足機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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11.1. 六足仿生機(jī)器人的概念：11.2.課題來(lái)源21.3.設(shè)計(jì)目的21.4.技術(shù)要求21.5.設(shè)計(jì)意義21.6.設(shè)計(jì)范圍31.7.國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r和存在的問(wèn)題31.7.1.國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r31.7.2.國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r41.7.3.存在的問(wèn)題51.8.具體設(shè)計(jì)51.8.1.設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想51.8.2.應(yīng)解決的主要問(wèn)題51.8.3.本設(shè)計(jì)采用的研究計(jì)算方法61.8.4.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(jī)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(jì)算122.5三角步態(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152.6六足機(jī)器人的步長(zhǎng)設(shè)計(jì)152.7六足機(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183.1四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)18理論根據(jù)與機(jī)構(gòu)選擇183.2設(shè)計(jì)參數(shù)213.3步行腿機(jī)構(gòu)系統(tǒng)213.4 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)原理22驅(qū)動(dòng)原理223.4.2 舵機(jī)控制方法223.5 六足機(jī)器人主體設(shè)計(jì)243.5.1 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)284.1.設(shè)計(jì)小結(jié)284.2設(shè)計(jì)感受284.3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(wèn)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(wèn)題，首先，對(duì)機(jī)器人直線行走和轉(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)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)，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(wèn)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(guò)調(diào)節(jié)腿的長(zhǎng)度保持身體水平也可以通過(guò)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)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(wèn)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(guò)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)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(guò)程的應(yīng)用。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(wèn)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(wèn)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(wèn)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。.本設(shè)計(jì)采用的研究計(jì)算方法本設(shè)計(jì)主要通過(guò)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)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)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(guò)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“33”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(guò)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)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，、組都支撐機(jī)身體重，機(jī)身向前移動(dòng)了長(zhǎng)度。3、仿生六足機(jī)器人組靠地面時(shí)候，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(guò)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、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(guò)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=|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)2Ym=(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(guò)程中，A1、A3、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)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：（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(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)機(jī)器人設(shè)計(jì)過(guò)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(guò)設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)垂直機(jī)構(gòu)雖然足端軌跡好，但受力不好，走動(dòng)過(guò)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/23/2的直線段為足著地時(shí)的軌跡，3/20/2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(guò)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)。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(wèn)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= 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mm的鋁板，膠木板寬度均是mm，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(guò)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(guò)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)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)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(guò)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(guò)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(jī)體大小類似于一個(gè)橢圓，通過(guò)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。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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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)4.1.設(shè)計(jì)小結(jié)通過(guò)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(wèn)題，最重要的是讓我們從所學(xué)專業(yè)中找到了樂(lè)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(guò)程中，我們通過(guò)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(guò)程中我們遇到了很多困難和挫折但經(jīng)過(guò)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(guò)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(wèn)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(wèn)題時(shí)要冷靜，耐心對(duì)待。再設(shè)計(jì)過(guò)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(guò)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)?，F(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 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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(guò)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(wèn)題應(yīng)保持的態(tài)度，思考問(wèn)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！