人著地點的優(yōu)化為了保證機器人運動，兩組腿能更加的靈活和穩(wěn)定

30、，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，只要機器人的重心在重疊區(qū)域內(nèi)，機器人可以選擇任意一組腿擺動。重合面積越大，機器人的重心的活動范圍越大。為了分析方便，兩個全等的等腰三角形；h為三角形在x軸上高；的斜率k，AB的斜率為(-k)；點到線AC的距離或點B到線的距離為a；點到點B在y軸方向上的距離為b。由于多邊形defgij具有對稱性，要求其的面積最大，只需求四邊形edji的面積最大。易求得直線的表達式：（2-10）直線AB的表達式：（2-11）根據(jù)式（4）和式（5）可求出點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

31、值，當(dāng)a=h/3時，四邊形edji的面積會變?yōu)樽畲螅?-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)，否則可能增大機器人的重量或者導(dǎo)致各個方向的穩(wěn)定裕度相差懸殊。從式（2-13）還可以看出，步行機器人的步長（b的值）越大，兩三角形的重疊面積越小，因此，為了提高六足機器人的穩(wěn)定性，保持它的靈活性，可適當(dāng)減小步長。第三章 六足機器人的機構(gòu)分析3.1四連桿機構(gòu)的設(shè)計機器人設(shè)計過程中，腿部的四連桿執(zhí)行機構(gòu)采用了契貝謝夫直線四桿機構(gòu)。在前期時參考了不少有關(guān)腿部機構(gòu)的資料，這個機構(gòu)的選擇很重要，主要原因如下：（1）執(zhí)行機構(gòu)決定

32、了整個系統(tǒng)的復(fù)雜度，機構(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)行機構(gòu)關(guān)系到運動的最終狀態(tài)，決定運行的姿態(tài)。（3）執(zhí)行機構(gòu)最終保證整個機器人系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。3.1.1理論根據(jù)與機構(gòu)選擇圖3-1契貝謝夫直線機構(gòu)圖3-2二重平行四邊形機構(gòu)步行機構(gòu)對于設(shè)計機器人是極為重要的，設(shè)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(shè)計，上面圖示為六足機器人一條腿的機構(gòu)簡圖。圖3-1所示為實現(xiàn)步行基本動作的契貝謝夫直線機構(gòu)，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(gòu)，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

33、的抬起、落下及一段直線運動。它是一個基礎(chǔ)，雖然不能實現(xiàn)運動，但卻是我們選擇這種步行機構(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的變幅機構(gòu)和挖土機的臂部結(jié)構(gòu)。圖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(gòu)，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(jié)構(gòu)。不過設(shè)計時發(fā)現(xiàn)垂直機構(gòu)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(gòu)并不好實現(xiàn)。圖3-3改進的四桿機構(gòu)圖3-3為改進的契貝謝夫直線四桿機構(gòu)，該步行機構(gòu)用于六足機器人中，每三個足一組，著地時間為1/2個周期。

34、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。圖3-4 步行腿機構(gòu)原理圖為了使D點的軌跡平行與地面上的E點，本機構(gòu)采用另一個反向?qū)ΨQ的契貝謝夫機構(gòu)，相位差為180，如圖中的點。該機構(gòu)上點的軌跡與原機構(gòu)上D點的軌跡完全相同，但移過s的距離，故連線恒與相平行。用的中垂線上的點作足尖，其軌跡必于D、的軌跡相同，適于作六足機器人的步行機構(gòu)。該機構(gòu)在行進中機體基本上是水平移動。一條腿用二個主動構(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構(gòu)來實現(xiàn)足端與地面的垂直,在有限的空間安排太多的運動實現(xiàn)比較困難如圖3-2所示，反平行四邊形機構(gòu)不僅復(fù)雜而且空間結(jié)構(gòu)

35、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，機器人要實現(xiàn)前行時，必須得解決抬腿與擺腿兩個動作因此我們采用曲柄搖桿機構(gòu)實現(xiàn)其抬腿動作，在小腿上面安裝一個舵機使其實現(xiàn)向前擺動的。該機構(gòu)不僅解決機構(gòu)空間布置的難題而且還是機器人的轉(zhuǎn)向更加靈敏。圖3-6 步行腿機構(gòu)圖3.2設(shè)計參數(shù)（1）連桿尺寸LAO= 26.6mm,LCD= 76mm,LBC=76mm,LAD=152mm, LBO= 60.8mm，連桿各個部分符合契貝謝夫直線機構(gòu) 圖3-7 步行腿機構(gòu)原理圖滿足CB = CA = CD CA:OB:OA = 1:0.78:0.35 （2）估算機身高度設(shè)置為

36、H=170,LDE=162mm,在正前方運行時，前腿和后腿之間不會發(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）電機軸與連桿的動力輸入軸能夠緊密配合在材料的選擇上。桿用的是mm的鋁板，膠木板寬度均是mm，這樣可以盡量減輕機構(gòu)的重量。舵機機輸出軸配合孔采用線切割加工，可以保證緊密配合。3.3步行腿機構(gòu)系統(tǒng)六足機器人兩側(cè)的步行腿系統(tǒng)均相同，行走時一側(cè)一條腿與另一側(cè)的前后兩條腿運動步態(tài)一致，每次均有三條腿同時著地，構(gòu)成三角形結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定機身。該六足機器人通過曲柄搖桿機構(gòu)將電機驅(qū)動力轉(zhuǎn)換為步行腿向上的擺動，在小腿上安裝有壓力傳感器，并在小腿上安裝有舵機，舵

37、機接受壓力傳感器傳來的信號，驅(qū)動舵機工作，使小腿開始擺動，實現(xiàn)機器人前行。圖3-8 步行腿行走原理圖六足機器人在直線行走過程中需要左拐時，關(guān)閉機體左側(cè)電機電源開關(guān)，接通右側(cè)電機。左側(cè)電機停止驅(qū)動，使左側(cè)步行腿停止擺腿運動，而右側(cè)的電機繼續(xù)驅(qū)動右側(cè)步行腿擺動，并以左側(cè)停止擺動的步行腿為支點實現(xiàn)向左轉(zhuǎn)彎功能。同理，關(guān)閉右側(cè)電機，接通左側(cè)電機，可實現(xiàn)向右轉(zhuǎn)彎功能。當(dāng)兩側(cè)一舵機正轉(zhuǎn)，另一個反轉(zhuǎn)時，機體兩側(cè)對應(yīng)的步行腿做相逆的旋轉(zhuǎn)擺動運動，可實現(xiàn)機體原地轉(zhuǎn)彎掉頭的功能。3.4 舵機驅(qū)動原理3.4.1驅(qū)動原理仿生六足機器人利用的是電動驅(qū)動的方法，舵機是經(jīng)常選用的驅(qū)動器，它選用的是微型直流角位移伺服電動機。

38、直流電機，減速齒輪，電位計以及控制電路是舵機的重要組成部分，驅(qū)動信號利用的是脈沖，轉(zhuǎn)角和其寬度之間是線性關(guān)系，為了使電機能向各個方向運動就要保持舵機的初始位置時候為90度，這樣就可以控制腿部的前進和后退。3.4.2 舵機控制方法電源線、地線、控制線是標(biāo)準(zhǔn)舵機的三個重要組成部分。輸出轉(zhuǎn)軸電源線Vcc地線GND控制線圖3-10 舵機標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)舵機內(nèi)部的電機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（方波脈沖）是，舵機的轉(zhuǎn)角就會和信號相關(guān)聯(lián)，同時變大變小。舵機需要一個可調(diào)寬度的方波信號，這也是舵機的控制信號，可以以此來控制舵機。（當(dāng)然隨著FPGA成本高，模擬電路，實現(xiàn)電路復(fù)

39、雜，不適合輸出）舵機的控制器常常都用單片機。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。3.5六足機器人主體設(shè)計用三維軟件CATIA畫出總設(shè)計圖如下:機身通過大多數(shù)的昆蟲的外形觀察，可以發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的生物機體大小類似于一個橢圓，通過查閱一些資料可以發(fā)現(xiàn)采用近似菱形的機體的多足機器人可以減少腿部之間的碰撞，另一方面還使機體更加的穩(wěn)定，因此仿生六足機器人機體采用六邊形框架結(jié)構(gòu)，機體的材料選擇鋁合金以減輕機器人重量。如圖3-11所示圖3-11 機身腿部的設(shè)計腿部結(jié)構(gòu)是機器人身體里主要的部分，根據(jù)仿生學(xué)的知識，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)，三個部分，而圍繞著跟關(guān)節(jié)，髖關(guān)節(jié)，

40、和膝關(guān)節(jié)，還有踝關(guān)節(jié)和腳。本文采用曲柄搖桿機構(gòu)實現(xiàn)其直線行走和轉(zhuǎn)彎功能的。三角架交替的變換使機身能向前運動，他們每組都支撐機體的重量，并在負重的狀態(tài)下使機體的前行，所以適應(yīng)的剛性和承載能力是非常重要的。所以對承載能力有著限制。足機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， 因為中間需要放置傳感器所以需要突起一部分來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放傳感器，能更好的傳遞外界的壓力，反應(yīng)環(huán)境的特點。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的螺釘螺母來連接小腿。小腿為

41、了簡化舵機架在小腿的作用所以把舵機架簡化到小腿上去，小腿的作用一方面來連接腳，另一個就是來安裝固定住膝蓋部分的舵機，從而使其更好的轉(zhuǎn)動，小腿的基本尺寸如圖3-14所示圖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身兩者之間的關(guān)鍵點，他們兩兩之間是通過舵盤和螺釘連接，當(dāng)跟關(guān)節(jié)的舵機轉(zhuǎn)動時，（從機身舵機角度看過去），舵機帶動大腿的轉(zhuǎn)動從而帶動小腿和足的運動，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器人的軀體運動。大腿的設(shè)計圖主要如下圖3-16：通過兩段

42、弧連接兩個圓使其成為大腿。兩個圓的直徑為M24，圓上打上4個螺紋孔來連接舵機機構(gòu)。圖3-16 大腿圖3-17 大腿尺寸腿第四章 總結(jié)4.1.設(shè)計小結(jié)通過這次機械原理課程設(shè)計，綜合運用了機械原理及其他課程的理論知識。將理論與實際結(jié)合在了一起，培養(yǎng)了我們團隊合作以及解決機械工程有關(guān)的實際問題，最重要的是讓我們從所學(xué)專業(yè)中找到了樂趣。在本次機械原理的課程設(shè)計訓(xùn)練中鞏固學(xué)習(xí)了機械原理設(shè)計基礎(chǔ)、CAD二維制圖軟件和CATIA三維軟件，也學(xué)會了怎樣從前人設(shè)計中取得經(jīng)驗以及處理數(shù)據(jù)的能力。4.2設(shè)計感受在機械原理課程設(shè)計過程中，我們通過對已有文獻的查閱結(jié)合我們自己所學(xué)的專業(yè)知識。將理論和實踐完美的結(jié)合在了一

43、起，使我們更深刻的理解了我們的專業(yè)知識。從中學(xué)到了很多知識，并認識到團隊協(xié)作的重要性。在設(shè)計過程中我們遇到了很多困難和挫折但經(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)計我們認識到，機械是精準(zhǔn)、系統(tǒng)、經(jīng)驗化的學(xué)科，對于問題不能粗略的概括和認識，容不得半點偏差。面對茫然不知所措的問題時要冷靜，耐心對待。再設(shè)計過程中我們不斷領(lǐng)悟機械學(xué)科及行業(yè)精髓，對所學(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)然讓我們對將來的職業(yè)也充滿了希望。在設(shè)計過程中培養(yǎng)了我們的自學(xué)能力，這是我們步入社會所必備的素質(zhì)。現(xiàn)實企業(yè)中越來越強調(diào)團隊協(xié)作，這次設(shè)計是我們小組在老師指導(dǎo)下共同努力的結(jié)果，

44、沒有良好的團隊協(xié)作能了我們是不可能完成本次機械原理課程設(shè)計的。這種團隊意識使我們步入社會必備的技能，這對我們即將步入社會的大學(xué)生有著重大意義。4.3課程設(shè)計見解機械原理課程設(shè)計，對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。所以我希望我們能有相對更充足的時間，先在老師的指導(dǎo)下自學(xué)相關(guān)理論文獻，鍛煉我們在短時間內(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，得到的體會或許更多。參考文獻1陳國定，機械設(shè)計基礎(chǔ)M，北京：機械工業(yè)出版社，2013.2柳天虹，姜樹海，仿生六足機器人穩(wěn)定性分析與仿真J，計算機仿真，2013-12第30卷，第12期.3張春林編，機械

45、創(chuàng)新設(shè)計M，機械工業(yè)出版社，2007.4陳學(xué)東 孫翊 賈文川，多足步行機器人運動規(guī)劃與控制M，武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006.5（美）克萊格著，機器人學(xué)導(dǎo)論（原書第三版）賁超等譯，北京：機械工業(yè)出版社，2006.6劉廣瑞，機器人創(chuàng)新制作M；西安，西北工業(yè)出版社，2007.7 李益民，機械制造工藝設(shè)計簡明手冊M，機械工業(yè)出版社，20118（美）丹尼斯克拉克，邁克爾歐文斯，機器人設(shè)計與控制M宗光華，張慧慧譯，北京，北京科學(xué)出版社，2004.9高國富 謝紹榮 羅軍，編著，機器人傳感器及其應(yīng)用，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.10廖林清編，機械設(shè)計方法學(xué)M，重慶大學(xué)出版社，201311孫恒 陳作模

46、 葛文杰主編，機械原理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)，本次的機械創(chuàng)新設(shè)計課題已經(jīng)順利完成。作為一個機械行業(yè)的初學(xué)者，由于經(jīng)驗的匱乏，以及知識的片面，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)計的困難將會是難以想象的。本次機械創(chuàng)新設(shè)計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，要實時更新我們的知識認知，保持一顆火熱求知的心，這些都是我們將來會受益終生的。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。王老師對學(xué)生認真負責(zé)的態(tài)度、嚴(yán)謹?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)機械的學(xué)生永遠學(xué)習(xí)的榜樣。在此，謹向王老師致以深深的敬意和由衷的感謝！