畢業(yè)設(shè)計(jì)--六足機(jī)器人

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文介紹了一種應(yīng)用兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的六足式步行機(jī)器人,并對(duì)該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)理與步態(tài)進(jìn)行了分析,經(jīng)樣機(jī)實(shí)驗(yàn),所設(shè)計(jì)的機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、遇障轉(zhuǎn)彎等功能,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制便捷,行走穩(wěn)定的特點(diǎn)。</p><p>　　基于仿生學(xué)原理,應(yīng)用連桿機(jī)構(gòu)學(xué)中的Robert原理,設(shè)計(jì)出一連桿軌跡能較好地近似于機(jī)器人理想

2、足部軌跡的四桿機(jī)構(gòu)，選擇足部運(yùn)動(dòng)曲線并在圖譜上找到該曲線，以確定四桿機(jī)構(gòu)的各個(gè)參數(shù)。由參數(shù)和電動(dòng)機(jī)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(duì)用這一連桿機(jī)構(gòu)作為腿部機(jī)構(gòu)的六足機(jī)器人進(jìn)行了前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎步態(tài)建模，并對(duì)它進(jìn)行了穩(wěn)定裕量分析，包括靜力學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析。</p><p>　　針對(duì)這種腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了六足的行走方式,通過對(duì)12個(gè)步進(jìn)電機(jī)的控制,采用三角步態(tài),實(shí)現(xiàn)了六足機(jī)器人的直行功能。仿真及

3、試驗(yàn)證明,這種結(jié)構(gòu)能較好地維持六足機(jī)器人自身的平衡,并且對(duì)今后更深入地研究六足機(jī)器人抬腿行走姿態(tài)及可行性,具有較高的參考價(jià)值。</p><p>　　關(guān)鍵詞：六足機(jī)器人；行走步態(tài)；運(yùn)動(dòng)原理；穩(wěn)定性；四桿機(jī)構(gòu)</p><p><b>　　abstract</b></p><p>　　This paper introduced a six-legge

4、d walking robot propelled by two electromotors,and analyzed the robot's kinetic mechanism and walking style.Proved by the model test,the robot is capable of actions such as forwarding,backwarding and veering in the c

5、ase of obstruction.The robot demonstrates such advantages as simple structure,comfortable control and stable performance of pacing.</p><p>　　Based on the principle of bionics,this paper designs a four-linked

6、 mechanism 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 c

7、an make sure four each parameters of the pole structure, can make sure the line speed and accelerations of the foot department from the exportation dint of the parameter and electric motor. Some simulations about the h&l

8、t;/p><p>　　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

9、and experiment show that this structure can keep the hexapod robot body's balance better,providing high reference value to research the advantage and feasibility of leg-raising walking gesture.</p><p>　　

10、Keyword: six foot robot; Tread the appearance of walk; The sport principle; Stability; Four pole organizations</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p&g

11、t;　　abstractII</p><p><b>　　1 緒 論1</b></p><p>　　1.1國(guó)內(nèi)外機(jī)器人的研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2機(jī)器人的主要研究問題3</p><p>　　1.3機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)5</p><p>　　1.4本課題所研究的主要內(nèi)容6&l

12、t;/p><p>　　2 機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)6</p><p><b>　　2.1機(jī)構(gòu)分析6</b></p><p>　　2.2 設(shè)計(jì)方法12</p><p>　　2.3四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)13</p><p>　　2.4四個(gè)鈑金零件設(shè)計(jì)28</p><p>　　2.5 軀體部

13、分機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)33</p><p>　　2.6 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)總結(jié)34</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)35</b></p><p><b>　　致謝37</b></p><p><b>　　附 錄一50</b></p><p><b>　

14、　附錄二61</b></p><p><b>　　1 緒 論</b></p><p>　　1.1國(guó)內(nèi)外機(jī)器人的研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.1.1機(jī)器人的定義</p><p>　　機(jī)器人是上個(gè)世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，而從機(jī)器人的角度來講，21世紀(jì)將是一個(gè)自治機(jī)器人的世紀(jì)。隨著機(jī)器人的工作環(huán)境和工作

15、任務(wù)的復(fù)雜化，要求機(jī)器人具有更高的靈活性、可靠性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和更強(qiáng)的適應(yīng)性。機(jī)器人技術(shù)是研究機(jī)器人工程技術(shù)的學(xué)問。關(guān)于機(jī)器人各國(guó)有不同的定義，其中一種定義得方法是“機(jī)器人是可通過感覺與智能進(jìn)行作業(yè)的并具有與人或動(dòng)物相似的外觀和機(jī)能的機(jī)械”。上述的定義是強(qiáng)調(diào)“可進(jìn)行作業(yè)”的性質(zhì)。而機(jī)器人的感覺機(jī)能和移動(dòng)即能只不過是進(jìn)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(jiǎn)單工作，而是能夠進(jìn)行多種動(dòng)作的作業(yè)。即具有通用性（或柔性）工作能

16、力。例如，數(shù)控機(jī)床加工工件的能力雖然很強(qiáng)，但是它不能進(jìn)行其它的作業(yè)，所以不能稱它為機(jī)器人，此外數(shù)控機(jī)床的外觀也很少有與生物相似之處。</p><p>　　按照上述的定義，機(jī)器人具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：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(dòng)作；另一個(gè)特點(diǎn)是根據(jù)人的編程能自動(dòng)工作，由于它通過編程才能改變它的工作、動(dòng)作，工作的對(duì)象和一些要求。一般來說我們認(rèn)為機(jī)器人是計(jì)算機(jī)控制的可以編程的目前能夠完

17、成某種工作或可以移動(dòng)的自動(dòng)化機(jī)械。</p><p>　　雖然機(jī)器人的模型是動(dòng)物或人，但是企圖給機(jī)器人賦予人類那樣的高度機(jī)能是不可能的。例如，在需要高級(jí)的認(rèn)識(shí)與判斷的地方，還必須有人的幫助，就是非常高級(jí)的機(jī)器人也還必須進(jìn)行人機(jī)對(duì)話才行。</p><p>　　1.1.2國(guó)內(nèi)外機(jī)器人的研究現(xiàn)狀概述</p><p>　　移動(dòng)機(jī)器人近年來朝著智能化、多樣化和集成化方向發(fā)展。未

18、來的移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)該具有行動(dòng)決策和規(guī)劃，以及自動(dòng)執(zhí)行規(guī)劃能力，集人工智能、智能控制、信息處理、檢測(cè)與轉(zhuǎn)換等專業(yè)技術(shù)為一體的系統(tǒng)。自然界生物的運(yùn)動(dòng)行為和某些機(jī)能已成為機(jī)器人學(xué)者進(jìn)行機(jī)器人設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)其靈活控制的思考源泉，導(dǎo)致各類仿生機(jī)器人不斷涌現(xiàn)。仿生機(jī)器人就是模仿自然界中生物的外部形狀或某些機(jī)能的機(jī)器人系統(tǒng)。仿生機(jī)器人的類型很多。其中步行機(jī)器人成為機(jī)器人研究的一個(gè)熱點(diǎn)，步行是人類或有腿動(dòng)物的獨(dú)特的運(yùn)行方式，是自然界中最為靈活的移動(dòng)形式。步行

19、機(jī)器人是以模擬這種方式來實(shí)現(xiàn)自身運(yùn)動(dòng)的一類特殊的機(jī)器人，它具有良好的地形活動(dòng)性，可以相對(duì)較易的跨過較大的障礙（如溝，坎等）。并且機(jī)器人的本質(zhì)具有的大量的自由度可以使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加靈活，對(duì)凹凸不平的地形的適應(yīng)能力更強(qiáng)，由于立足點(diǎn)是離散的，距地面的接觸面積較小，可以在可達(dá)到的地面上選擇最優(yōu)支承點(diǎn)，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴(yán)格選擇足的支撐點(diǎn)，也能夠行走自如。</p><p>　　現(xiàn)今國(guó)外得到業(yè)內(nèi)認(rèn)同的輪腿混

20、合式移動(dòng)機(jī)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)Lunokhod月球探測(cè)車美國(guó)JPL的Sojourner火星探測(cè)車。 該機(jī)器人采用六輪搖臂懸吊式結(jié)構(gòu)，即有6個(gè)獨(dú)立懸掛的驅(qū)動(dòng)輪，傳動(dòng)比為2000:1，因而能在各種復(fù)雜的地形中行駛，特別是軟沙地。此外該機(jī)器人的四個(gè)角輪具有獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和控制能力。本機(jī)器人是真正意義上的六輪腿式移動(dòng)機(jī)器人。日本本田公司和大阪大學(xué)聯(lián)合推出的P2和P9型放人步行機(jī)器人代表了當(dāng)今世界的最高水平

21、。美國(guó)的MIT Leglab 有兩個(gè)小組在從事仿人步行機(jī)器人的研究，已完成的項(xiàng)目包括一個(gè)重22kg的平面型機(jī)器人。Keisuke Arikawn 等研究的TITAN-VII型四足機(jī)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地面上的障礙，能夠向任何方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)腿的自由度可以用于工作。俄羅斯羅伊斯公司在為英國(guó)核潛艇建造并保養(yǎng)壓力水反應(yīng)堆時(shí)應(yīng)用了蛇形機(jī)器人，它將用于太空的探索，其是由簡(jiǎn)單的低自由度組件組成的高柔性、高冗余性的

22、蛇形機(jī)器人。1999年日本研制的寵物狗AIBOERS-110具有18個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)由伺服電</p><p>　　國(guó)內(nèi)一些研究院所，如北航、北科大、國(guó)防科大、東南大學(xué)、沈陽自動(dòng)化所和哈工大等進(jìn)行了仿生機(jī)器人的研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)月球車：輪腿式結(jié)構(gòu)是現(xiàn)今最流行的行星探測(cè)車結(jié)構(gòu)，雖然與國(guó)外的水平還有不小的差距，但國(guó)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(jī)構(gòu)相繼開展了有關(guān)輪腿式機(jī)器人方面的研究工作，也取

23、得了一定的成果。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)調(diào)動(dòng)各院系的優(yōu)勢(shì)，共同成立了研究“月球車”的課題組，其中包括航天學(xué)院、機(jī)電學(xué)院等，研究的側(cè)重點(diǎn)各有不同。其中，航天學(xué)院的研究側(cè)重點(diǎn)是月球車的導(dǎo)航、控制系統(tǒng)；機(jī)電學(xué)院的研究側(cè)重于車體的研究。研究經(jīng)費(fèi)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(xué)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”。</p><p>

24、　　1.2機(jī)器人的主要研究問題</p><p>　　1.2.1建模問題 </p><p>　　仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)具有高度的靈活性和適應(yīng)性，其一般都是冗余度或超冗余度機(jī)器人，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型與常規(guī)機(jī)器人有和大差別，且復(fù)雜度更大，為此，演練建模問題，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的可控化是研究仿生機(jī)器人的關(guān)鍵問題之一。</p><p>　　1.2.2控制優(yōu)化問題</p>

25、<p>　　機(jī)器人的自由度較多，機(jī)構(gòu)越復(fù)雜，必將導(dǎo)致控制系統(tǒng)的復(fù)雜化，復(fù)雜巨系統(tǒng)的實(shí)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(shí)要研究高優(yōu)化的控制算法才能使系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)處理能力。</p><p>　　1.2.3信息融合問題 </p><p>　　在仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)開發(fā)中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shù)是實(shí)現(xiàn)其具有

26、一定智能的關(guān)鍵。信息融合技術(shù)把分布在不同位置的多個(gè)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(yīng)的快速性和正確性。</p><p>　　1.2.4機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)問題</p><p>　　合理的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是仿生機(jī)器人實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。生物的形態(tài)經(jīng)過千百萬年的變化，其結(jié)構(gòu)特征極具合理性，而要用機(jī)械來完全仿制生物體幾乎是不可能

27、的，只有在充分研究生物肌體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性的基礎(chǔ)上提取其精髓進(jìn)行簡(jiǎn)化，才能開發(fā)全方位關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)和簡(jiǎn)單關(guān)節(jié)組成高靈活性的機(jī)器人機(jī)構(gòu)。</p><p>　　1.2.5微傳感器和微驅(qū)動(dòng)問題</p><p>　　衛(wèi)星仿生機(jī)器人有些已不是傳統(tǒng)常規(guī)機(jī)器人的按比例縮小，它的開發(fā)涉及到電磁、機(jī)械、熱、光、化學(xué)、生物等學(xué)科。對(duì)于微型仿生機(jī)器人的制造，需要解決一些工程上的問題。如動(dòng)力源、驅(qū)動(dòng)方式、傳感集成控制以及

28、同外界的通訊等，實(shí)現(xiàn)微傳感和微驅(qū)動(dòng)的一個(gè)關(guān)鍵問題是機(jī)電光一體結(jié)合的微加工技術(shù)。同時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到尺寸效應(yīng)、新材料、新工藝等問題。</p><p>　　1.3機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展對(duì)仿生機(jī)器人的研究正起著積極的促進(jìn)作用，隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人也從當(dāng)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(duì)先進(jìn)制造環(huán)境的仿人機(jī)械臂及靈

29、巧手有大量的理論與實(shí)踐工作要做。</p><p>　　目前運(yùn)行的絕大多數(shù)機(jī)器人都是固定的，它們只能固定在某一位置上進(jìn)行操作。因而其應(yīng)用范圍和功能受到限制。近年來，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究受到越來越多的重視，使機(jī)器人能夠移動(dòng)到固定式機(jī)器人無法達(dá)到的預(yù)定目標(biāo)，完成設(shè)定的操作任務(wù)。移動(dòng)機(jī)器人中絕大多數(shù)是仿生機(jī)器人，包括步行機(jī)器人和爬行機(jī)器人等。仿生移動(dòng)式機(jī)器人在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國(guó)防上具有廣泛的應(yīng)用前景，它們能用于衛(wèi)星探測(cè)、軍事偵

30、察、危險(xiǎn)的廢料處理以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。</p><p>　　為了開拓機(jī)器人新市場(chǎng)，向非制造業(yè)擴(kuò)展是機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)重要方向。在非制造業(yè)中的治療、娛樂和社會(huì)福利等方面的仿生機(jī)器人有很好的發(fā)展前景。如用于外科手術(shù)的多指收、仿生機(jī)器人玩具、老年人或臥床不起病人護(hù)理機(jī)器人和人工肢等。</p><p>　　科學(xué)家預(yù)言，21世紀(jì)的尖端技術(shù)之一是微型機(jī)器人。仿生機(jī)器人可用于小型管道進(jìn)行檢測(cè)作業(yè)，可進(jìn)入人體腸

31、道進(jìn)行檢查和實(shí)施治療而不傷害人體，也可以進(jìn)入狹小的復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行作業(yè)。因此，機(jī)器人的小型化和微型化是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。</p><p>　　1.4本課題所研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本文所設(shè)計(jì)的六足機(jī)器人，是以契貝謝夫直線四桿機(jī)構(gòu)作為行走機(jī)構(gòu)，通過減速步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(duì)側(cè)的中足各作為一組，組成一個(gè)

32、穩(wěn)定的三角支撐，實(shí)現(xiàn)昆蟲的快速運(yùn)動(dòng)。本文所設(shè)計(jì)的六足機(jī)器人具有6個(gè)支撐足，模仿了昆蟲的行走步態(tài)，能夠在平地上前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)彎，在遇到障礙時(shí)能自行避開。）分成兩組運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)身體的穩(wěn)定前移，利用伸出臂電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，來改變機(jī)器人前進(jìn)的方向，步進(jìn)電機(jī)通過單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制，從機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，主機(jī)通過串行通信協(xié)調(diào)各個(gè)單片機(jī)，主從機(jī)的配合就能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)機(jī)器人走直線，轉(zhuǎn)彎等設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　設(shè)計(jì)過程中，盡量選擇了

33、可以實(shí)現(xiàn)的方式。因?yàn)椴粌H要求設(shè)計(jì)步行機(jī)器人，我們還要在現(xiàn)有的條件下實(shí)現(xiàn)，而且時(shí)間很短，要設(shè)計(jì)性能良好的機(jī)器人也不太可能，不過我們是通過動(dòng)手實(shí)踐，自己設(shè)計(jì)，自己制作，自己調(diào)試完成的，會(huì)珍惜這樣的機(jī)會(huì)，盡可能的鍛煉自己。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題是機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，決定這個(gè)的因素是多方面的，比如我們?cè)O(shè)計(jì)的鈑金件都是手工劃線，手工制作的，精度很難保證等。</p><p><b>　　2 機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)</b><

34、;/p><p><b>　　2.1機(jī)構(gòu)分析</b></p><p>　　2.1.1整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　圖2.1.1所示為六足機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，由軀干部分及六足、拉桿和直流電機(jī)組成。該機(jī)器人共有六條腿，每條腿上裝有兩臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，一個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)基本的走直線勻速運(yùn)動(dòng)；另一個(gè)電機(jī)安裝在伸出的臂上

35、，帶動(dòng)整個(gè)腿的模塊的旋轉(zhuǎn)，完成在一定范圍內(nèi)的擺動(dòng)，這兩個(gè)電機(jī)的配合協(xié)調(diào)，就能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)機(jī)器人的較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　圖2.1.1 設(shè)計(jì)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.1.2步態(tài)的原理及設(shè)計(jì)</p><p>　　步行機(jī)構(gòu)的行走方式分為靜態(tài)行走和動(dòng)態(tài)行走兩類。靜態(tài)行走方式是指步行機(jī)構(gòu)在行走過程中始終有三只以上的足同時(shí)著地；動(dòng)態(tài)行走方式是指除此以外

36、的其他行走方式。更準(zhǔn)確的說，靜態(tài)行走時(shí)指步行機(jī)構(gòu)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，本文設(shè)計(jì)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(gè)穩(wěn)定的三角支撐。兩組足交替地?cái)[動(dòng)和支撐，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)。</p><p>　　理論上而言，六足可供選擇的步態(tài)較多，但也應(yīng)該遵守一般的準(zhǔn)則：①所選步態(tài)應(yīng)符合動(dòng)物的行走習(xí)慣。經(jīng)驗(yàn)和理論分析表明，

37、動(dòng)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(jī)構(gòu)平衡，而且能使所消耗的能量減少到最低程度。②所選步態(tài)應(yīng)使控制盡可能簡(jiǎn)單。和動(dòng)物行走不同，步行機(jī)構(gòu)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(shí)現(xiàn)，顯然意義是不大的。綜合考慮這兩條準(zhǔn)則以及機(jī)構(gòu)的整體構(gòu)成，對(duì)機(jī)構(gòu)的行走步態(tài)作以下規(guī)劃。</p><p>　?、?前進(jìn)時(shí)的步態(tài)行走</p><

38、p>　　六足機(jī)構(gòu)前進(jìn)時(shí)的行走步態(tài)如圖2.1.2所示。六足機(jī)構(gòu)開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，左側(cè)的2號(hào)腿和右側(cè)的4、6號(hào)腿抬起準(zhǔn)備向前擺動(dòng)，另外3條腿1、3、5處于支撐狀態(tài)，支撐機(jī)器人本體確保機(jī)器人的原有重心位置處于3條支撐腿所構(gòu)成的三角形內(nèi)，使機(jī)器人處于穩(wěn)定狀態(tài)不至于摔倒（見圖2.1.2(a)）,擺動(dòng)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(jī)器人本體，一面在驅(qū)動(dòng)電機(jī)和四桿機(jī)構(gòu)的作用下驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體，使機(jī)器人機(jī)體向前運(yùn)動(dòng)

39、了半個(gè)步長(zhǎng)S（見圖2.1.2（c））。</p><p>　　圖2.1.2 六足機(jī)器人前進(jìn)時(shí)的步態(tài)示意圖</p><p>　　在機(jī)器人機(jī)體移動(dòng)到位時(shí)，擺動(dòng)腿2、4、6立即放下，呈支撐態(tài)，使機(jī)器人的重心位置處于2、4、6三條支撐腿所構(gòu)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(zhǔn)備向前跨步（見圖2.1.2</p><p>　?。╠）），擺動(dòng)腿1、3、5向前跨步（見

40、圖2.1.2（e）），支撐腿2、4、6此時(shí)一面支撐機(jī)器人本體，一面驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體，使機(jī)器人機(jī)體又向前運(yùn)動(dòng)了半個(gè)步長(zhǎng)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(fù)，周而復(fù)始實(shí)現(xiàn)機(jī)器人不斷向前運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　II.轉(zhuǎn)彎時(shí)的行走步態(tài)</p><p>　　圖2.1.3是六足機(jī)構(gòu)右轉(zhuǎn)時(shí)的行走步態(tài)。六足機(jī)構(gòu)開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，左側(cè)的2號(hào)腿

41、和右側(cè)的4、6號(hào)腿抬起準(zhǔn)備向前擺動(dòng)，另外3條腿1、3、5處于支撐狀態(tài)，并形成一個(gè)三角形支撐區(qū)域（見圖2.1.3（a））;著地的足1和足3項(xiàng)對(duì)軀體向后擺動(dòng)一定角度，實(shí)現(xiàn)軀體相對(duì)地面的第一步轉(zhuǎn)動(dòng)（見圖2.1.3（b））；如圖2.1.3所示，此時(shí)軀體的位姿已相對(duì)上一位姿擺動(dòng)一個(gè)角度α。懸空的足4和足6相對(duì)軀體向后擺動(dòng)一個(gè)角度（見圖2.1.3（c））；足2的足5反方向擺動(dòng)一個(gè)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）

42、）；著地足4和足6相對(duì)軀體向前擺動(dòng)一個(gè)角度，實(shí)現(xiàn)軀體相對(duì)地面的第二步轉(zhuǎn)動(dòng)（見圖2.1.3（e））；如圖2.1.3（g）所示，此時(shí)軀體的位姿已相對(duì)上一位姿又轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)角度α；懸空的足1和足3相對(duì)軀體向前擺動(dòng)一個(gè)角度（見圖2.1.3（f））。如此（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）、（a）往復(fù)循環(huán)，便可實(shí)現(xiàn)六足機(jī)構(gòu)向右轉(zhuǎn)動(dòng)。左轉(zhuǎn)則依次類推。</p><p>　　在整個(gè)周期中包含6步，一個(gè)周期可實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)2

43、α角。</p><p>　　圖2.1.3 轉(zhuǎn)彎時(shí)的步態(tài)圖</p><p>　　2.1.3 腿部動(dòng)作與占空系數(shù)</p><p>　　圖2.1.4為一個(gè)步行周期T中六足機(jī)器人的擺動(dòng)相與支撐相的交替過程。根據(jù)占空系數(shù)β的大小可分為3種情況：（1）β=0.5，在三擺動(dòng)腿著地的同時(shí)，另外三支撐腿立即抬起，即任意時(shí)刻同時(shí)只有支撐相和擺動(dòng)相（見圖2.1.4（a））；（2）β＞0.

44、5，機(jī)器人移動(dòng)較慢時(shí)，擺動(dòng)相與支撐相有一短暫的重疊過程，即機(jī)器人有六條腿同時(shí)著地的狀態(tài)（見圖2.1.4（b））；β＜0.5，機(jī)器人移動(dòng)較快時(shí)，六條腿有同時(shí)為擺動(dòng)相的時(shí)刻，即六條腿同時(shí)在空中，處于騰空狀態(tài)（見圖2.1.4（c）），顯然此交替過程要求機(jī)器人機(jī)構(gòu)具有彈性和消振功能，否則難以實(shí)現(xiàn)。本文所研究的六足機(jī)器人的步態(tài)是β=0.5時(shí)的狀態(tài)。</p><p>　　圖2.1.4 機(jī)器人三角步態(tài)的擺動(dòng)相與支撐相</

45、p><p>　　2.1.4 六足機(jī)器人的足端運(yùn)動(dòng)軌跡曲線的確定</p><p>　　在進(jìn)行步行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)時(shí)，如果將腿直接連在軸上則足端曲線為圓形。這樣機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)將會(huì)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(jī)器人的平穩(wěn)前進(jìn)。況且步行機(jī)器人要求有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，它必須能夠在平面、臺(tái)階上穩(wěn)定的行走，又能跨過障礙、橫溝，不同的路面對(duì)軌跡曲線有不同的要求：對(duì)于平地路

46、面要求有一定的速度，對(duì)于臺(tái)階要求能夠抬起并通過，對(duì)障礙物要求順利跨越，可見足端運(yùn)動(dòng)軌跡的選擇度與步行機(jī)器人來說顯得非常重要。</p><p>　　選擇足端運(yùn)動(dòng)軌跡曲線時(shí)應(yīng)主要考慮以下問題：</p><p>　　（a）曲線的高度比：曲線的高度比直接反應(yīng)出曲線的運(yùn)動(dòng)特性。該比值越大則足端運(yùn)動(dòng)軌跡曲線越高，相應(yīng)的跨越臺(tái)階的能力就越強(qiáng)同時(shí)前進(jìn)特性（運(yùn)動(dòng)速度）就越差。</p><

47、p>　?。╞）曲線弧長(zhǎng)：在曲線寬度一定的情況下，曲線長(zhǎng)度越長(zhǎng)，在空中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間就越長(zhǎng)，這將直接影響到擺動(dòng)腿的速度，進(jìn)而影響到步行機(jī)的運(yùn)行速度。曲線弧長(zhǎng)越短，運(yùn)動(dòng)時(shí)間就越短，但相應(yīng)的跨越能力就越差。</p><p><b>　　2.2 設(shè)計(jì)方法</b></p><p><b>　　模塊化設(shè)計(jì)方法：</b></p><p&g

48、t;　　機(jī)電一體化設(shè)備可設(shè)計(jì)成由驅(qū)動(dòng)、傳感器、控制器、執(zhí)行元件和機(jī)械本體組成五個(gè)要素的功能部件組成，也可以設(shè)計(jì)成由若干功能子系統(tǒng)組成，而每個(gè)功能部件或功能子系統(tǒng)又包含若干組成元素，這些功能部件組成一個(gè)功能模塊，每個(gè)功能模塊可視為一個(gè)獨(dú)立體，能夠完成具體的功能。</p><p><b>　　柔性設(shè)計(jì)方法</b></p><p>　　將機(jī)電一體化系統(tǒng)中完成某一個(gè)功能的傳感

49、元件，執(zhí)行元件和控制器作為一個(gè)功能模塊，如果控制器具有可編程的特點(diǎn)，則該模塊就成為柔性模塊，采用計(jì)算機(jī)編程還可以進(jìn)一步提高驅(qū)動(dòng)模塊的柔性。</p><p>　　該機(jī)器人的整個(gè)設(shè)計(jì)過程遵循了上述的兩個(gè)基本原則，機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，每一條腿均作為一個(gè)基本模塊，其中有一個(gè)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)作為執(zhí)行元件，該機(jī)構(gòu)是機(jī)器人可以運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵，它的功能就是能夠在電機(jī)的整圈旋轉(zhuǎn)過程中，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人腳足端的抬起、懸空、落下和地面上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。每個(gè)

50、上面兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，作為腿部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器；兩個(gè)傳感器，用來作為機(jī)器人旋轉(zhuǎn)位置的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自身可識(shí)別的準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)，可旋轉(zhuǎn)的一塊鈑金組件，四連桿機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)按在上面；一個(gè)伸出的臂板鈑金組件，上面安裝了控制旋向的步進(jìn)電機(jī)，支撐整個(gè)腿部機(jī)構(gòu)。整個(gè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是圍繞其中一條腿的設(shè)計(jì)展開，確定機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案。</p><p>　　2.3四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)</p><p>　　機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中，腿

51、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：</p><p>　　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。</p><p>　　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)。</p><p>　　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)。&

52、lt;/p><p>　　2.3.1理論根據(jù)與機(jī)構(gòu)選擇</p><p>　　圖2.3.1 圖2.3.2</p><p>　　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。</p><p>　　圖2.3

53、.1所示實(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)。</p><p>　　圖2.3.2為使足部桿DE與機(jī)體

54、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：</p><p>　　可以毫無限制的提高腿的尺寸，從而說整個(gè)身體能站的比較高</p><p>　　不會(huì)因腿部放大而放大整個(gè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)</p><p>　　不過設(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)。</p><p>

55、;<b>　　圖2.3.3</b></p><p>　　圖2.3.3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π/2∽3π/2的直線段為足著地時(shí)的軌跡，3π/2∽0∽π/2為足跨步時(shí)的軌跡。</p><p>　　為了使Q點(diǎn)的軌跡平行與地面上的R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

56、76;，如圖中的點(diǎn)C′P′M′O′。該機(jī)構(gòu)上Q′點(diǎn)的軌跡與原機(jī)構(gòu)上Q點(diǎn)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(diǎn)作足尖，其軌跡必于Q、Q′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)，但對(duì)于本設(shè)計(jì)不太適合，反對(duì)稱機(jī)構(gòu)解決了受力問題，但增加了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，對(duì)于配合的要求更高，不符合設(shè)計(jì)要求；還增加

57、了動(dòng)力源的數(shù)目使控制系統(tǒng)更為復(fù)雜。</p><p>　　在選擇時(shí)是下了一番工夫的，決定采用這種機(jī)構(gòu)因?yàn)槭撬鼙容^好的完成一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)。如圖2.3.1的軌跡所示，如果找到一種構(gòu)件能夠?qū)崿F(xiàn)D點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，就能做到腿的提起、空中移動(dòng)、落下和與地面的摩擦運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)身體的前移。這種運(yùn)動(dòng)方式比較靈活，即使每條腿上只有一個(gè)電機(jī)，也可以實(shí)現(xiàn)勻速直線運(yùn)動(dòng)，變速直線運(yùn)動(dòng)，這些對(duì)于學(xué)習(xí)控制都是很有實(shí)際意義的。</p><

58、;p>　　設(shè)計(jì)中考慮到制作的復(fù)雜度，以及最后執(zhí)行的準(zhǔn)確度，就盡量采用簡(jiǎn)化的構(gòu)件，本文沒有采用雙重平行四邊形機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)足端與地面的垂直，主要做的機(jī)器人比較小，在有限的空間安排太多的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)比較困難。經(jīng)過一段時(shí)間的試驗(yàn)，主要根據(jù)SOLIDWORKS三維仿真和作圖軌跡，決定采用一個(gè)57°的彎桿來實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　2.3.2　設(shè)計(jì)參數(shù)</p><p>　　連桿尺寸Lab

59、= 7mm,Lcd = 20mm,Lad = 15.6mm,Lbe = 40mm Lce = 60mm</p><p>　　連桿各個(gè)部分符合契貝謝夫直線機(jī)構(gòu)，見圖2.3.3,</p><p>　　滿足　　　　　　　PM = MQ = MO</p><p>　　PM:CO:CP = 1:0.78:0.35</p><p>　　在正前方運(yùn)行

60、時(shí)，前腿和后腿之間不會(huì)發(fā)生相互干涉，其中身體上兩伸出臂距離是116mm.</p><p>　　電機(jī)軸與連桿的動(dòng)力輸入軸能夠緊密配合。</p><p>　　圖2.3.4 連桿機(jī)構(gòu)圖</p><p><b>　　2.3.3設(shè)計(jì)說明</b></p><p>　　本連桿機(jī)構(gòu)以契貝謝夫直線機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，但并不是單純應(yīng)用軌跡特性曲線。

61、現(xiàn)在有很多關(guān)于連桿軌跡特性曲線的專著，通過程序設(shè)計(jì)出曲線圖譜，供設(shè)計(jì)查詢使用，但機(jī)器人的設(shè)計(jì)中并不能直接使用其結(jié)論，曲線圖譜是關(guān)于直線連桿機(jī)構(gòu)的，與曲桿的關(guān)系不大，但機(jī)器人的設(shè)計(jì)用一些曲桿更好一些。</p><p>　　在材料的選擇上，AB桿與CD桿用的是５mm的鋁板，BCE桿的是膠木板寬度均是８mm，這樣可以盡量減輕機(jī)構(gòu)的重量。電機(jī)輸出軸配合孔采用線切割加工，可以保證緊密配合。</p><p

62、>　　2.3.4足端軌跡分析</p><p>　　仔細(xì)分析足端的軌跡是重要的，要研究做成的機(jī)器人如何運(yùn)動(dòng)，就需要明確的知道旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過一定角度后足端到達(dá)了什么位置，這點(diǎn)搞清楚了，才能很好的利用軌跡，對(duì)運(yùn)動(dòng)的控制才可以順利進(jìn)行。</p><p>　　四桿機(jī)構(gòu)的特性參數(shù)由實(shí)際參數(shù)可知此契比謝夫四桿機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。（為方便計(jì)算，在這里只考慮四邊形ABCD。）</p><

63、;p><b>　　壓力角和傳動(dòng)角</b></p><p>　　在圖2.3.5所示的原動(dòng)桿AB通過連桿BC作用在鉸鏈C上一個(gè)驅(qū)動(dòng)力，使從動(dòng)的搖桿CD繞D點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。將這驅(qū)動(dòng)力分解為兩個(gè)分力：沿受力點(diǎn)C的速度方向的分力和垂直于方向的分力。驅(qū)動(dòng)力方向與從動(dòng)桿上受力點(diǎn)速度方向所夾的銳角稱為壓力角，則 圖2.3.5

64、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角</p><p>　　其中，是使搖桿C擺動(dòng)的有效分力;而是使傳動(dòng)副C上產(chǎn)生附加徑向壓力的有害分力。當(dāng)壓力角愈小時(shí)，愈小，同時(shí)愈大。故壓力角愈小愈好。壓力角的余角稱為傳動(dòng)角。傳動(dòng)角卻愈大愈好。在機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程中，傳動(dòng)角的大小是不斷地變化的。如圖中所示，當(dāng)曲柄AB轉(zhuǎn)到AB1位置與機(jī)架重合時(shí)，連桿BC與搖桿CD的夾角最小，此時(shí)傳動(dòng)角，且</p><p><b>　　

65、=24.8°</b></p><p>　　當(dāng)曲柄AB轉(zhuǎn)過180°到AB2位置時(shí)，連桿BC與搖桿CD的夾角有最大值，且</p><p><b>　　=68.8°</b></p><p>　　當(dāng)時(shí)，;當(dāng)時(shí),在一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)期間，有最小值，它是和之中的小值。即24.8°</p><

66、p>　　行程速度比系數(shù)和死點(diǎn)位置</p><p>　　當(dāng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中曲柄AB與連桿BC在同一條直線上時(shí)，搖桿CD有外極限位置，如圖2.3.6中AB1C1D所示。這時(shí)有最小值,</p><p><b>　　=180°-</b></p><p><b>　　=82.1°</b></p>

67、<p>　　圖2.3.6 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的極限位置</p><p><b>　　其對(duì)應(yīng)的曲柄角</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=58°</b></p><p>　　當(dāng)曲柄AB與連桿BC重合時(shí)，搖桿CD有內(nèi)極限位置

68、，如圖中AB2C2D所示。這時(shí)有最大值。</p><p><b>　　=180°-</b></p><p><b>　　=139.5°</b></p><p><b>　　其對(duì)應(yīng)的曲柄角</b></p><p><b>　　=+180°&

69、lt;/b></p><p><b>　　= 268.3°</b></p><p>　　搖桿的擺角可用下式計(jì)算</p><p><b>　　==57.4°</b></p><p><b>　　其對(duì)應(yīng)的曲柄角為</b></p><p&

70、gt;　　=268.3°-58°=210.3°</p><p>　　搖桿的行程速度比系數(shù)K可用下式計(jì)算</p><p><b>　　==1.4</b></p><p>　　當(dāng)從動(dòng)桿上的傳動(dòng)角（或壓力角）時(shí)，驅(qū)動(dòng)力對(duì)從動(dòng)桿的有效回轉(zhuǎn)力矩為零，這位置稱為機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置。在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，搖桿作為原動(dòng)件，則搖桿在內(nèi)、外極

71、限位置時(shí)，機(jī)構(gòu)處于死點(diǎn)位置。 </p><p>　　通過以上分析可得出四桿機(jī)構(gòu)的基本運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖中間的加粗黑線表示四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中的一個(gè)典型狀態(tài)。４０表示DE段的長(zhǎng)度是４０mm，E點(diǎn)的軌跡雖然沒有了D點(diǎn)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(diǎn)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(duì)于要求的運(yùn)動(dòng)還是能完成。并且通過控制還可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的勻速運(yùn)動(dòng)。中間彎桿的角度５７&#

72、176;是根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和作圖結(jié)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(duì)運(yùn)動(dòng)距離大，同等條件下運(yùn)動(dòng)速度快。</p><p>　　圖2.3.7　軌跡１</p><p>　　其中AB : BC : CD : DE: CO = 0.35: 1 : 1 : 2 : 1</p><p>　　圖2.3.8　軌跡2</p><

73、p><b>　　角度對(duì)照表：</b></p><p>　?。睏U的旋轉(zhuǎn)角度（極坐標(biāo)） ４桿的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度</p><p>　　0° 45°</p><p>　　15° 53°</p&

74、gt;<p>　　30° 63°</p><p>　　45° 74°</p><p>　　60° 79°</p><p>　　75°

75、 82°</p><p>　　90° 82°</p><p>　　105° 82°</p><p>　　120° 81°</p><p>　　135&

76、#176; 78°</p><p>　　150° 75°</p><p>　　165° 72°</p><p>　　180° 67°</p&

77、gt;<p>　　210° 57°</p><p>　　240° 43°</p><p>　　270° 54°</p><p>　　300°

78、 25°</p><p>　　330° 23°</p><p>　　但此設(shè)計(jì)有一點(diǎn)不好，就是身體離地面太近，很難實(shí)現(xiàn)一些跨越障礙的要求，于是就想到增加DE部分的長(zhǎng)度，把原來的腿長(zhǎng)增加到１.５倍，如軌跡圖2.3.7和2.3.8所示。繪制的軌跡圖還可以應(yīng)用，但是軌跡就有較大變形。主要是DE越長(zhǎng)，E點(diǎn)就越不能復(fù)現(xiàn)D點(diǎn)的軌

79、跡。另外還有一點(diǎn)就是，DE部分越長(zhǎng)，要實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單的向前移動(dòng)，設(shè)計(jì)整個(gè)機(jī)器人的尺寸越大，這樣就定DE部分是原長(zhǎng)的1.5倍。</p><p>　　從角度對(duì)照表和上圖的兩視圖可以看出，當(dāng)Ｄ點(diǎn)在做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，Ｅ點(diǎn)有復(fù)現(xiàn)軌跡的趨勢(shì)。當(dāng)４桿的旋轉(zhuǎn)角度在８０°左右時(shí)，Ｅ點(diǎn)走近似直線軌跡。行走主要是利用直線軌跡，運(yùn)動(dòng)方案的控制利用抬起的軌跡曲線。</p><p>　　圖２.3.8軌跡２提供的關(guān)于

80、運(yùn)動(dòng)的參數(shù)：</p><p><b>　　步長(zhǎng)：８.６mm</b></p><p><b>　　步高：３４.６mm</b></p><p>　　旋轉(zhuǎn)臂距地面：２６.４mm</p><p><b>　　2.3.5設(shè)計(jì)校核</b></p><p>　　圖２.

81、3.9旋轉(zhuǎn)平面圖</p><p>　　僅驗(yàn)算參數(shù)２，但腿向正前方伸直時(shí)：</p><p>　?。ǎ玻?３-６）+１２+５８+２０≤１１５</p><p>　　其中５８mm由圖２.3.8軌跡２得到,20mm是伸出臂的寬度。</p><p>　　2.3.6可運(yùn)動(dòng)分析</p><p>　　自由度計(jì)算機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)時(shí)所必須給

82、定的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目稱為機(jī)構(gòu)的自由度。</p><p>　　圖2.3.10機(jī)構(gòu)分析圖</p><p><b>　　自由度計(jì)算公式：　</b></p><p>　?。疲?n－（２PL+PN）</p><p>　　式中：　　n　活動(dòng)構(gòu)件數(shù)目</p><p><b>　?。校獭〉透睌?shù)目<

83、;/b></p><p><b>　　ＰＮ　高副數(shù)目</b></p><p>　　本機(jī)構(gòu)中，Ａ.Ｂ.Ｃ.Ｄ都是移動(dòng)副，活動(dòng)構(gòu)件n=３n</p><p>　　機(jī)構(gòu)自由度：?。疲剑?#215;３－（２×４＋０）＝１</p><p>　　該四桿機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)自身的運(yùn)動(dòng)，只要各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)的

84、運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　2.3.7 六足機(jī)器人三角步態(tài)的穩(wěn)定性分析</p><p>　　如圖2.3.11所示：點(diǎn)A、B、C分別是六足機(jī)器人的左前腿、右中腿、左后腿在地面上的支撐點(diǎn)。三角形ABC是由三條支撐腿所構(gòu)成的一組支撐三角形。取機(jī)器人本體的重心O為坐標(biāo)原點(diǎn)，Y的正方向?yàn)闄C(jī)器人的前進(jìn)方向，設(shè)支撐點(diǎn)A、B、C的水平坐標(biāo)分別為A（xA ,yA）、B（xB,yB）、C（xC,yC）,各點(diǎn)的

85、z坐標(biāo)都相同，點(diǎn)A＇、B＇、C＇是機(jī)器人重心到支撐三角形各邊的垂足點(diǎn)，d1、d2、d3是重心到各邊的相應(yīng)的距離。</p><p><b>　　直線AB的方程為：</b></p><p>　　圖2.3.11 三角步態(tài)穩(wěn)定裕量計(jì)算圖</p><p><b>　　斜率</b></p><p><b

86、>　　則直線OA’的斜率</b></p><p><b>　　其直線方程為：</b></p><p>　　，以上兩直線AB和OA‘的交點(diǎn)A’</p><p><b>　　的坐標(biāo)為</b></p><p>　　式中d2AB是線段AB距離的平方。</p><p>

87、;<b>　　線段OA‘長(zhǎng)：</b></p><p>　　同理可得d2、d3。</p><p>　　則六足機(jī)器人以三角步態(tài)行走時(shí)，其最小穩(wěn)定裕量判據(jù)為：</p><p>　　d= min(d1,d2,d3)</p><p>　　2.3.8倒立擺模型</p><p>　　由于本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用三

88、角步態(tài)，在任何時(shí)刻，同組的三條腿一起運(yùn)動(dòng)，三條腿的動(dòng)作幾乎完全一致，可以等效為一條腿，其模型如圖2.3.12所示。</p><p>　　圖2.3.12 六足機(jī)器人腿的倒立擺運(yùn)動(dòng)模型</p><p>　　為了便于分析，本文假定機(jī)器人的質(zhì)量集中于腿（連桿）的一端，并且機(jī)器人的腿（連桿）不計(jì)質(zhì)量。如圖2.3.12所示：M是作用在機(jī)器人上面的驅(qū)動(dòng)力矩，F(xiàn)x和Fy，是地面作用于機(jī)器人支撐腿上的反作

89、用力，g是重力加速度，l是腿（連桿）長(zhǎng)，θ是機(jī)器人支撐腿與地面在水平方向上的夾由角，此得出下式</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中：代入式（1）并化簡(jiǎn)可以得到如下式所示的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型</p><p>　　由此模型可以得到如圖2.3.13、2.3.14所示的機(jī)器人在行走時(shí)腿和地面的接觸力的仿真結(jié)果。<

90、/p><p>　　圖2.3.13水平方向上的接觸力</p><p>　　圖2.3.14垂直方向上的接觸力</p><p>　　2.4四個(gè)鈑金零件設(shè)計(jì)</p><p><b>　　腿部機(jī)構(gòu)圖</b></p><p>　　圖2.4.1腿部機(jī)構(gòu)圖</p><p><b>　

91、　圖2.4.2設(shè)計(jì)軸</b></p><p>　　現(xiàn)在以腿部機(jī)構(gòu)圖來說明四個(gè)鈑金零件設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)圖紙由附錄提供）</p><p>　　2.4.1　設(shè)計(jì)參數(shù)</p><p>　　1 旋轉(zhuǎn)臂沿垂直方向，要可以往內(nèi)側(cè)擺動(dòng)２０°，往外側(cè)擺動(dòng)７０°。</p><p>　　2 傳感器安裝要比較方便的檢測(cè)到基準(zhǔn)信號(hào)。</

92、p><p>　　3 結(jié)構(gòu)要盡量輕，避免因電動(dòng)機(jī)功率不夠大而使機(jī)器人不能運(yùn)動(dòng)。</p><p><b>　　2.4.2設(shè)計(jì)說明</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)加上減速箱后，外形尺寸增大很多，就希望把帶動(dòng)板旋轉(zhuǎn)的電機(jī)有板上移動(dòng)到支撐臂的內(nèi)部，這樣可以省掉復(fù)雜的軸系聯(lián)結(jié)的設(shè)計(jì)，上面的軸聯(lián)結(jié)圖就是最初設(shè)計(jì)的軸系，旋轉(zhuǎn)板上有相應(yīng)的鍵槽，輸出軸的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)

93、整個(gè)板的擺動(dòng)；改進(jìn)設(shè)計(jì)后，板的旋轉(zhuǎn)軸由內(nèi)部移到外部，直接由電動(dòng)機(jī)軸帶動(dòng)；為了保證轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，就需要在電動(dòng)機(jī)伸出軸的相反側(cè)設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)的軸，主要是保證足端受力時(shí)旋轉(zhuǎn)板不會(huì)扭轉(zhuǎn)，下側(cè)軸是通過一個(gè)螺栓聯(lián)結(jié)，步進(jìn)電機(jī)下側(cè)的第一塊板攻螺紋，并保證與上面電機(jī)伸出軸的同心；緊貼的那塊板件設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)軸，圍繞螺栓旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　圖2.4.3 連桿機(jī)構(gòu)圖</p><p>　　旋轉(zhuǎn)板上的步進(jìn)電機(jī)的輸出軸帶

94、動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)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(jī)械機(jī)構(gòu)手冊(cè)上查到沉頭鉚釘GB/T869－１９８６－２×８，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(dòng)。桿２通過螺栓連接到旋轉(zhuǎn)板上，其中在板上攻螺紋。</p><p><b>　　2.4.3設(shè)計(jì)校核</b></p><p>　　擺動(dòng)角度

95、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(jī)構(gòu)圖譜抽象出分析簡(jiǎn)圖，然后分析轉(zhuǎn)角極限</p><p>　　圖2.4.4　計(jì)算內(nèi)側(cè)最大擺動(dòng)角圖</p><p>　　設(shè)lCB,lCF之間的夾角為θ，根據(jù)實(shí)際情況0≤θ≤90°</p><p><b>　　由圖示知：</b></p><p>　　lAB=lCB&#

96、215;sinθ＋lCD×cosθ＋lDE×sinθ</p><p>　　其中l(wèi)AB=45mm，lCB=37.2mm，lCD=25.5mm，lDE=12.5mm</p><p>　　46=37.2×sinθ＋25.5×cosθ＋12.5×sinθ</p><p>　　sin(θ＋arcsinφ)=0.82 其中

97、sinφ=0.513</p><p>　　解得：θmax=26.9°≥20°</p><p>　　計(jì)算結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　2.4.4 傳感器的安裝設(shè)計(jì)</p><p>　　有連桿的結(jié)構(gòu)圖可以看出一個(gè)傳感的安裝，它是根據(jù)連桿2沿旋轉(zhuǎn)軸擺動(dòng)，就是一個(gè)極限位置，在此處連桿2把微動(dòng)開關(guān)壓緊，開關(guān)閉合，可以檢測(cè)

98、到基準(zhǔn)信號(hào)。腿部機(jī)構(gòu)圖上可以看出另一個(gè)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(shí)，尖端頂住微動(dòng)開關(guān)，從而找到基準(zhǔn)信號(hào)。（原來想用凸輪機(jī)構(gòu)，但是實(shí)現(xiàn)過于復(fù)雜，就簡(jiǎn)化為一個(gè)頂點(diǎn)支撐住。）</p><p>　　2.4.5 材料的選擇</p><p>　　設(shè)計(jì)過程中還要在設(shè)計(jì)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 Me

99、tal）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(jī)械設(shè)計(jì)中常用的零件，不足之處就是鈑金比較薄，有時(shí)候難于連接。</p><p>　　選擇鈑金件作為機(jī)器人支撐點(diǎn)，主要基于如下考慮：</p><p>　　1鈑金件相對(duì)比較輕，適合做機(jī)器人的設(shè)計(jì)。</p><p>　　2鈑金形狀可塑性好，可以容易的做出較復(fù)雜的形狀。</p>

100、<p>　　組件1 組件2</p><p>　　最后設(shè)計(jì)的鈑金件看起來是較簡(jiǎn)單的，但設(shè)計(jì)也經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的選擇，先由PRO/E自上而下建立起初步的機(jī)器人模型，然后又自上而下更改尺寸，解決機(jī)構(gòu)的相互干涉，零件的定位，零件的連接等。機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)經(jīng)歷了多次改進(jìn)，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，才逐漸從設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，從軸鍵連接到鈑金件設(shè)計(jì)，幾乎推翻了最初的設(shè)計(jì)。&

101、lt;/p><p>　　2.5 軀體部分機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　2.5.1 基本參數(shù)和要求</p><p>　　軀體部分板長(zhǎng)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(jī)軀體模塊電路板的板邊深，其板邊為40mm×50mm;主機(jī)電路板的板邊要小于頂板的寬度，模板的設(shè)計(jì)尺寸260mm×80mm

102、，保證電路板，腿部模塊正確安裝。</p><p>　　2.5.2 設(shè)計(jì)說明</p><p>　　身體部分是一個(gè)載體，它把機(jī)器人的各個(gè)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(dòng)，腿部模塊起著支撐身體的作用，必須解決好這個(gè)問題。</p><p>　　從機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板通過一個(gè)彎針連到從機(jī)插板上（電路板），插板通過螺釘

103、連接到身體的金屬底板上，這就要求設(shè)計(jì)的電路板一定要比身體內(nèi)部的空間小。從機(jī)插板的板邊為210mm×60mm，可以放進(jìn)身體內(nèi)，12片從機(jī)驅(qū)動(dòng)板并排插在上面。</p><p>　　保證h從板＋h插板≤h軀體</p><p><b>　　h插板＋50≤60</b></p><p><b>　　h插板≤10</b><

104、;/p><p>　　所以設(shè)計(jì)時(shí)要保證安裝和插板的總厚度小于10mm。</p><p>　　另外身體外圍還要開槽，是為了步進(jìn)電機(jī)輸出線連到從機(jī)驅(qū)動(dòng)板上；頂板通過螺釘連接到身體上。</p><p>　　2.6 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)總結(jié)</p><p>　　阻礙設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是動(dòng)力元件的選擇。該機(jī)器人設(shè)計(jì)中采用永磁步進(jìn)電機(jī)，但電機(jī)外形遲遲沒有定下來，而電機(jī)對(duì)于這種小型

105、機(jī)器人的設(shè)計(jì)又有重要影響。電機(jī)校核力學(xué)模型需要自己設(shè)計(jì)；小型步進(jìn)電機(jī)難以買到，只能從網(wǎng)上查找資料，然后訂購(gòu)；微型電機(jī)動(dòng)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(shè)計(jì)難以進(jìn)行，設(shè)計(jì)之前就一定要明確動(dòng)力源，建立起力學(xué)模型，校核好功率，確定明確的尺寸，這樣做可以避免機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)反復(fù)。</p><p>　　設(shè)計(jì)過程中要考慮加工問題，以及可裝配性問題，尤其是圖紙，作為機(jī)械工程師的語言，圖紙一定要符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，高

106、質(zhì)量的圖紙是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基本特征，作圖時(shí)要注意基準(zhǔn)統(tǒng)一，加工工藝性，形位公差的實(shí)現(xiàn)等。</p><p><b>　　總 結(jié)</b></p><p>　　本文結(jié)合步行機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，具體闡述了一種六足仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理和機(jī)構(gòu)的組成。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程不僅是對(duì)自己設(shè)計(jì)水平和實(shí)踐能力的一次大查閱，通過設(shè)計(jì)，也學(xué)習(xí)并熟悉了開發(fā)機(jī)電一體化系統(tǒng)所必需的流程。</p>

107、;<p>　　本次設(shè)計(jì)是我們踏入社會(huì)前的最后一次設(shè)計(jì)，也是對(duì)我們這四年學(xué)習(xí)的一次大總結(jié)和應(yīng)用。這不僅提高了我們的設(shè)計(jì)能力和動(dòng)手水平。也為我們?cè)谔と肷鐣?huì)后盡快的適應(yīng)新的工作崗位提供了便利。</p><p>　　仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)融合了機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)等專業(yè)課程還包括高等物理中的力學(xué)分析等普通課程，在設(shè)計(jì)軟件方面我們采用的是AutoCAD 和 Pro/E軟件。</p><p&

108、gt;　　本設(shè)計(jì)主要進(jìn)行了一下幾個(gè)方面的設(shè)計(jì)：</p><p>　　1.分析步行機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，討論機(jī)構(gòu)的可行性。確定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方案，包括腿的數(shù)目，機(jī)器人的步態(tài)分析。</p><p>　　2.步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要是進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)腿部機(jī)構(gòu)，機(jī)器人三維建模，改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，生成圖紙并根據(jù)圖紙制作機(jī)器人樣件。</p><p>　　在設(shè)計(jì)過程中我得到了老師和同學(xué)的巨

109、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(huì)更加的美好。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1. 崔海萍，閆軍. Solidworks2006中文版標(biāo)準(zhǔn)實(shí)例教程. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社. 2005.10</p><p>　　2. 劉傳璽，齊秀麗. 機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用. 濟(jì)南：山東大學(xué)出版

110、社. 2001.8.</p><p>　　3. 遲冬祥，顏國(guó)正. 仿生機(jī)器人的研究狀況及其未來發(fā)展. 機(jī)器人. 2001，23(5): 476-479</p><p>　　4. 馬光. 仿生機(jī)器人的研究發(fā)展. 機(jī)器人. 2001，23(5): 463-465</p><p>　　5. 范偉，彭光正，寧汝新，柴森春. 氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)器在六足步行機(jī)器人中的應(yīng)用. 機(jī)器

111、人技術(shù)與應(yīng)用. 2003，1</p><p>　　6. 徐小云，顏國(guó)正. 六足微型機(jī)器人及其控制系統(tǒng)研究. 計(jì)算機(jī)工程. 2002，28(11): 81-83</p><p>　　7. 徐小云，顏國(guó)正. 微型六足仿生機(jī)器人及其三角步態(tài)的研究. 光學(xué)精密工程. 2002，10(4): 392-396</p><p>　　8．孫恒 ，陳作模。機(jī)械原理（第六版）。高等教育

112、出版社. 2001.5</p><p>　　9．濮良貴，紀(jì)名剛。機(jī)械設(shè)計(jì)（第七版）。高等教育出版社. 2001.6</p><p>　　10.《Advanced Robotics》 PREUMONTA GhuysD GhuysD 1991//02P 941-945</p><p>　　11.《IEEE Internationnal Symposium on》 L

113、ee Bo Hee 2001//P 1959-1964</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　在兩個(gè)多月的設(shè)計(jì)過程中，得到了許多老師及同學(xué)們的幫助和支持。孟娜老師對(duì)我們?cè)谠O(shè)計(jì)中遇到的各種難題，給予了耐心細(xì)致的講解。對(duì)設(shè)計(jì)中存在的問題和不足，多次給予指正。同時(shí)為此次設(shè)計(jì)提供了大量翔實(shí)可靠的技術(shù)資料供我們學(xué)習(xí)參考，在此表示深深的敬意和感謝。在運(yùn)用