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南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯
系： 機(jī) 械 工 程 系
專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化
姓 名： 姚 金 燕
學(xué) 號(hào)： 0 6 0 1 0 4 2 3 7
(用外文寫(xiě))
外文出處：Journal of Bionic Engineering 3
(2006) 115-125
附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。
指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：
譯文語(yǔ)句通順，術(shù)語(yǔ)表達(dá)正確，錯(cuò)誤較少。但譯文的版面應(yīng)該進(jìn)行仔細(xì)編輯。
簽名：
2010 年 3 月 25 日
注：請(qǐng)將該封面與附件裝訂成冊(cè)。
附件1：外文資料翻譯譯文
一種基于壁虎的仿生攀爬機(jī)器人
摘要
壁虎攀登的優(yōu)良性能激發(fā)了工程師和設(shè)計(jì)人員對(duì)在垂直表面上移動(dòng)進(jìn)行仿造系統(tǒng)設(shè)計(jì), 登山機(jī)器人可以執(zhí)行諸如偵察、檢查、修理、清洗和探索等許多有益的工作, 本文介紹并討論了設(shè)計(jì)、制造及對(duì)兩個(gè)攀爬機(jī)器人模仿壁虎步態(tài)的評(píng)價(jià)。第一個(gè)被設(shè)計(jì)的機(jī)器人考慮的是在地球上和太空中的宏觀操作；第二個(gè)機(jī)器人，之所以能夠控制其運(yùn)動(dòng)是利用形狀記憶合金作為制動(dòng)器，目的是能夠簡(jiǎn)單的為微觀應(yīng)用擴(kuò)大規(guī)模，擬采用的仿生系統(tǒng)是能夠以20mm/s的速度爬上65°的斜坡。
關(guān)鍵詞：壁虎，機(jī)器人，仿生，攀爬，太空記憶合金 alloy
引言
那些動(dòng)物身上的運(yùn)動(dòng)、傳感、導(dǎo)航和適應(yīng)能力很早就激發(fā)人類通過(guò)機(jī)器人來(lái)學(xué)習(xí)他們，本研究的目的就是確定攀爬機(jī)器人是否能夠?qū)崿F(xiàn)地球和外星探索的可能性。機(jī)器人與和它差不多的生物同行一樣需要?jiǎng)恿?、運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)等大規(guī)模系統(tǒng)，具有計(jì)算、傳感和自主性。發(fā)展仿生機(jī)器人的可能性能夠從動(dòng)物研究和目前技術(shù)方面進(jìn)行分析，蜥蜴的運(yùn)動(dòng)能力和仿生道具為垂直表面上的攀爬提供有利條件。
攀爬機(jī)器人的發(fā)展，主要受制于人類對(duì)其能夠自動(dòng)執(zhí)行風(fēng)險(xiǎn)任務(wù)的愿望。人們主要是用這種機(jī)器人來(lái)清洗高層建筑物以及檢驗(yàn)在危險(xiǎn)環(huán)境中的像用于石油工業(yè)和核能發(fā)電站的儲(chǔ)油罐等。最近，已經(jīng)出現(xiàn)了對(duì)利用機(jī)器人使其在失重環(huán)境下工作感興趣，以用來(lái)檢驗(yàn)和修理太空交通工具，幫助宇航員解決他們的冒險(xiǎn)性操作。用作表面攀爬和用于步行的機(jī)器人已經(jīng)變得至關(guān)重要了，它們可以用來(lái)進(jìn)行檢查和對(duì)航天飛機(jī)、衛(wèi)星、核能工廠和建筑物的維護(hù)，搜尋和拯救國(guó)土安全，到行星或是危險(xiǎn)地區(qū)的探索，標(biāo)識(shí)油箱容量規(guī)模，攜帶有效載荷高，也可以用來(lái)清洗、噴砂、噴漆和在微觀制造業(yè)等的應(yīng)用。那些自主的機(jī)器人通常遭遇的是非組織的環(huán)境，它們通過(guò)腿的步行和攀爬運(yùn)動(dòng)能夠很容易的克服那些障礙。
攀爬動(dòng)物了激發(fā)人類發(fā)展機(jī)器人的可能，使其能夠在危險(xiǎn)環(huán)境下訪問(wèn)和運(yùn)行。許多動(dòng)物，比如蟑螂、甲蟲(chóng)、螞蟻和蟋蟀，能夠攀爬并使用它們主毛細(xì)血管的力量粘附在表面上，當(dāng)甲蟲(chóng)牢牢的粘附在表層的時(shí)候，它們能夠承受比自己身體重20倍的負(fù)載；壁虎的能力是在表面攀爬，卻也引起了幾十年的注意了，人們通過(guò)微觀上的長(zhǎng)寬高比屈從β角結(jié)構(gòu)的方法制定在機(jī)器人腳上，它們便能夠用一個(gè)約束的接觸區(qū)粘附在任何表面。
本文提出并討論一種新型的由壁虎啟發(fā)的機(jī)器人，所用的戰(zhàn)略方案是通過(guò)調(diào)查和分析壁虎的攀爬性能，并進(jìn)一步介紹了創(chuàng)造者制造出的兩個(gè)機(jī)器人模型時(shí)，需要經(jīng)歷的設(shè)計(jì)、裝配和測(cè)試階段。第一個(gè)機(jī)器人叫剛性壁虎機(jī)器人（簡(jiǎn)稱RGR），創(chuàng)造者構(gòu)想把它放到太空中進(jìn)行活動(dòng)，所以可靠性和健全性對(duì)RGR來(lái)說(shuō)是最重要的因素。第二個(gè)機(jī)器人叫做兼容壁虎機(jī)器人（簡(jiǎn)稱CGR），它被構(gòu)思設(shè)計(jì)為小型化，由于標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)和腳關(guān)節(jié)均很小，把它像常規(guī)機(jī)器人一樣的剛性連接在本質(zhì)上是很困難的，因此一種新型的由壁虎啟發(fā)的骨干結(jié)構(gòu)被研制了，它是由形狀記憶合金（SMA）微型導(dǎo)線驅(qū)動(dòng)。
1.問(wèn)題的定義
攀爬機(jī)器人的新穎獨(dú)特的特征是：
?能夠在任何環(huán)境下的任何粗糙表面和材料上攀爬（比如在建筑物、巖石和樹(shù)木上，在沙漠和太空中，在海底等等）
?更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間和范圍：目前，由于自動(dòng)的微型機(jī)器人本身小，因而受限于它們?cè)诖系碾娫磥?lái)源。一旦使用低功率的附件使機(jī)器人移動(dòng)，并利用干燥的合成膠對(duì)其進(jìn)行拆卸，機(jī)器人的運(yùn)行范圍也將被擴(kuò)大。此外，干膠黏合劑具有自我干燥的性能，它還結(jié)合了在纖維所允許的非降解性能下的高抗拉強(qiáng)度，使用壽命較長(zhǎng)。
?由于在任何方向上都能快速連接和拆卸，因此具有高的可操作性、速度和靈活性。
?可攜帶的有效載荷較高（一般一只壁虎在爬壁的時(shí)候可攜帶的有效載荷和它本身的體重相等）
?由于它們本身的小型化設(shè)計(jì)，可訪問(wèn)小面積區(qū)域。
?當(dāng)機(jī)器人為維護(hù)工作執(zhí)行重要任務(wù)時(shí)，能夠在明確的機(jī)械工作中產(chǎn)生很高的約束粘附力。
?通過(guò)綜合遙感和操縱工具，能自主在線監(jiān)測(cè)、檢查和表面維護(hù)。
為了開(kāi)發(fā)一種具有高性能的垂直攀爬機(jī)器人，創(chuàng)造者對(duì)最敏捷的攀爬動(dòng)物——壁虎進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究和分析，分析了運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)并模擬了兩個(gè)三維壁虎模型。那些模擬結(jié)果表明了攀爬機(jī)器人具有以下特點(diǎn)：
（1） 質(zhì)量中心接近垂直的表面；
（2） 輕型結(jié)構(gòu)；
（3） 可靠的系統(tǒng)；
（4） 穩(wěn)健的運(yùn)動(dòng)。
盡管采取了來(lái)自大自然的逆向工程思維，但要從工程可能性角度來(lái)看，為了設(shè)計(jì)出一個(gè)比較可取的系統(tǒng)，仿生抽象的級(jí)別必須要明確規(guī)定，為此，創(chuàng)造者的目標(biāo)是要設(shè)計(jì)出能夠在斜面攀爬的機(jī)器人模型，并且決定先只考慮壁虎的能吸附于墻壁的功能特征。商用上和經(jīng)濟(jì)上都合適的黏合劑已經(jīng)被測(cè)試過(guò)，具有良好的吸附性能和可重復(fù)性行為，這些黏合劑和壁虎的毛發(fā)有相同的吸附功效，也適合擴(kuò)大測(cè)試范圍，能夠促進(jìn)新型攀爬機(jī)器人的發(fā)展。
我們希望開(kāi)發(fā)出一種機(jī)器人，它只有必要的自由度和只使用攀爬所需的基本部件，因此，被制造出來(lái)的機(jī)器人不需要笨重的輔助馬達(dá)和傳感器來(lái)阻礙它的攀爬行動(dòng)。在這里，被提議的設(shè)計(jì)假設(shè)了攀爬時(shí)是在沒(méi)有任何障礙的相對(duì)平坦表面上。
2.機(jī)器人設(shè)計(jì)
壁虎主要在三個(gè)方面上不同于其它爬行動(dòng)物：干燥的黏性肉墊、幾何特征的腳和步態(tài)。為此，要設(shè)計(jì)出一種模擬壁虎的機(jī)器人，這三個(gè)方面顯然被研究過(guò)了，在本節(jié)中，就對(duì)此介紹并討論開(kāi)發(fā)攀爬機(jī)器人模型的方案。
3.1 黏性肉墊
許多工作主要是為攀爬機(jī)器人開(kāi)發(fā)黏合機(jī)械裝置，抽吸黏合就需要機(jī)器人攜帶一個(gè)隨身泵，這樣就能創(chuàng)造出一個(gè)能貼在墻上或天花板上的內(nèi)部真空杯，許多小組主要都是使用真空吸引器開(kāi)發(fā)出了爬壁機(jī)器人。然而，一個(gè)抽吸機(jī)械裝置會(huì)消耗很高的功率，并且在拆卸時(shí)相對(duì)比較慢，除此之外，在密封條件下出現(xiàn)任何隙縫都可能導(dǎo)致機(jī)器人墜落。最后，抽吸黏合的機(jī)械裝置需要周圍的大氣壓使其緊貼于墻壁，所以，由于在太空中是零壓力的環(huán)境，這個(gè)裝置不能應(yīng)用到太空中去。另外一種常見(jiàn)類型的黏附裝置就是帶有磁性的，磁性黏合已經(jīng)被投入到爬壁機(jī)器人中去用來(lái)執(zhí)行一些特殊的任務(wù)，例如核設(shè)施的檢測(cè)。盡管如此，磁性裝置僅僅在表面上有鐵磁的特別環(huán)境中產(chǎn)生利用價(jià)值，因此把它投入到大部分應(yīng)用中的方案也是不可取的。
另外一個(gè)方案是研究被動(dòng)吸附的機(jī)械裝置，和那些經(jīng)常被攀爬動(dòng)物使用的相似。舉個(gè)例子說(shuō)，當(dāng)蛤蚧壁虎承受300g的重量并移動(dòng)35cm的距離時(shí)，它仍然能夠緊抓光滑的墻壁逆向跑，獨(dú)特的黏性肉墊給壁虎帶來(lái)難以置信的移動(dòng)和攀爬性能。最近，納米技術(shù)已經(jīng)為模擬壁虎進(jìn)行設(shè)計(jì)的干燥黏合劑成立了新的制造技術(shù)，壁虎有了微觀上納米級(jí)的長(zhǎng)寬高比屈從β角結(jié)構(gòu)的腳掌，它便能夠用一個(gè)受壓力約束的接觸區(qū)粘附在任何表面。這種黏附主要是由諸如范德瓦爾斯作用力的分子作用力產(chǎn)生，腳毛有一個(gè)從微米級(jí)（花柄）到納米級(jí)（刮鏟花柄）的分支結(jié)構(gòu)，毛發(fā)還能夠彎曲以便能容納各種各樣的表面粗糙度，一旦干燥的黏合劑是基于范德瓦爾斯作用力，表面化學(xué)對(duì)它就沒(méi)有多少影響了，用這種方法能使干燥黏合劑在幾乎所有表面都會(huì)起作用，使用合成膠模擬壁虎的結(jié)構(gòu)已經(jīng)被采用，預(yù)計(jì)它將會(huì)有一個(gè)理想的結(jié)果。如今，直徑為4nm，采用的是微成型技術(shù)的聚合物微纖維已經(jīng)上市，說(shuō)它具有高精確性也是可能的，然而開(kāi)發(fā)攀爬機(jī)器人的原型需要可靠的商用黏合劑，這樣才能應(yīng)用于大量的測(cè)試中。介于這個(gè)原因，有兩種商用黏合劑已經(jīng)投入試驗(yàn)：橡皮泥?和聚二甲基硅氧烷（PDMS）。我們分別選了這兩種材料作為它們工作的壁虎黏合劑（當(dāng)然前提是相同實(shí)用原則下），通過(guò)對(duì)靠在表面上的材料預(yù)加負(fù)載，使接觸面積最大化，進(jìn)而建立分子間的相互作用。
圖.1顯示了使用自定義測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)果，黏合劑有95 mm 2的大小，它們被75mN的負(fù)載裝在玻璃表面上，一個(gè)接近0.08mm/s的速度和0.4mm/s的撤銷速度，接觸時(shí)間為1s。圖.1同時(shí)也說(shuō)明，在這1s的接觸階段，由于黏合材料的可塑性，附加載荷慢慢減小。在這一階段，黏合劑屈從了表面粗糙程度并且填滿微觀間隙，此外，圖.1還顯示了橡皮泥? exerts the highest normal adhesive force and 施加的最高正常的附著力。因此，這種材料被我們選定應(yīng)用到機(jī)器人中去。
附件2：外文原文（復(fù)印件）
湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院全日制普通本科生
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）誠(chéng)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(dǎo)老師的指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)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(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體在文中均作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。同時(shí)，本論文的著作權(quán)由本人與湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院、指導(dǎo)教師共同擁有。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）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(jī)器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) ………………………………………2
1.3 仿生學(xué)原理分析 …………………………………………………………4
1.4 仿生六足機(jī)器人的研究方法與思路 ……………………………………4
2 整體設(shè)計(jì)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(jī)器人走動(dòng)步態(tài)分析 ……………………………………………6
2.2 機(jī)器人機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計(jì) …………………………………………………7
2.3 電機(jī)的選擇 ………………………………………………………………9
2.4 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)原理與控制方法………………………………………………12
2.4.1 舵機(jī)原理 …………………………………………………………12
2.4.2 舵機(jī)控制方法 ……………………………………………………12
3 零件的設(shè)計(jì)………………………………………………………………………13
3.1 軀干的設(shè)計(jì)………………………………………………………………13
3.2 基節(jié)的設(shè)計(jì)………………………………………………………………14
3.3 關(guān)節(jié)蓋的設(shè)計(jì)……………………………………………………………15
3.4 脛節(jié)片的設(shè)計(jì)……………………………………………………………16
3.5 足的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………17
3.6 連接桿的設(shè)計(jì)……………………………………………………………17
3.7 固定片的設(shè)計(jì)……………………………………………………………18
4 總結(jié)………………………………………………………………………………19
參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………………19
致謝 …………………………………………………………………………………20
仿生六足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
摘 要：論文簡(jiǎn)述了課題的背景及目的，對(duì)仿生學(xué)機(jī)器人做了簡(jiǎn)單介紹。本文通過(guò)對(duì)仿生六足機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃的研究，確定了六足機(jī)器人的足的結(jié)構(gòu)，采用 3 自由度分析了步態(tài)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)六足機(jī)器人直線行走和轉(zhuǎn)彎行走?？傮w設(shè)計(jì)包含了六足機(jī)器人的裝配圖和零件圖的繪制，并對(duì)相關(guān)零件做了校驗(yàn)，確保機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。
關(guān)鍵詞：仿生學(xué)；六足機(jī)器人；機(jī)構(gòu)
Design of Bionic Hexapod Robot Mechanism
Student: Liu Liang
Tutor: Sun Songlin
(Oriental Science ＆Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)
Abstract: The paper has summarized the background and the goal of its topic and has made the simple introduction of the bionic hexapod robot. Through the research of the motion of the six feet of the robot, This design has determined the foot structure，using the analysis of 3 degrees of freedom realizes the forward motion and turning motion of the robot . 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
1 前言
1.1 課題背景及目的
機(jī)器人是科技和社會(huì)的發(fā)展的必然產(chǎn)物，機(jī)器人的運(yùn)用促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展，為人類社會(huì)文明的進(jìn)步做出了巨大的貢獻(xiàn)。人工智能技術(shù)的研究使得機(jī)械向著智能化方向發(fā)展，因此機(jī)器人的研發(fā)已經(jīng)成為了各國(guó)科技競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)重要方面。機(jī)器人的研制水平代表著一個(gè)國(guó)家的綜合科技實(shí)力，新型機(jī)器人更是能代表一個(gè)國(guó)家的尖端科技成果。如今，世界上機(jī)器人的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，機(jī)器人的種類更是繁多[1]。
機(jī)器人從傳統(tǒng)的單一機(jī)構(gòu)向著多元化轉(zhuǎn)變，人類研究機(jī)器人也突破自身視的局限擴(kuò)展到世間萬(wàn)物。機(jī)器人的研究由結(jié)構(gòu)環(huán)境的定點(diǎn)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(xiǎn)救災(zāi)、星球探索、搶險(xiǎn)救災(zāi)等方向顯示出廣泛的前景。機(jī)器人能在人類不能或難以到達(dá)的未知環(huán)境中工作，人們要求機(jī)器人不僅適應(yīng)原來(lái)結(jié)構(gòu)化的、已知的環(huán)境，更要適應(yīng)未來(lái)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(jì)方法，人們也把目光對(duì)準(zhǔn)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(yùn)動(dòng)機(jī)理和行為方式運(yùn)用到對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和控制中，從而使得機(jī)器人既具有感覺(jué)有具有某些思維功能，并由這些功能控制動(dòng)作，具有與生物或者人類相類似的智能。將仿生學(xué)原理應(yīng)用到工程系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)中，為機(jī)器人的發(fā)展指出了新的方向[2]。
仿生多足機(jī)器人是模仿多足動(dòng)物運(yùn)動(dòng)形式的特種機(jī)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(dá)，但很多足式動(dòng)物卻可以在這些地面上行走自如。因此，仿生多足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式具有其他地面推進(jìn)方式所不具有的獨(dú)特優(yōu)越性能，仿生多足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式具有較好的機(jī)動(dòng)性，對(duì)不平整地面具有較好的適應(yīng)能力。多足步行機(jī)器人在不平地面和松軟地面上的運(yùn)動(dòng)速度較快，而且能耗較少[2]。
基于仿生多足機(jī)器人的諸多的優(yōu)點(diǎn)，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(duì)其進(jìn)行深入的研究，使仿生多足機(jī)器人能在人類社會(huì)的發(fā)展歷程中發(fā)揮它的作用。
1.2 仿生機(jī)器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
仿生機(jī)器人就是通過(guò)對(duì)生物的性能和行為進(jìn)行模仿，將其結(jié)構(gòu)特征、運(yùn)動(dòng)理、行為方式等應(yīng)用于機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，研制具有某些生物的外形或機(jī)能的機(jī)器人系統(tǒng)。仿生機(jī)器人的誕生是仿生技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)融合的結(jié)果，涉及仿生學(xué)、力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、控制學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息科學(xué)、微電子學(xué)、傳感技術(shù)、人工智能等諸多學(xué)科，從而使機(jī)器人既擁有傳統(tǒng)機(jī)器人所具有的優(yōu)點(diǎn)，又將生物運(yùn)動(dòng)機(jī)理和行為方式作為理論模型運(yùn)用于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，借大自然千萬(wàn)年來(lái)“自然選擇”的造化之手來(lái)提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力和效率，使其突破原有理論的藩籬，大大提高了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性和工作效率。仿生機(jī)器人大致可分為仿人機(jī)器人和仿非人生物機(jī)器人，仿人機(jī)器人是目前機(jī)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(jī)器人操作臂、多指靈巧手的組合既雙足步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)；仿非人生物機(jī)器人主要是研究多足機(jī)器人、蛇形機(jī)器人、水下機(jī)器人及飛行機(jī)器人等。當(dāng)前，仿生機(jī)器人研究的熱點(diǎn)主要涉及到運(yùn)動(dòng)機(jī)理仿生、控制機(jī)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(jī)器人，如仿壁虎四足機(jī)器人、仿竹節(jié)蟲(chóng)六足機(jī)器人、仿螳螂六足機(jī)器人、仿蜘蛛八足機(jī)器人、仿蝎八足機(jī)器人等 [3]。
機(jī)器人的應(yīng)用范圍遍及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、娛樂(lè)、服務(wù)和國(guó)防各個(gè)領(lǐng)域，機(jī)器人的
應(yīng)用朝著多元化、多領(lǐng)域、多用途的方向發(fā)展。機(jī)器人正朝著智能化發(fā)展，將人
工智能與仿生學(xué)相結(jié)合制造出類生物機(jī)器人。近年來(lái)隨著日本仿生機(jī)器ASIMO\美國(guó)火星探測(cè)器等項(xiàng)目的研制成功，智能機(jī)器人的研究和發(fā)展，特別是能夠代替人在危險(xiǎn)、惡劣等環(huán)境中從事特殊任務(wù)的特種智能機(jī)器人的研究和發(fā)展，成了各國(guó)政府制定高技術(shù)計(jì)劃的一個(gè)重要內(nèi)容，支撐智能機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)——感知與智能控制技術(shù)已成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一[1]。
20 世紀(jì) 90 年代初，美國(guó)麻省理工學(xué)院的教授布魯克斯在學(xué)生的幫助下，制造出一批蚊型機(jī)器人，取名昆蟲(chóng)機(jī)器人，這些小東西的習(xí)慣和蟑螂十分相近。它們不會(huì)思考，只能按照人編制的程序動(dòng)作。幾年前，科技工作者為圣地亞哥市動(dòng)物園制造電子機(jī)器鳥(niǎo)，它能模仿母兀鷹，準(zhǔn)時(shí)給小兀鷹喂食；日本和俄羅斯制造了一種電子機(jī)器蟹，能進(jìn)行深海控測(cè)，采集巖樣，捕捉海底生物，進(jìn)行海下電焊等作業(yè)。美國(guó)研制出一條名叫查理的機(jī)器金槍魚(yú)，長(zhǎng) 1.32 米，由 2843 個(gè)零件組成。通過(guò)擺動(dòng)軀體和尾巴，能像真的魚(yú)一樣游動(dòng)，速度為 7.2 千米/小時(shí)?？梢岳盟诤Ｏ逻B續(xù)工作數(shù)個(gè)月，由它測(cè)繪海洋地圖和檢測(cè)水下污染，也可以用它來(lái)拍攝生物，因?yàn)樗７陆饦岕~(yú)惟妙惟肖。在美國(guó)，科技人員研制設(shè)計(jì)的金槍魚(yú)潛艇，其實(shí)就是金槍魚(yú)機(jī)器人，行駛速度可達(dá) 20 節(jié)，是名副其實(shí)的水下游動(dòng)機(jī)器。它的靈活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的潛艇，幾乎可以達(dá)到水下任何區(qū)域，由人遙控，它可輕而易舉地進(jìn)入海底深處的海溝和洞穴，悄悄地溜進(jìn)敵方的港口，進(jìn)行偵察而不被發(fā)覺(jué)。作為軍用偵察和科學(xué)探索工具，其發(fā)展和應(yīng)用的前景十分廣闊。目前，中國(guó)科學(xué)院也已經(jīng)研究出了類似仿生魚(yú)機(jī)器人。研究制造昆蟲(chóng)機(jī)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(jī)器昆蟲(chóng)，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(guò)障礙，一小時(shí)幾乎可前進(jìn) 37 米。美國(guó)科學(xué)家研制的蜜蜂機(jī)器人，在加裝太陽(yáng)能電池板和傳感設(shè)備后可自主飛行相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。這種機(jī)器昆蟲(chóng)最特殊的地方是突破了“牽動(dòng)關(guān)節(jié)必須加發(fā)動(dòng)機(jī)”的觀念。機(jī)器人正在向人工智能方向快速發(fā)展，仿生機(jī)器人的發(fā)展也非常快。機(jī)器人的存在價(jià)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(dòng)物，對(duì)生存條件有很高的要求。而機(jī)器人是一臺(tái)機(jī)器，它沒(méi)有生命體征，只有在極其惡劣的環(huán)境中工作時(shí)才會(huì)對(duì)它機(jī)體的材料有比較高的要求。這樣就可以讓機(jī)器人代替人類去完成那些人類無(wú)法完成的任務(wù)。隨著人類研究領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，以及人類生活水平的不斷提高，機(jī)器人的發(fā)展也顯得越來(lái)越重要[3]。
自然界中的各種生物通過(guò)物競(jìng)天擇和長(zhǎng)期進(jìn)化，已對(duì)外界環(huán)境產(chǎn)生了極強(qiáng)的適應(yīng)性，在能量轉(zhuǎn)化、運(yùn)動(dòng)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(jī)器人朝著仿生方向發(fā)展是必然的。曾經(jīng)在 IEEE 機(jī)器人學(xué)與仿生學(xué)國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上，與會(huì)的機(jī)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(diǎn)工作的仿生機(jī)器人，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人，成為成為未來(lái)機(jī)器人的發(fā)展方向[1]。
1.3 仿生學(xué)原理分析
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(chóng)的運(yùn)動(dòng)原理。
足是昆蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)器官。昆蟲(chóng)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?；?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節(jié)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(chóng)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(chóng)體前進(jìn)，同時(shí)使蟲(chóng)體轉(zhuǎn)向。
這種行走方式使昆蟲(chóng)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(chóng)都用六條腿來(lái)行走，有些昆蟲(chóng)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(lái)完成了。大家最為熟悉的要算是螳螂了，我們?？吹襟胍粚?duì)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(chóng)足部結(jié)構(gòu)，我想出了較簡(jiǎn)單的方式來(lái)表達(dá)。一只腳的兩個(gè)關(guān)節(jié)來(lái)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)關(guān)節(jié)采用左右式移擺；另一個(gè)關(guān)節(jié)則是采用偏擺式，使得腳可以提高，當(dāng)做上下運(yùn)動(dòng)的一種。
1.4 仿生六足機(jī)器人的研究方法與思路
本次研究的仿生機(jī)器人采用六足設(shè)計(jì)，而機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是仿生六足機(jī)器人本次的任務(wù)，也是仿生六足機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。整機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)、自由度數(shù)、驅(qū)動(dòng)方式和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等都會(huì)直接影響機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力性能。同時(shí)，仿生六足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)除了要滿足系統(tǒng)的技術(shù)性能外，還要滿足經(jīng)濟(jì)性能要求，即必須在滿足機(jī)器人的預(yù)期技術(shù)指標(biāo)的同時(shí)，考慮用材合理、制造安裝便捷、價(jià)格低廉以及可靠性高等問(wèn)題。
仿生六足機(jī)器人的機(jī)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(jì)的主要問(wèn)題。現(xiàn)有多組機(jī)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(shí)適合重載和慢速運(yùn)動(dòng)，而足數(shù)少時(shí)似乎運(yùn)動(dòng)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(fù)雜性以及可能的步態(tài)等；腿的配置是指步行機(jī)器人的足相對(duì)于機(jī)體的位置和方位的安排，確定分布形式時(shí)，還需考慮一些細(xì)節(jié)問(wèn)題，如腿在主平面內(nèi)的幾何構(gòu)形和腿桿件的相對(duì)彎曲方向等。此次設(shè)計(jì)腿的分布如圖1所示。
圖 1 仿生六足機(jī)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(jì)的行走步態(tài)采用三角步態(tài)，這也是六足機(jī)器人步行方式通常采用的。三角步態(tài)中，六足機(jī)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(jì)方案
2.1 工作原理分析
六足步行機(jī)器人的步態(tài)是多樣的，其中三角步態(tài)是六足步行機(jī)器人實(shí)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(chóng)步行時(shí)，一般不是六足同時(shí)直線前進(jìn)，而是將三對(duì)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(jī)器人采用了仿昆蟲(chóng)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(gè)三角形支架，依靠大腿前后劃動(dòng)實(shí)現(xiàn)支撐和擺動(dòng)過(guò)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(yùn)用[5]。
2.1.2 機(jī)器人走動(dòng)步態(tài)分析
項(xiàng)目設(shè)計(jì)共使用18個(gè)舵機(jī)用于步態(tài)實(shí)現(xiàn)。每條腿上有三個(gè)舵機(jī)，分別控制跟關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，其中兩個(gè)舵機(jī)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(yùn)動(dòng)自由度，所以考慮利用三角步態(tài)實(shí)現(xiàn)直線行走。分別給18個(gè)舵機(jī)編號(hào)（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(jī)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(hào)舵機(jī)控制的A、C、E腿所處的狀態(tài)總保持一致（都是正在擺動(dòng)，或者都在支撐）；同樣，4、5、6、10、11、12、16、17、18號(hào)所控制的B、D、F腿的狀態(tài)也保持一致。當(dāng)處在一個(gè)三角形內(nèi)的3條腿在支撐時(shí)，另3條腿正在擺動(dòng)。支撐的3條腿使得身體前進(jìn)，而擺動(dòng)的腿對(duì)身體沒(méi)有力和位移的作用，只是使得小腿向前運(yùn)動(dòng)，做好接下去支撐的準(zhǔn)備。步態(tài)函數(shù)的占空系數(shù)為0.5，支撐相和擺動(dòng)相經(jīng)過(guò)調(diào)整，達(dá)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(xiàng)目設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用以一中足為中心的原地轉(zhuǎn)彎方式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，右轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)的過(guò)程如下：首先A、C、E腿抬起，然后A、C腿向前擺動(dòng)，E腿保持不動(dòng)，B、D、F腿支撐。然后A、C、E腿落地支撐，同時(shí)B、D、F腿抬起保持不動(dòng)。最后A、C腿向后擺動(dòng)。整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中B、D、E、F不做前后運(yùn)動(dòng)，只是上下運(yùn)動(dòng)[7]。
2.2 機(jī)器人機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)
六足機(jī)器人在步行運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將六條腿分為 2 組，以蟲(chóng)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(yùn)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)有一組腿抬起，一組腿著地，三只著地的腿不僅保持蟲(chóng)體的平穩(wěn)性，而且在擺腿的時(shí)候產(chǎn)生推動(dòng)力，使蟲(chóng)體能夠完成直線或轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)中采用的三角步態(tài)是將六足機(jī)器人的六條腿分為 2 組，1、3、5 號(hào)腿為一組，2、4、6 號(hào)腿為另一組。六足機(jī)器人通過(guò)控制 2 組腿交替地抬起、擺動(dòng)、放下來(lái)實(shí)現(xiàn)步行運(yùn)動(dòng)。抬起得每條腿從軀體上看是開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于串聯(lián)手臂，而同時(shí)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(jī)構(gòu)。步行機(jī)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(jiǎn)化為點(diǎn)接觸，相當(dāng)于機(jī)構(gòu)學(xué)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(dāng)于轉(zhuǎn)動(dòng)副），每條腿都有6個(gè)單自由度運(yùn)動(dòng)副。假設(shè)步行機(jī)器人任一時(shí)刻處于支撐相的腿數(shù)為n，則此時(shí)模型為具有n個(gè)分支的空間多環(huán)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其自由度可由下式計(jì)算：
（1）
式中：p----運(yùn)動(dòng)副數(shù)，p=4n；
----第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副具有的自由度數(shù)，=1（i=1~3n）,=3(i=3n+1~4n);
L----獨(dú)立封閉環(huán)數(shù)，L=n-1；
----第i個(gè)獨(dú)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(fù)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(wú)論步行機(jī)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(gè)機(jī)構(gòu)是具有6自由度的空間多環(huán)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，只是有時(shí)是3分支并聯(lián)機(jī)構(gòu)，有時(shí)是6分支并聯(lián)機(jī)構(gòu)。6足步行機(jī)這樣行走，從機(jī)構(gòu)學(xué)角度看就是3分支并聯(lián)機(jī)構(gòu)、6分支并聯(lián)機(jī)構(gòu)及串聯(lián)開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)之間不斷變化的復(fù)合型機(jī)構(gòu)。同時(shí)，上式也說(shuō)明，無(wú)論該步行機(jī)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(dá)任意的位置，并呈現(xiàn)要求的姿態(tài)。仿生六足機(jī)器人腿分布示意圖如圖3所示。
圖3 仿生六足機(jī)器人腿分布示意圖
Fig 3 Bionic six foot robot leg distribution diagram
仿生六足機(jī)器人的六支腿均布在圓盤(pán)狀的機(jī)身上，根據(jù)設(shè)計(jì)要求：?jiǎn)瓮仁蔷哂腥杂啥鹊倪\(yùn)動(dòng)副，因此每條腿上裝配三個(gè)電機(jī)以實(shí)現(xiàn)三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。電機(jī)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?；?jié)與機(jī)身主板連接，跟關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)每個(gè)都有相應(yīng)的自由度來(lái)保證正常的運(yùn)動(dòng)。脛節(jié)用于連接關(guān)節(jié)部位，以保證了良好的運(yùn)動(dòng)性，六足機(jī)器人的足部分大致采用了仿昆蟲(chóng)的足部設(shè)計(jì)，具有良好的通過(guò)性、優(yōu)越的實(shí)用性以及較好的靈活性。腿在行走過(guò)程中交替地支撐機(jī)體的質(zhì)量，并在負(fù)重狀態(tài)下推進(jìn)機(jī)體向前運(yùn)動(dòng)，因此必須具備與整機(jī)質(zhì)量相適應(yīng)的剛性和承載能力。項(xiàng)目設(shè)計(jì)的仿生六足機(jī)器人，采用相似的三自由度關(guān)節(jié)式腿機(jī)構(gòu)，其中膝關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)分別由電機(jī)和錐齒輪共同驅(qū)動(dòng)，以便用簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)獲得較大的工作空間和靈活度。通過(guò)控制相應(yīng)關(guān)節(jié)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)使機(jī)器人具備了多個(gè)自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人步行足在可達(dá)域內(nèi)任意一點(diǎn)的自由定位。在結(jié)構(gòu)上保證其能夠更有效地模擬昆蟲(chóng)的行走方式以完成相對(duì)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在仿生六足機(jī)器人中的作用相當(dāng)于生物的肌肉，它通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)腿部各關(guān)節(jié)來(lái)改變機(jī)器人的姿態(tài)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須擁有足夠的功率對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行加、減速并帶動(dòng)負(fù)載，而且自身必須輕便、經(jīng)濟(jì)、精準(zhǔn)、靈敏、可靠且便于維護(hù)六足機(jī)器人的腿生物結(jié)構(gòu)示意圖4所示[8]。
圖4 仿生六足機(jī)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(jī)的選擇
電機(jī)的選擇需要考慮機(jī)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(guò)查閱及預(yù)算得出：上腿（股節(jié)）的有效長(zhǎng)度為 34mm，中腿（脛節(jié)）有效長(zhǎng)度為 34mm,下腿（足）有效長(zhǎng)度 90mm。上腿 190 克，中腿 140克，下腿 150 克。對(duì)腿部進(jìn)行受力分析，做出受力簡(jiǎn)圖5如下。
圖5 仿生六足機(jī)器人腿的受力簡(jiǎn)圖
Fig 5 Bionic six foot robot leg force diagram
仿生六足機(jī)器人以地面為 xoy 平面，仿生六足機(jī)器人的重心在 xoy 平面上的投影為坐標(biāo)原點(diǎn) O，z 軸與機(jī)身垂直。
仿生六足機(jī)器人的每條腿都有三個(gè)自由度，每條腿都由上腿、中腿和下腿通過(guò)舵機(jī)連接而成。本設(shè)計(jì)中，上腿的長(zhǎng)度為34mm，中腿的長(zhǎng)度為34mm，下腿的長(zhǎng)度為90mm。機(jī)體和上腿由A舵機(jī)連接，上腿與中腿由B舵機(jī)連接，中腿和下腿由C舵機(jī)連接。腿著地時(shí)，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(shí)，B舵機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)30度。在仿生六足機(jī)器人行走過(guò)程中，未了避免腿與腿會(huì)碰到，腿擺動(dòng)時(shí)需要選擇合適的角度，本設(shè)計(jì)中運(yùn)動(dòng)控制時(shí)選擇的擺動(dòng)角度為30度。
針對(duì)仿生六足機(jī)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(diǎn)系的廣義坐標(biāo)，即有
（2）
，，，，，，，，，則仿生六組機(jī)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(zhǎng)度和質(zhì)量。
假設(shè)仿生六足機(jī)器人按“三角步態(tài)”行走，支撐相三足均勻承受負(fù)荷，則足的反力為：
（5）
仿生六足機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)動(dòng)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(dāng)q2=90°，q2-q3=30°時(shí)，由公式得，關(guān)節(jié)需輸出扭矩最大值為：
（8）
（9）
計(jì)算得出，電機(jī)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(dá)為 TowPro 的，型號(hào)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(jī)的結(jié)構(gòu)如圖6所示
圖6 舵機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
Fig 6 Internal structure of the actuator
通過(guò)整體設(shè)計(jì)確定六足機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)，通過(guò)電機(jī)的選擇確定仿生六足機(jī)器人的質(zhì)量和腿的尺寸，為后面的零件設(shè)計(jì)做了準(zhǔn)備。
2.4 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)原理
仿生六足機(jī)器人采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器采用微型直流角位移伺服電動(dòng)機(jī)（舵機(jī)）。
2.4.1 舵機(jī)原理
舵機(jī)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)、減速齒輪、電位計(jì)和控制電路組成。舵機(jī)采用的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是脈沖比例調(diào)制信號(hào)（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(duì)應(yīng)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?hào)線提供一定脈寬的脈沖時(shí)，其輸出軸保持在相應(yīng)的角度上。若舵機(jī)初始角度狀態(tài)在0度位置，那么電機(jī)只能朝一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。所以初始化的時(shí)候，應(yīng)將所有電機(jī)的位置定在90
度的位置。機(jī)器人跟關(guān)節(jié)連接的舵機(jī)轉(zhuǎn)軸為水平轉(zhuǎn)動(dòng)，控制腿部前進(jìn)和后退。
2.4.2 舵機(jī)控制方法
標(biāo)準(zhǔn)的舵機(jī)有3條導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)
Fig 7 Standard steering gear
電源線和地線用于提供舵機(jī)內(nèi)部的直流電機(jī)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(jī)供電電源應(yīng)能提供足夠的功率?？刂凭€的輸入是一個(gè)寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號(hào)，方波脈沖信號(hào)的周期為20ms（即頻率為50Hz）。當(dāng)方波的脈沖寬度改變時(shí)，舵機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)角的控制方法可看出，舵機(jī)的控制信號(hào)實(shí)質(zhì)是一個(gè)可調(diào)寬度的方波信號(hào)（PWM）。該方波信號(hào)可由FPGA、模擬電路或單片機(jī)來(lái)產(chǎn)生。采用FPGA成本較高，用模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)則電路較復(fù)雜，不適合多路輸出。所以一般采用單片機(jī)作為舵機(jī)的控制器。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。
舵機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)角
輸入信號(hào)脈沖寬度
（周期為20ms）
0.5ms
1ms
1.5ms
圖8 舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入信號(hào)脈沖寬度關(guān)系
Fig 8 Actuator output angle and input signal pulse width
3 零件的設(shè)計(jì)
3.1 軀干的設(shè)計(jì)
仿生六組機(jī)器人的六條腿為均布在圓盤(pán)狀得機(jī)身上，為了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，故將機(jī)身做成圓片形，直徑為 150mm。上下各一個(gè)，中間通過(guò)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(gè)，以用來(lái)安裝六組機(jī)器人的腿。通孔的直徑因大于 M3 的開(kāi)槽圓柱頭螺釘?shù)拇髲?，以便螺釘能穿過(guò)通孔。孔分布在半徑為65mm 的圓上，同組兩個(gè)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(duì)圓片鉆孔，十二個(gè)孔均布在半徑為 50mm 的圓上，中心同樣去一個(gè)半徑為 40mm 的圓。這樣以來(lái)就可大幅降低零件的質(zhì)量。機(jī)身主板是整個(gè)機(jī)構(gòu)最中心的地方，它承載了6只足的負(fù)荷，設(shè)計(jì)要達(dá)到滿足的載荷、強(qiáng)度要求以及適合的尺寸。以上追求了輕便化的設(shè)計(jì)還是需要強(qiáng)調(diào)它的本身及部件可靠及便于維護(hù)的特點(diǎn)。機(jī)身主板如圖9所示。
圖9 機(jī)身主板
Fig 9 Motherboard
3.2 基節(jié)的設(shè)計(jì)
基節(jié)作為機(jī)器人的腿的安裝位置，需考慮舵機(jī)的安裝。這里采用兩個(gè)片狀零件來(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)直徑為 4mm 的通孔，為舵機(jī)的轉(zhuǎn)軸預(yù)留。以前端中心為圓心在半徑為 7.5mm 的圓上均布四個(gè)直徑為 3mm 的內(nèi)螺紋孔。通過(guò)與固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的圓片連接，當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，舵機(jī)的機(jī)身就會(huì)帶動(dòng)與它緊固的部分轉(zhuǎn)動(dòng)。這個(gè)位置可稱為仿生六足機(jī)器人的跟關(guān)節(jié)。
下基節(jié)片為跟關(guān)節(jié)舵機(jī)的安放平臺(tái)，在前端半圓的中心位置裝一個(gè)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(jī)底片的相同位置的通孔由一個(gè)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(gè)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(jì)
關(guān)節(jié)蓋的作用是用來(lái)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(jī)，前部套住膝關(guān)節(jié)的舵機(jī)，由于在這個(gè)零件上裝載了兩個(gè)舵機(jī)，考慮到穩(wěn)定性因此其長(zhǎng)度不能太長(zhǎng)。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(gè)長(zhǎng) 42mm 寬 21mm 的方形孔，方孔用來(lái)固定膝關(guān)節(jié)舵機(jī)由圖可知關(guān)節(jié)蓋也需兩件，后部把跟關(guān)節(jié)的舵機(jī)夾住，通過(guò)兩個(gè)螺釘固定。前端方孔的尺寸略大于舵機(jī)的同位置尺寸，將舵機(jī)放入方孔，前后各一個(gè)，兩個(gè)關(guān)節(jié)蓋相距為 20mm。因舵機(jī)本身帶有固定部。因此裝入四個(gè) M4 的螺釘，通過(guò)上下兩個(gè)孔，與關(guān)節(jié)蓋固定。
關(guān)節(jié)蓋的基本尺寸為 85mm 長(zhǎng)、60mm 寬、厚度為 3mm。其中后部寬為 40mm。綜合兩個(gè)舵機(jī)安裝后的位置，膝關(guān)節(jié)的舵機(jī)的轉(zhuǎn)軸與跟關(guān)節(jié)舵機(jī)的轉(zhuǎn)軸的距離為30mm。這個(gè) 30mm 即為股節(jié)的長(zhǎng)度，作為腿的最末端 30mm 的長(zhǎng)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(gè)安全的區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)。便于操控與行走，確保了機(jī)構(gòu)的可行性。
3.4 脛節(jié)片的設(shè)計(jì)
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(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)相連接，當(dāng)膝關(guān)節(jié)的舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)整個(gè)脛節(jié)運(yùn)動(dòng)。在脛節(jié)下端與踝關(guān)節(jié)以及足部相連接，可帶動(dòng)中足、下足。從下往上看時(shí)，當(dāng)足部地面接觸踝關(guān)節(jié)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于足部分與地面接觸相當(dāng)足部被固定，踝關(guān)節(jié)舵機(jī)扭矩即通過(guò)脛節(jié)片向上傳遞。傳遞上去的扭矩使仿生六足機(jī)器人的軀體運(yùn)動(dòng)。
在脛節(jié)的兩個(gè)脛節(jié)片中有一片需與兩個(gè)關(guān)節(jié)的舵機(jī)相連。這就有了傳動(dòng)脛節(jié)片的設(shè)計(jì)。傳動(dòng)脛節(jié)片的結(jié)構(gòu)圖如圖13所示
圖13 傳動(dòng)脛節(jié)片
Fig 13 Femur plate transmission
傳動(dòng)脛節(jié)片的尺寸為長(zhǎng) 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(jī)相連接。在中間中心線兩邊分布有兩個(gè)直徑 2.2 的通孔，加裝兩個(gè)連接桿用于兩塊脛節(jié)片的連接。連接桿的長(zhǎng)度為 45mm。
圖14 脛節(jié)片
Fig 14 Tibia plate
與傳動(dòng)脛節(jié)片相對(duì)應(yīng)的另一塊脛節(jié)片用加強(qiáng)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(guò)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(jì)
足作為機(jī)器人與地面相接觸的部分，由裝在踝關(guān)節(jié)上的舵機(jī)控制運(yùn)動(dòng)。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(jī)裝進(jìn)來(lái)。根據(jù)計(jì)算足的長(zhǎng)度為 90mm，這個(gè)長(zhǎng)度是指從足尖到裝在足上的舵機(jī)的轉(zhuǎn)軸的長(zhǎng)度，實(shí)際的足的零件的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為108mm，在保證 90mm 后還需舵機(jī)的裝配空間。足寬為 30mm。
3.6 連接桿的設(shè)計(jì)
為了能夠?qū)⒛承┝慵b配起來(lái)，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(jì)的首選。首先作為構(gòu)成六足機(jī)器人軀干的機(jī)身主板，兩板之間的距離需按裝在跟關(guān)節(jié)上的舵機(jī)的尺寸來(lái)確定。由舵機(jī)的結(jié)構(gòu)可知舵機(jī)的寬度尺寸作為機(jī)身主板的間距的基礎(chǔ)，經(jīng)計(jì)算可知軀干上的連桿需 44mm 長(zhǎng)。通過(guò)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(gè)是用于兩塊脛節(jié)片的連接，使得通過(guò)脛節(jié)把足和股節(jié)連接起來(lái)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(jì)
如何讓舵機(jī)的傳動(dòng)軸的扭矩作用到腿的幾個(gè)關(guān)節(jié)，這需要進(jìn)行相關(guān)的連接和固定，以確保實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jì)專門(mén)的零件來(lái)實(shí)現(xiàn)。針對(duì)前面設(shè)計(jì)的零件設(shè)計(jì)出圓片狀的固定片。傳動(dòng)連接片通過(guò)直接與舵機(jī)的傳動(dòng)軸連接，再由四個(gè)螺釘與基節(jié)片或脛節(jié)片連接即可將扭矩傳遞出來(lái)。
關(guān)節(jié)連接片通過(guò)裝在中心孔和舵機(jī)固定板的圓柱銷連接，用來(lái)固定舵機(jī)的位置以及給仿生六足機(jī)器人的機(jī)構(gòu)保證穩(wěn)定性。另外連接片還通過(guò)四個(gè)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(guò)程中以及在膝關(guān)節(jié)與脛關(guān)節(jié)的連接過(guò)程中，加上脛關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)的連接過(guò)程中以及踝關(guān)節(jié)與足底根部的連接過(guò)程中都需要用到固定片與連接片，這個(gè)關(guān)鍵部位看似簡(jiǎn)單，其實(shí)在保證整個(gè)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定行走的狀態(tài)中，它的作用是功不可沒(méi)的。
通過(guò)具體的尺寸計(jì)算確定零件的尺寸，根據(jù)具體需要設(shè)計(jì)零件的結(jié)構(gòu)，在零件設(shè)計(jì)時(shí)活學(xué)活用。如圖18和19。
圖18 傳動(dòng)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(jì)是大學(xué)里對(duì)所學(xué)知識(shí)的一次大練兵，為我們走向即將到來(lái)的工作崗位做準(zhǔn)備。通過(guò)這次設(shè)計(jì)，我看到了自己的不足，但是從最初的無(wú)從下手到后來(lái)的主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題這一過(guò)程中，我不斷地磨練了自己。從最開(kāi)始選題，覺(jué)得六足機(jī)器人很有趣。畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)始后我看到任務(wù)書(shū)我在懷疑當(dāng)初的選擇是否合適，它是否適合我，我又能否適應(yīng)它。通過(guò)自己的努力慢慢的一點(diǎn)點(diǎn)的克服，從中找到了樂(lè)趣。設(shè)計(jì)的進(jìn)展也好轉(zhuǎn)了。四個(gè)月的設(shè)計(jì)即將結(jié)束。在這段時(shí)間里自己不斷地反思補(bǔ)償不足，學(xué)會(huì)了如何去做事如何提高自己。
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[20] 蔡自興.機(jī)器人學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000.
致 謝
經(jīng)過(guò)四個(gè)月的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，作為一個(gè)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒(méi)有導(dǎo)師的監(jiān)督與指導(dǎo)，以及同學(xué)的支持，想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。在這里首先要感謝我的導(dǎo)師孫松林教授。孫老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，從查閱資料到設(shè)計(jì)草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細(xì)設(shè)計(jì)，裝配彩圖等整個(gè)過(guò)程各中都予以了我悉心的指導(dǎo)。我的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜繁瑣，但是孫老師任然悉心地糾正圖紙的錯(cuò)誤。除了敬佩孫老師的專業(yè)水平外，他的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究精神也永遠(yuǎn)是我學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極的影響我以后的學(xué)習(xí)和工作。其次要感謝同學(xué)對(duì)我的無(wú)私幫助，特別是在軟件的使用方面，正是因?yàn)槿绱宋也拍茼樌耐瓿稍O(shè)計(jì)，我要感謝我的母?！限r(nóng)業(yè)大學(xué)，是母校給我提供了優(yōu)良的學(xué)習(xí)環(huán)境；另外，我還要感謝那些每位曾經(jīng)給我授過(guò)課的老師，是你們教會(huì)我專業(yè)知識(shí)。在此，我再說(shuō)一次謝謝，謝謝大家。
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