足机器人行走机构设计

机械创新设计课程设计2015-2016第 1 学期题目：六足式机器人的行走机构设计小组成员：宁轻 631326110302 夏丽萍 631326110305 周义恒 631326110301 赵晨光 631326110117 陈森631326110304 班级：国机械一班指导教师：王正伦成绩：日期：2015年12月目 录摘 要4第一章绪 论11.1. 六足仿生机器人的概念：11.2.课题来源21.3.设计目的21.4.技术要求21.5.设计意义21.6.设计范围31.7.国内外的发展状况和存在的问题31.7.1.国外发展状况31.7.2.国内发展状况41.7.3.存在的问题51.8.具体设计51.8.1.设计指导思想51.8.2.应解决的主要问题51.8.3.本设计采用的研究计算方法61.8.4.技术路线6第二章六足仿生机器人的步态规划72.1步态分类72.1.1 三角步态7跟导步态7交替步态72.2步态规划概述82.3六足仿生机器人的坐标含义92.4 三角步态的稳定性分析122.4.1 稳定性分析12稳定裕量的计算122.5三角步态行走步态设计13直线行走步态规划13转弯步态分析152.6六足机器人的步长设计152.7六足机器人着地点的优化16第三章六足机器人的机构分析183.1四连杆机构的设计18理论根据与机构选择183.2设计参数213.3步行腿机构系统213.4 舵机驱动原理22驱动原理223.4.2 舵机控制方法223.5 六足机器人主体设计243.5.1 机身24腿部的设计25足25小腿26大腿27第四章总结284.1.设计小结284.2设计感受284.3课程设计见解28参考文献29谢 辞30摘要人类社会的发展，各种各样的机器人正渐渐的走进我们的视野，有很多的地方都用到了机器人，在机器人的领域里越来越多的人开始爱好上了机器人。能更好的适应环境和地形是多足仿生机器人的优点，很多人的工作可以由机器人代替完成，科学价值和实际应用价值是很重要的。复杂的多足机器人机构是不易制造的，机器人六条腿的运动也难以有效地调控，能让机器人选择最优秀的路径到达目的地是一个很让人思考的问题。以昆虫活动时选用的三角步态行动为基础策划六足机器人，为实现其全方位机动性，需要解决一系列的技术问题，首先，对机器人直线行走和转弯进行步态规划，分析其运动特性，根据对其进行的步行规划确定其运动轨迹，之后确定其运动机构，采用契贝谢夫四杆机构作为其主要的驱动机构，为了保证其转弯的灵敏性，在小腿上加上了舵机，易于实现转弯，掉头等动作。好的行走机构，能安稳的运转和走路，布局简单，容易设计制造，这个也是很重要的，本文还对舵机的设计进行了简易的讨论。本文设计主要针对的是六足机器人的步态规划及机构运动的分析。关键词：六足机器人，步态规划，机构设计，契贝谢夫四杆机构第一章 绪论1.1. 六足仿生机器人的概念：机器人技术是在新技术革命中迅速发展起来的一门新兴学科，它在众多领域与生产部门得到了广泛的应用，并显示出强大的生命力。它使得传统的生产发生变革，并对人类社会的生活产生深远的影响，它正在成为工厂，企业进行产品生产，乃至整个国家进行经济和军事较量的重要手段。六足机器人又叫蜘蛛机器人，是多足机器人的一种。仿生式六足机器人，顾名思义，六足机器人在我们理想架构中，我们借鉴了自然界。昆虫的运动原理。足是昆虫的运动器官。昆虫有3对足，在前胸、中胸和后胸各有一对，我们相应地称为前足、中足和后足。每个足由基节、转节、腿节、胫节、跗节和前跗节几部分组成。图1 昆虫腿节基节是足最基部的一节，多粗短。转节常与腿节紧密相连而不活动。腿节是最长最粗的一节。第四节叫胫节，一般比较细长，长着成排的刺。第五节叫跗节，一般由2-5个亚节组成为的是便于行走。在最末节的端部还长着两个又硬又尖的爪，可以用它们来抓住物体。行走是以三条腿为一组进行的，即一侧的前、后足与另一侧的中足为一组。这样就形成了一个三角形支架结构，当这三条腿放在地面并向后蹬时，另外三条腿即抬起向前准备替换。前足用爪固定物体后拉动虫体向前，中足用来支持并举起所属一侧的身体，后足则推动虫体前进，同时使虫体转向。这种行走方式使昆虫可以随时随地停息下来，因为重心总是落在三角支架之内。并不是所有成虫都用六条腿来行走，有些昆虫由于前足发生了特化，有了其他功用或退化，行走就主要靠中、后足来完成了。大家最为熟悉的要算螳螂了，我们常可看到螳螂一对钳子般的前足高举在胸前，后面四条足支撑地面行走。1.2.课题来源本课题来源于机械创新设计课程的研究课题。之前我们学习了有关机械原理的基本概念，基本理论，以及相关的计算方法，老师带领我们深入浅出的学习了机械方面的知识，使我们了解包括机构结构分析，运动分析，力分析以及动力学分析，对于常用的机构，例如，连杆机构，凸轮机构，齿轮机构的等也有了深入的认知。在王老师开设的机械创新设计课程上我们选择了这个课题，来将学习到的知识付诸于实践。1.3.设计目的本设计主要是利用机械原理相关知识合理设计机械腿的相关尺寸及机构来实现行走与转弯的功能。1.4.技术要求1.电机的选择和控制原理；2.运动学的分析和仿真；3.连杆机构，传动机构的设计；4.稳定性，重心转移。1.5.设计意义在自然界和人类社会中存在一些人类无法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场合。如行星表面、灾难发生矿井、防灾救援和反恐斗争等，对这些危险环境进行不断地探索和研究，寻求一条解决问题的可行途径成为科学技术发展和人类社会进步的需要。地形不规则和崎岖不平是这些环境的共同特点。从而使轮式机器人和履带式机器人的应用受到限制。以往的研究表明轮式移动方式在相对平坦的地形上行驶时，具有相当的优势运动速度迅速、平稳，结构和控制也较简单，但在不平地面上行驶时，能耗将大大增加，而在松软地面或严重崎岖不平的地形上，车轮的作用也将严重丧失移动效率大大降低。为了改善轮子对松软地面和不平地面的适应能力，履带式移动方式应运而生但履带式机器人在不平地面上的机动性仍然很差行驶时机身晃动严重。与轮式、履带式移动机器人相比在崎岖不平的路面步行机器人具有独特优越性能在这种背景下六足仿生机器人的研究蓬勃发展起来。而仿生步行机器人的出现更加显示出步行机器人的优势。六足仿生机器人的运动轨迹是一系列离散的足印运动时只需要离散的点接触地面对环境的破坏程度也较小可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点对崎岖地形的适应性强。正因为如此六足仿生机器人对环境的破坏程度也较小。轮式和履带式机器人的则是一条条连续的辙迹。崎岖地形中往往含有岩石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障碍物可以稳定支撑机器人的连续路径十分有限,这意味着轮式和履带式机器人在这种地形中已经不适用。六足仿生机器人的腿部具有多个自由度使运动的灵活性大大增强。它可以通过调节腿的长度保持身体水平也可以通过调节腿的伸展程度调整重心的位置因此不易翻倒稳定性更高。当然六足仿生机器人也存在一些不足之处。比如为使腿部协调稳定运动从机械结构设计到控制系统算法都比较复杂相比自然界的节肢动物仿生六足仿生机器人的机动性还有很大差距。1.6.设计范围一直以来移动型机器人的运动方式大体上包括，轮式、履带式、足式等。六足仿生机器人类似昆虫原理较为简单，技术也比较成熟，而且传动效率比较高，行走重心波动很小，运动平稳，这类装置重量小，运动灵活，采用步态仿生简便直接。1.7.国内外的发展状况和存在的问题.国外发展状况我国步行机器人的研究开始较晚，真正开始是在上世纪80年代初。1980年，中国科学院长春光学精密机械研究所采用平行四边形和凸轮机构研制出一台八足螃蟹式步行机,主要用于海底探测4 作业并做了越障、爬坡和通过沼泽地的试验。1989年，北京航空航。天大学孙汉旭博士进行了四足步行机的研究，试制成功一台四足步行机，并进行了步行实验；钱晋武博士对地、壁两用六足步行机器人进行了步态和运动学方面的研究。1991年，上海交通大学马培荪等研制出JTUWM系列四足步行机器人，该机器人采用计算机模拟电路两级分布式控制系统,JTUWM-III以对角步态行走,脚底装有PVDF测力传感器，如图4，同时对多足步行机器人的运动规划与控制，以及机器人的腿、臂功能融合和模块化实现的控制体系及其设计进行了研究。图2.国内发展状况随着电子技术发展，计算机性能的提高，使多足步行机器人技术进入了基于计算机控制的发展阶段。其中有代表性的研究为1993年,美国卡内基-梅隆大学开发出有缆的八足步行机器人DANTE，图1所示，用于对南极的埃里伯斯火山进行了考察，其结构由2个独立的框架构成。这一阶段研究的重点在于机器人的运动机构的设计、机器人的步态生成与规划及传统的控制方法在机器人行走运动控制过程的应用。Boston Dynamics公司的Big Dog四足机器人用于为军队运输装备，其高3英尺，重165磅，可以以3.3英里的速度行进，其采用汽油动力。图3 Adaptive Suspension Vehicle 图4 Odex1步行机器人图5 MIT 腿部实验室的四足和双足机器人由于新的材料的发现、智能控制技术的发展、对步行机器人运动学、动力学高效建模方法的提出以及生物学知识的增长促使了步行机器人向模仿生物的方向发展。.存在的问题综上所述，国外在这方面的研究成果较多，但是大多都结构复杂，造价昂贵，远远超出人民的经济承受能力。国内的研究相对较晚，虽然也诞生了很多专利，但由于受到体积，重量，稳定性级安全问题还没有产品真正投入使用。1.8.具体设计.设计指导思想面向社会应用需求，基于机械创新设计课程的课题要求，根据之前学习到的机械原理等知识，力求推动大学生设计创新能力，提高机器人应用实际的实际操控力，达到我们机械创新设计的目的。.应解决的主要问题1.重心对于机器人行走稳定性的影响，对机体质心及其稳定性；2.驱动腿部运动的动力的施加，分析采用合适参数；3.两腿之间运动时的协调配合，以及周期的确定；4.机器人行走转弯灵活自如，以及舵机的选择；5.运动学分析：建立合理得运动学模型，从而对不同运动阶段进行分析。.本设计采用的研究计算方法本设计主要通过分析六足昆虫的步态运动，结合高等代数、机械原理等相关知识以及利用互联网资源对六足仿生机器人机构进行合理的分析与设计。.技术路线1.收集国内外六足机器人的相关资料，分析并消化，总结出我们自己的方法；2.六足仿生机器人的步态规划，选择合适的步态，并稳定性分析，行走步态设计；3.机构设计和运动学分析，绘制六足机器人的机构原理图；针对运动特征设计相应机构，改善运动机构完成设计。4.根据腿的二维平面设计示意图进行三维设计，并用CATIA软件进行机构行走仿真，动态模拟分析。 研究手段 成果集成 研究结果网上资料查阅收集确定基本思路步态分析六足仿生机器人机构设计查阅机械原理基础知识机器人机构可行性分析 动态模拟分析第二章 六足仿生机器人的步态规划2.1步态分类六足机器人要体现良好的地面适应能力和行走灵活性，需要规划合理，有效的行走步态。步态不仅是指步态机器人各条腿抬腿、放腿的顺序，还包括机器人占空系数分析、足端轨迹的选择等。一般是模仿动物的行走姿态来研究机器人的步态。避免死锁现象，保证机器人步行的连续性和全方位。2.1.1 三角步态交替三角步态也被称为三角步态，六足纲是很多人熟知的一种步态，三角步态也可以称之为最为快速最为有效的一种静态稳定步态结构，这种步态非常的方便和快捷，能最简单化的模拟出昆虫的移动方式和方法，而且速度迅速快捷。本文就这种步态方式进行了简单的讨论，得出了三角步态是最适合步行机器人直线的行走。2.1.2跟导步态很多人都是采用的三角步态，但是三角步态也是有局限性的，三角步态被应用在平常不凸起的地面，在1974年sun提出的跟导步态，这个是跟导步态最原先的鼻祖，他是以后跟导步态的一个基础，在为后人的研究中做出了很大的贡献。选择前两足的坐标是跟导步态的重点，当前足和中足的坐标决定了一对中足和一对后足的下一步的坐标点，这种方式控制简单，而且还有很好的稳定性，当然了一切的前提是在不平面的地面上行走时，我们平时在平面上运动的概率相对来说还是比他要大得多。2.1.3交替步态复杂地形的行走是很多研究所在的重要环境特征，如何充分发挥六足机器人的特点，交替步态（也被称之为五角交替步态）这是很多研究院和研究机构的重点研究对象，这是一种单腿交替行走的步态。抬升和前进是五角步态的两个重要的部分，相邻的腿之间信号要顺序传递，一个靠地，另一个抬起，当这种状态能够持续的开始时，那么六足机器人就可以行走了。但是你可以想象一下因为地形的原因，那么各个腿到地面的时间不同，位置不同，这样的话就不可以预测出他的时间和转换的规律，所以对于凹凸不平的地面来讲是不可用的，当然了对于平整的地面来说就都一样了，时间规律都是有了固定值，这可以在试验中得到验证。2.2步态规划概述昆虫大多是采用的六足纲的原理来行走，可以看作两个状态，当腿抬离地面的时候就叫作悬空相和当腿接触到地面推动机体前行的时候就叫做支撑相，悬空时的状态记作1，支撑时候状态就记住0。一个腿运动完一个完整的周期循环所需要的时间就叫作一个运动周期。腿的运动周期相同，当周期变换的时候，腿就不同运动。有荷因素的定义为整个循环的运动周期中腿在地面的时间比例： (2-1)如果i为1、2、，2k（2k为总的足数）也就是为偶数的时候，这种步态就称之为规则步态。步距：指的是一个完整的腿循环中机身重心的移动的位置。平均速度：指的是机身的平均运动的速度。所以由此可以看出行程，步距，和有荷因数三者之间的关系为。根据上述所说的，有荷因数大小可以分为3种情况，（1）当时；在一组腿着地时候处于支撑相时，另外的三条腿立刻抬起处于悬空相，使他能在任意时刻同时具备支撑相和摆动相，保证在任意时刻都有三条腿支承地面，三条腿摆起，这就是三角步态所处的时刻。（2）当时；机身的前行移动慢的时候，当摆动相和支撑相有很少的时间重叠过程，也就是说六条腿同时着地的时候，在这种情况下，步行机器人稳定性更高，但是行走速度就相对降低。（3）当时；机身运动相对很快时候，六条腿同时在飞跃在空中时，各个脚都是处于悬空相时候，在这种结构中，机器人腾空这要求机器人的机械结构有很好的弹性和吸振性。三角步态（也或者称之为交替三角步态或者“33”步态），这是运动是六条腿成为两组三角步态交替支撑前进迈步，一般来说像(蚂蚁，蟑螂）步行的时候都不是六条腿同时直线前进的，而是把两边分为两组以三角形支架的形式交替前行的，身体一边的前后足和另一边的中足组成一对三角架，稳定身体的状态，两组脚在一边抬起时，另一边的三角脚架不动，使身体的重量都集中在不动的三角架上，当前面的腿上的肌肉收缩时候，也就是舵机动作，把脚部的力矩传递个机身，使机身的重心移动，当然了机身的重心的投影在三角架内部。就是通过重心的转移来使机身移动，然后再重复上一组的动作，相互互换周而复始，这种方式是很便捷的，因为重心一直在两对三角架的重心位置，使其能更稳定的行走，这充分的体现了三角步态的行走方式，但是这不是直线，我们可以理解为一种类似呈锯齿形的曲线前进方式。自然界的昆虫一般都是用的三角步态来达到疾走的目的，如下图说的一般来讲三个A为一组腿，三个B为一组腿，每三个构成一个三角形，当其中一组处于支撑相的时候，另一组要迅速的处于悬空相，这两者之间是交替互换的，前足固定产生摩擦力带动重心移动，后足有转变方向的作用，他们是交替支撑身体的，所以总的来说三角步态还是相当稳定的步态，相比较其他的方式有很大的优越点，下面用图来简单表示下：1、仿生六组机器人六条腿都在地面上也就是处于支撑相，看到机器人的重心在C1的地方，B组的支撑机身重量，A腿摆动。2、仿生六足机器人再次同时在地面上，发现重心到了C2的位置，、组都支撑机身体重，机身向前移动了长度。3、仿生六足机器人组靠地面时候，组开始动作，重心仍然不变，所有的状态回到初始，这就是一个周期，运动起来这就是一个循环往复的过程。图2-1 机器人步态规律图2.3六足仿生机器人的坐标含义六足仿生机器人的简图以下图是X0Y与机身平行，Z轴与机身相互垂直，机身的质心在坐标原点上。腿的顺序定义如图所示，定义腿间距为n，机身的体宽为1m。A1、A2、A3、B1、B2、B3、分别是腿的站立点，A11，A21、A31、B11、B21、B31、分别是腿与髋关节的连接处。图2-2 机器人的坐标定义六足仿生机器人腿机械图如下图所示：X轴投影定义的腿长为L，腿的高度为H，大腿与小腿之间角度为，髋关节在Z轴旋转角度为，髋关节在Y轴旋转角度为。图2-3 腿变化示意图图2-4 髋关节在XOY平面旋转示意图由上面的两幅图可以看出，六足仿生机器人髋关节的电机向上旋转了角度的时候，其中一条腿在Z轴方向提升高度，六足步行机器人腿部Z方向提升高度可以通过图计算如图:根据图中所示，得到计算的表达式子：（2-2）（2-3）所以可以确定的是髋关节电机旋转角度时候与立足的位置点Ai在Z轴的方向上提升高度的函数关系。由图2-5可见六足仿生机器人髋关节电机向着前面转动的时候立足位置点Ai在Y轴的方向上前进了半步长为S/2，六足仿生机器人腿部Y方向前进的步长计算如下：图2-5 腿在Y方向上前进的示意图所以说可以得出来S/2=Lsin，由表达可以确定髋关节电机向前转动角度的时候，立足位置点Ai在Y方向的前进的步长为一半S/2的相确定的关系。当较小的时候，可以设旋转角度后腿在X轴上的投影长度近视为L。2.4 三角步态的稳定性分析2.4.1 稳定性分析步行机器人任一时刻的，如2-6图所示：六足仿生机器人的两足腿Ai、Bi及质心O在地面坐标系XOY平面内投影为点、落在三角架支撑腿所构成阴影内，当然了这样的话机器人的稳定性就可以得到很好的保证，选择合适的转角和跨步可以保证重心的位置在我们需要的区域范围之内。图2-6 机器人重心位置图2.4.2稳定裕量的计算在一般时候，任一时刻，机器人以交替三角步态行走的时候，其B组支撑腿的着地的位置点，机器人的重心在XOY平面的投影如图所示；当然了重心的投影与XOY平面坐标原点重合。图2-7 重心在XOY面投影图图中，设B1、B2、B3、的在XOY平面坐标为：B1（x1，y1）、B2（x2，y2）、B（x3，y3），OM、ON、OP、为原点到直线B1B2、B2B3、B3B1的垂线，设d1=|OM|.d2=|ON|D3=|OP|，所以d1，d2，d3，分别为机器人重心投影到支撑架的三角形各边的相对距离，直线B1B2方程为：Y=(Y1-Y2)/(X1-X2)(X-X1)+Y1(2-4)而其垂线OM的方程为：Y=(Y1+Y2)/(X1+X2)X1(2-5)有上面的两个可以得到两个直线的坐标为：Xm=(Y2-Y1)(X1Y2-Y1X2)/(X1-X2)2-(Y1-Y2)2Ym=(X2-X1)(X1Y2-Y1X2)/(X1-X2)2-(Y1-Y2)2由上面的坐标（Xm，Ym），可以计算得出来他的距离d：d=OM=xm2+ym2（2-6）同样的道理，也可以求得d2=|ON|，d3=|OP|.六足仿生机器人以三角步态行走的时候，我们对其稳定裕量取为最小值：d=mind1，d2，d3 ，稳定裕量越小说明越稳定。2.5三角步态行走步态设计2.5.1直线行走步态规划三角步态直线行走步态就是两组腿之间交替的互换前进。如图所示规划他在一个步态周期的步行。采用“3+3”直线行走步态规划。三角步态规划图如图2-8“3+3”直线行走步态的摆腿顺序分为A组和B组，两组在步行效果上是一致的。阶段1：机器人六腿都着地，机身前移，重心移至C1，如图（a）所示阶段2：A组腿做摆动腿，摆起；B组腿做支承腿；重心继续前移，如图（b）所示阶段3：机器人六条腿着地，坐姿势调整，重心前移；阶段4：B组腿做摆动腿，摆起；A组腿做支撑腿，重心继续前移，完成一个步态周期如图（e）所示图2-8 直行状态步态图2.5.2转弯步态分析我们都是一般采用以一个中足为中心，再原地转弯从而达到转弯的目的，如下图所示：图2-9 转弯步态图当图中的B点不动作为支撑重点的时候：（1）当B1、B2、B3各个腿都抬起，然后B1、B3腿再摆动，B2腿不动的时候，机身靠三脚架A1，A2，A3支撑起他的重量。（2）B1，B2，B3腿落地支撑机身重量，同时A1，A2，A3，腿不动。B1，B2腿向后摆动。在转弯的过程中，A1、A3、B1、B3只是做上下运动。2.6六足机器人的步长设计六足机器人腿的初始姿态如图2-10（a）的实线所示，这时设根关节、髋关节、膝关节的角度分别为。于是有： （2-7）其中l1、l2、l3分别基节、股节、胫节的的长度，L0、H0分别是初始姿态时机器人腿的伸展量和机体的重心高度。机器人最大伸展量如图3-4中的虚线所示，可有： （2-8）图2-10(b)是机器人某只腿在向前迈进时在水平面的投影，由图可以求得机器人的允许的最大步长的大小。（2-9）(a)图2-10 (b)2.7六足机器人着地点的优化为了保证机器人运动，两组腿能更加的灵活和稳定，我们就要求三脚架所在的范围尽可能的面积最大化，下图中多边形defgij的面积最大。这样，只要机器人的重心在重叠区域内，机器人可以选择任意一组腿摆动。重合面积越大，机器人的重心的活动范围越大。为了分析方便，两个全等的等腰三角形；h为三角形在x轴上高；的斜率k，AB的斜率为(-k)；点到线AC的距离或点B到线的距离为a；点到点B在y轴方向上的距离为b。由于多边形defgij具有对称性，要求其的面积最大，只需求四边形edji的面积最大。易求得直线的表达式：（2-10）直线AB的表达式：（2-11）根据式（4）和式（5）可求出点e、d、j、i的坐标值：（2-12）求出四边形edji的面积，并求出最大值，当a=h/3时，四边形edji的面积会变为最大（2-13）由式（2-13）可看出，为了提高两三角形的重合度，可增大侧面两个角（B和）的大小，和横向的宽度（h的值），但增量要适当，否则可能增大机器人的重量或者导致各个方向的稳定裕度相差悬殊。从式（2-13）还可以看出，步行机器人的步长（b的值）越大，两三角形的重叠面积越小，因此，为了提高六足机器人的稳定性，保持它的灵活性，可适当减小步长。第三章 六足机器人的机构分析3.1四连杆机构的设计机器人设计过程中，腿部的四连杆执行机构采用了契贝谢夫直线四杆机构。在前期时参考了不少有关腿部机构的资料，这个机构的选择很重要，主要原因如下：（1）执行机构决定了整个系统的复杂度，机构越复杂，涉及到的工作和配合越多，制作的精度就不容易保证。（2）执行机构关系到运动的最终状态，决定运行的姿态。（3）执行机构最终保证整个机器人系统功能的实现。3.1.1理论根据与机构选择图3-1契贝谢夫直线机构图3-2二重平行四边形机构步行机构对于设计机器人是极为重要的，设计时根据上面的原则及实际三维建模进行选择，并且根据实际要求进行了设计，上面图示为六足机器人一条腿的机构简图。图3-1所示为实现步行基本动作的契贝谢夫直线机构，主动杆OB转动时，从动杆端点D端画出包括一段直线的闭合轨迹。这并不是一种实际可行的步行机构，并不能实现需要的运动，只是表明了一组轨迹，它能够实现腿的抬起、落下及一段直线运动。它是一个基础，虽然不能实现运动，但却是我们选择这种步行机构的起源，促使寻找确定可行的方案。主要是参考了鹤式起重机的变幅机构和挖土机的臂部结构。图3-2为使足部杆DE与机体始终保持垂直状态的二重平行四边形机构，这是一种比较理想的选择。主要原因：（1）可以毫无限制的提高腿的尺寸，从而整个身体能站的比较高；（2）不会因腿部放大而放大整个机器人结构。不过设计时发现垂直机构虽然足端轨迹好，但受力不好，走动过程中会发生偏移，两组平行四边形机构并不好实现。图3-3改进的四杆机构图3-3为改进的契贝谢夫直线四杆机构，该步行机构用于六足机器人中，每三个足一组，着地时间为1/2个周期。如图所示/23/2的直线段为足着地时的轨迹，3/20/2为足跨步时的轨迹。图3-4 步行腿机构原理图为了使D点的轨迹平行与地面上的E点，本机构采用另一个反向对称的契贝谢夫机构，相位差为180°，如图中的点。该机构上点的轨迹与原机构上D点的轨迹完全相同，但移过s的距离，故连线恒与相平行。用的中垂线上的点作足尖，其轨迹必于D、的轨迹相同，适于作六足机器人的步行机构。该机构在行进中机体基本上是水平移动。一条腿用二个主动构件，不仅可以提高效率，而且易于控制软件的开发。若采用双重平行四边形机构来实现足端与地面的垂直,在有限的空间安排太多的运动实现比较困难如图3-2所示，反平行四边形机构不仅复杂而且空间结构布置紧凑。如图3-5所示图3-5 步行腿侧视图为了解决该问题我们采用如图3-6所示的方案，机器人要实现前行时，必须得解决抬腿与摆腿两个动作因此我们采用曲柄摇杆机构实现其抬腿动作，在小腿上面安装一个舵机使其实现向前摆动的。该机构不仅解决机构空间布置的难题而且还是机器人的转向更加灵敏。图3-6 步行腿机构图3.2设计参数（1）连杆尺寸LAO= 26.6mm,LCD= 76mm,LBC=76mm,LAD=152mm, LBO= 60.8mm，连杆各个部分符合契贝谢夫直线机构 图3-7 步行腿机构原理图满足CB = CA = CD CA:OB:OA = 1:0.78:0.35 （2）估算机身高度设置为H=170,LDE=162mm,在正前方运行时，前腿和后腿之间不会发生相互干涉，为了保证两足之间有足够的距离，则两伸出臂的距离为170mm.如图3-7所示（3）电机轴与连杆的动力输入轴能够紧密配合在材料的选择上。杆用的是mm的铝板，胶木板宽度均是mm，这样可以尽量减轻机构的重量。舵机机输出轴配合孔采用线切割加工，可以保证紧密配合。3.3步行腿机构系统六足机器人两侧的步行腿系统均相同，行走时一侧一条腿与另一侧的前后两条腿运动步态一致，每次均有三条腿同时着地，构成三角形结构，稳定机身。该六足机器人通过曲柄摇杆机构将电机驱动力转换为步行腿向上的摆动，在小腿上安装有压力传感器，并在小腿上安装有舵机，舵机接受压力传感器传来的信号，驱动舵机工作，使小腿开始摆动，实现机器人前行。图3-8 步行腿行走原理图六足机器人在直线行走过程中需要左拐时，关闭机体左侧电机电源开关，接通右侧电机。左侧电机停止驱动，使左侧步行腿停止摆腿运动，而右侧的电机继续驱动右侧步行腿摆动，并以左侧停止摆动的步行腿为支点实现向左转弯功能。同理，关闭右侧电机，接通左侧电机，可实现向右转弯功能。当两侧一舵机正转，另一个反转时，机体两侧对应的步行腿做相逆的旋转摆动运动，可实现机体原地转弯掉头的功能。3.4 舵机驱动原理3.4.1驱动原理仿生六足机器人利用的是电动驱动的方法，舵机是经常选用的驱动器，它选用的是微型直流角位移伺服电动机。直流电机，减速齿轮，电位计以及控制电路是舵机的重要组成部分，驱动信号利用的是脉冲，转角和其宽度之间是线性关系，为了使电机能向各个方向运动就要保持舵机的初始位置时候为90度，这样就可以控制腿部的前进和后退。3.4.2 舵机控制方法电源线、地线、控制线是标准舵机的三个重要组成部分。输出转轴电源线Vcc地线GND控制线图3-10 舵机标准结构舵机内部的电机与线路靠电源线和地线维持，电压的大小大约为5V，当输入可调的周期性信号（方波脉冲）是，舵机的转角就会和信号相关联，同时变大变小。舵机需要一个可调宽度的方波信号，这也是舵机的控制信号，可以以此来控制舵机。（当然随着FPGA成本高，模拟电路，实现电路复杂，不适合输出）舵机的控制器常常都用单片机。这里主要对机构进行设计，单片机电子部分就暂不过多研究了。3.5六足机器人主体设计用三维软件CATIA画出总设计图如下:机身通过大多数的昆虫的外形观察，可以发现大多数的生物机体大小类似于一个椭圆，通过查阅一些资料可以发现采用近似菱形的机体的多足机器人可以减少腿部之间的碰撞，另一方面还使机体更加的稳定，因此仿生六足机器人机体采用六边形框架结构，机体的材料选择铝合金以减轻机器人重量。如图3-11所示图3-11 机身腿部的设计腿部结构是机器人身体里主要的部分，根据仿生学的知识，自然界的昆虫的腿部结构大致为：基节，股节，胫节，三个部分，而围绕着跟关节，髋关节，和膝关节，还有踝关节和脚。本文采用曲柄摇杆机构实现其直线行走和转弯功能的。三角架交替的变换使机身能向前运动，他们每组都支撑机体的重量，并在负重的状态下使机体的前行，所以适应的刚性和承载能力是非常重要的。所以对承载能力有着限制。足机器人的足部要安装压力传感器，所以脚步结构需要突起的一部分， 因为中间需要放置传感器所以需要突起一部分来使得压力传感器能更好的传递压力信息，具体的零件尺寸看其cad图纸。当然了在脚的中间要挖了一块来放传感器，能更好的传递外界的压力，反应环境的特点。如图3-12所示：图3-12 足基本的尺寸如图3-13所示：图3-13 足的尺寸图脚通过直径为4的螺钉螺母来连接小腿。小腿为了简化舵机架在小腿的作用所以把舵机架简化到小腿上去，小腿的作用一方面来连接脚，另一个就是来安装固定住膝盖部分的舵机，从而使其更好的转动，小腿的基本尺寸如图3-14所示图3-14小腿图3-15 小腿尺寸图为了减轻他的重量所以采用铝合金制作，和舵机相连接部分是采用螺栓连接。3.5.5大腿大腿部分的作用是作为连接小腿和机身两者之间的关键点，他们两两之间是通过舵盘和螺钉连接，当跟关节的舵机转动时，（从机身舵机角度看过去），舵机带动大腿的转动从而带动小腿和足的运动，当足落地后，接触到地面，产生了力，然后力矩通过小腿到大腿向上传递，传递上去的扭矩使机器人的躯体运动。大腿的设计图主要如下图3-16：通过两段弧连接两个圆使其成为大腿。两个圆的直径为M24，圆上打上4个螺纹孔来连接舵机机构。图3-16 大腿图3-17 大腿尺寸腿第四章 总结4.1.设计小结通过这次机械原理课程设计，综合运用了机械原理及其他课程的理论知识。将理论与实际结合在了一起，培养了我们团队合作以及解决机械工程有关的实际问题，最重要的是让我们从所学专业中找到了乐趣。在本次机械原理的课程设计训练中巩固学习了机械原理设计基础、CAD二维制图软件和CATIA三维软件，也学会了怎样从前人设计中取得经验以及处理数据的能力。4.2设计感受在机械原理课程设计过程中，我们通过对已有文献的查阅结合我们自己所学的专业知识。将理论和实践完美的结合在了一起，使我们更深刻的理解了我们的专业知识。从中学到了很多知识，并认识到团队协作的重要性。在设计过程中我们遇到了很多困难和挫折但经过努力以及我们不畏困难，不抛弃，不抱怨等都是我们学到的精神品质。通过这次设计我们认识到，机械是精准、系统、经验化的学科，对于问题不能粗略的概括和认识，容不得半点偏差。面对茫然不知所措的问题时要冷静，耐心对待。再设计过程中我们不断领悟机械学科及行业精髓，对所学专业有了浓厚的兴趣，激发了我们的学习热情当然让我们对将来的职业也充满了希望。在设计过程中培养了我们的自学能力，这是我们步入社会所必备的素质。现实企业中越来越强调团队协作，这次设计是我们小组在老师指导下共同努力的结果，没有良好的团队协作能了我们是不可能完成本次机械原理课程设计的。这种团队意识使我们步入社会必备的技能，这对我们即将步入社会的大学生有着重大意义。4.3课程设计见解机械原理课程设计，对于我们将要上更多专业课程的学生有着积极的意义，让我们更近的理解本专业的特点。所以我希望我们能有相对更充足的时间，先在老师的指导下自学相关理论文献，锻炼我们在短时间内的学习能力。这样我们就可以更加完美的完成我们的课程设计，得到的体会或许更多。参考文献1陈国定，机械设计基础M，北京：机械工业出版社，2013.2柳天虹，姜树海，仿生六足机器人稳定性分析与仿真J，计算机仿真，2013-12第30卷，第12期.3张春林编，机械创新设计M，机械工业出版社，2007.4陈学东 孙翊 贾文川，多足步行机器人运动规划与控制M，武汉：华中科技大学出版社，2006.5（美）克莱格著，机器人学导论（原书第三版）贲超等译，北京：机械工业出版社，2006.6刘广瑞，机器人创新制作M；西安，西北工业出版社，2007.7 李益民，机械制造工艺设计简明手册M，机械工业出版社，20118（美）丹尼斯克拉克，迈克尔欧文斯，机器人设计与控制M宗光华，张慧慧译，北京，北京科学出版社，2004.9高国富 谢绍荣 罗军，编著，机器人传感器及其应用，北京：化学工业出版社，2005.10廖林清编，机械设计方法学M，重庆大学出版社，201311孙恒 陈作模 葛文杰主编，机械原理M，北京高等教育出版社，2013.谢辞经过近若干星期的忙碌和学习，本次的机械创新设计课题已经顺利完成。作为一个机械行业的初学者，由于经验的匮乏，以及知识的片面，难免有许多考虑不周的地方，如果没有王老师的督促和指导，以及同小组成员的支持，想要完成此次设计的困难将会是难以想象的。本次机械创新设计是在王老师的悉心指导下完成的。我们从里王老师这里学到了很多，学到了对待问题应保持的态度，思考问题要全面，思路要开阔不能拘泥于陈旧的知识，要实时更新我们的知识认知，保持一颗火热求知的心，这些都是我们将来会受益终生的。承蒙王老师的亲切关怀和精心指导，虽然有繁忙的工作，但仍抽出时间给予我们学术上的指导和帮助，特别是给我们提供了许多参考资料，使我们小组的全体成员从中受益非浅。王老师对学生认真负责的态度、严谨的科学研究方法、敏锐的学术洞察力、勤勉的工作作风以及勇于创新、勇于开拓的精神是我们学习机械的学生永远学习的榜样。在此，谨向王老师致以深深的敬意和由衷的感谢！