仿生蜘蛛機器人的設計與研究.doc

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1、 畢業(yè)設計（論文） 仿生蜘蛛機器人的設計與研究 姓 名：寇艷虎 學 號：12151109 專 業(yè)：機械工程及自動化 系 別：機械與電氣工程系 指導教師：孔繁征 2020年10月 摘 要 本文總結(jié)了背景和目標,仿生蜘蛛機器人的簡單介紹。通過研究機器人的六足仿生的運動,這種設計已確定腳結(jié)構(gòu),使用3自由度的分析實現(xiàn)向前運動,把運動的機器人。想象的組件和裝配映射仿生蜘蛛機器人以及相關(guān)部件的檢查,確保機械設計的可行性都包含在總設計。 關(guān)鍵詞：仿生；機器人；機構(gòu)

2、 i 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 f

3、reedom 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. KEYWORDS：bionics ；

4、hexapod robot ；machinery iii 目 錄 摘 要 i ABSTRACT ii 目 錄 iii 1 緒 論 1 1.1課題背景及目的 1 1.2仿生機器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1 2 設計思路 7 2.1仿生學原理分析 7 2.1.1 仿生蜘蛛機器人的研究方法及思路 7 3 整體設計方案 9 3.1工作原理分析 9 3.1.1 三角步態(tài)原理分析 9 3.1.2 機器人走動步態(tài)分析 9 3.2 機器人機構(gòu)總體設計 9 3.3 電機的選擇 13 3.4 舵機驅(qū)動原理 15 3.4.1 舵機原理 16 3.4.2 舵機

5、控制方法 16 4 零件的設計 18 4.1 軀干的設計 18 4.2 基節(jié)設計 19 4.3 關(guān)節(jié)蓋的設計 20 4.4 脛節(jié)片的設計 20 4.5 足的設計 22 4.6 連接桿的設計 22 4.7 固定片的設計 23 結(jié) 論 24 參考文獻 26 致 謝 28 北京交通大學海濱學院畢業(yè)設計（論文） 1 緒 論 1.1 課題背景及目的 機器人的出現(xiàn)是科技不斷發(fā)展的必然產(chǎn)物，隨著,社會的不斷發(fā)展,機器人的不斷應用也將會推動生產(chǎn)力的發(fā)展,同時為也人類文明的進步做出了巨大貢獻。人工智能技術(shù)的研究主要是智能機器方向,所以如今對智能機器人的科研程度已

6、經(jīng)是一個國家科學以及技術(shù)的競爭的一個重要方面。一個國家啊對智能機器人研發(fā)的程度體現(xiàn)出國家的綜合的科技實力，新型機器人的研發(fā)更是表示出一個國家他的尖端科技?，F(xiàn)在，世界上機器人在生活中的的應用是很普騙的，機器人更是有各種各樣的種類 。 機器人已經(jīng)更加的多元化啊。不想以前那么單一。,研究機器人的結(jié)構(gòu)環(huán)境定點操作的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的轉(zhuǎn)變,在軍事偵察、太空探索、救災、搶險救災、行星等方向展示了廣闊前景。一些我們?nèi)祟悷o法達到的環(huán)境。機器人卻可以在那里正常工作，人類研究出的機器人不僅僅只有動物的外行還有更多的其他的功能。更加多元化啊。除了傳統(tǒng)的設計方法,人們也關(guān)注生物世界,尋找神奇的生物從自然中汲取靈感,他們

7、采用了運動機制和行為的運動和控制機器人,使機器人不僅感到思維有一定的功能,這些功能控制行動,用生物或類似于人類的智慧利用仿生學的相關(guān)知識。與設計相結(jié)合。使得仿生機器人的研究更加多樣化 。 仿生蜘蛛機器人是模仿多足的動物的運動的方式的特殊一種的機器人。經(jīng)過調(diào)查顯示,在地球上有大約二分之一的陸地那些常規(guī)的載具，像汽車火車履帶式的載具都無法到達。自然界中卻有很多生物卻可以自由的活動在那里。因此,仿生機器人的運動方式更有著其他不具有的能力優(yōu)勢,仿生機器人運動方式流動性良好,能適應各種崎嶇路面。仿生蜘蛛機器人在崎嶇和路況極差的地面上的運動速度仍然很快，而且能耗較少[2]。 這些仿生機器人

8、有著難以超越的優(yōu)勢，如果我們想在我們生活中推廣。普及發(fā)揮這些仿生機器人的最大價值。讓我們生活更加便捷，我們只能毫不松懈不停的對仿生機器人進行深入研究。 1.2 仿生機器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 圖2.2 Hamlet機器人 國外仿生機器人研究現(xiàn)狀 （1）LAURON系列六足機器人 德國卡爾斯魯厄大學是一個科研機構(gòu),有著悠久歷史的學校機器人的開發(fā)團隊有足夠多的仿生機器人持續(xù)了數(shù)年的集中研究和開發(fā)。以下是他們的發(fā)現(xiàn)。團隊領導是右側(cè)的六足仿生機器人(如圖2.1)是一種特定的六個同樣的肉體,頭和腳。整個身體機制設備不僅具有納米微控制器,系統(tǒng)處理單元、電源開關(guān)和照相

9、機,和所有組件都安裝在它的身體,這樣我們就能完全滿足要求的自主權(quán)。的總重量是32公斤,寬度是0.7米,可以攜帶15公斤的重量,不影響其操作,運動速度最高可達0.5 M / s。不僅在它的小身體配備軸角編碼器,壓力傳感器、傾角傳感器、紅外測距傳感器和其他傳感器和攝像機配備一個視覺傳感器。六條腿的機器人主要是依靠各種傳感器和對接收到的信號分析,反饋處理隨意運動在凹凸的表面。圖2.1 LAURONⅡ （2）哈姆雷特是一個由坎特伯雷大學的學生和教授的研究小組開發(fā)出了一個在2000年底模仿昆蟲六條腿走路的機器人。它也是一種微型伺服機器人。哈姆雷特是基于竹節(jié)蟲是一個全方位步態(tài)模仿,和正在開發(fā)的步行機

10、器人(如圖2.2)。它共有六十三關(guān)節(jié)行走的腳,每個關(guān)節(jié)運動控制。兩端配備了一個機械腿框架結(jié)構(gòu),每個裝有三維力傳感器的結(jié)構(gòu)和每只腳,受碳纖維保護膜保護。機器人使用兩層分布式控制框架、硬件和兩個綜合控制板驅(qū)動信號和力信號,和態(tài)度的傳感信號處理操作。機器人的大小是650 mmx500mmx400mm,總重量12.7公斤,可以在復雜的地面勻速運動的速度0.2米/秒。它有獨立的行走和攀爬能力。 (3)Lobstei機器龍蝦 在美國國防高級研究計劃局部門支持的海上作戰(zhàn)部隊和波士頓在美國,一個東北大學聯(lián)合開發(fā)了一種模仿龍蝦八足步行機器人。(如圖2.3)它能完成我的檢測和引爆在海底作業(yè)。它有4 x 8英寸

11、的殼,殼,由八3自由度的腿,可以完成浮動和爬行,頭部設有兩個鉗,舵由液壓控制,8英寸長尾與水流的控制拉伸,保持飛機的穩(wěn)定性。龍蝦肌肉類型驅(qū)動器,驅(qū)動機聯(lián)合行動由形狀記憶合金(秦力量可以人工肌肉)控制?？刂破靼ㄒ惶淄暾年P(guān)于龍蝦的行為數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)庫基本上囊括了所有組織的指令的龍蝦步態(tài)。當然,它還可以消除的魚雷傳感器和installedSome炸藥。 圖2.3 Lobstei機器龍蝦 (4) Hexplorer 2000六足步行機器人 Hexplorer步行機器人的研究和開發(fā)加拿大大學(如圖2.4),它有六英尺,分布在一個圓形的身體。每個機械腿是

12、由三個獨立的控制上面的三個關(guān)節(jié)。TI C2000系列DSP控制系統(tǒng),該系統(tǒng)采用分級控制7塊DSP芯片,每個控制三個腿的關(guān)節(jié)和其他中央控制器,其他6件發(fā)送和接收指令。每一條腿。都是獨立的。存在的子系統(tǒng)。只要控制中心傳輸信號，就可以控制單獨的腿。實現(xiàn)六條腿的步態(tài)規(guī)劃，通信通過CAN總線接口和事件管理模式。 圖2.4 Hexplorer 2000 國內(nèi)仿生機器人研究現(xiàn)狀 對于仿生學的研究在我國起步較晚,我國從上個世紀的80代末和90年代初才開始設計這方面的研究。在上個世紀九十年代初,北京航空航天大學在中國開發(fā)了前四模仿動物機器人。這是一個重達兩

13、噸,采用液壓驅(qū)動機器人。 1989年3月,沈陽自動化研究所、長春光機合作進行的海蟹,是一個六英尺,25度極自由的六條腿的機器人,總重量約1500公斤,下降到500米。 1980年,中國科學,用四邊形和凸輪的理論發(fā)明了八腳蟹步行機,被廣泛的應用在水下。涵虛博士1989年,已經(jīng)進行了四足步行機器人的設計和研究,而且成功地開發(fā)了一種四足步行機,和步行測試，錢博士在地面,墻兩棲機器人的愛是特殊的,和一個六足步行機器人的步態(tài)運動學的研究。等發(fā)達JTUWM系列91年pei-sun馬四足步行機器人是由pei-sun媽,機器人采用兩級分布式控制系統(tǒng),計算機模擬電路JTUWM - III對角步態(tài),配備了PV

14、DF測力傳感器。02,guo-zheng燕,徐小云和其他人在同一時間開始研究小型六足仿生機器人的設計,如圖1所示,13日步行機器人的尺寸分別是:30毫米,40毫米,20毫米的重量只有6.3克,平均散步可以保持約3毫米/秒的速度,以一個恒定的速度移動。此外,清華大學DTWN框架發(fā)展的三個三腳機器人，華中科技大學“4 + 2”多個雙腿行走機器人和MINIQUAD多足步行機器人如圖1 - 15所示,多個機器人運動和控制計劃的同時,此外,腿,墻相關(guān)模塊功能的實現(xiàn)進行了詳細的設計和研究。 國家“863”的支持下,智能機器人主題,北京航空航天大學的發(fā)展更簡單操作靈巧的手。BH4——采用精密靈巧手齒輪結(jié)構(gòu)

15、,四個手指,有16個節(jié)點,每一個聯(lián)合使用直流電機驅(qū)動,電機,安裝在手指。主要控制系統(tǒng)多目標分層控制系統(tǒng)。理想的軌跡跟蹤和協(xié)調(diào)層四個手指關(guān)節(jié)位置控制是完成四個電腦控制器。手指控制器都在相同的物理控制器內(nèi)的每一個關(guān)節(jié),為了提高控制精度的相互傳遞信息,使控制誤差小。除了北航機器人微小型仿生機器魚的研究團隊(孩子)技術(shù)的研究已經(jīng)取得了突破性的進展,仿生機器魚”模型是成功的,同時控制機器魚檢測。哈爾濱工業(yè)大學開發(fā)的仿人手臂和仿人雙足機器人柔性機器人。仿人手臂的空間大的特點,而沒有奇異位置的關(guān)節(jié),如結(jié)構(gòu)緊湊，控制軟件的整個過程可以爬,超越障礙等。除了附近的最優(yōu)聯(lián)合功率限制。 仿生機器人通過生物擬態(tài)的性能

16、和行為，將它的結(jié)構(gòu)特點、運動和行為是應用在機器人的設計上。,開發(fā)了一些具有生物的外觀或功能的機器人系統(tǒng)。仿生機器人的誕生是由于仿生技術(shù)和機器人技術(shù)的集成,在仿生學、信息科學、力學、微電子控制、計算機科學、組織、、傳感器技術(shù)、人工智能、和許多其他科目,所以機器人的優(yōu)勢傳統(tǒng)的機器人,和生物運動機理和行為方式,應用于機器人的運動控制理論模型,本質(zhì)上是對數(shù)以百萬年來大自然的發(fā)展過程的“自然選擇”來提高機械手的運動能力和效率,使其超越原始理論的障礙,大大提高機器人的運動特性和工作效率。仿生機器人大致可分為仿人機器人,和模仿人類的生物機器人，仿人機器人是機器人技術(shù)的前沿課題的一個具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)問題,主要

17、是研究多自由度機器人機械臂關(guān)節(jié),指的是結(jié)合兩只腳行走機器人靈巧手的身體,模仿人類的生物機器人行走機器人,主要研究了蛇形機器人,水下機器人和機器人、飛行方向和熱門話題的研究主要涉及到運動的仿生機理的仿生機器人,仿生控制機制、信息感知仿生、仿生能量代謝和合成的仿生材料。 目前，我國已經(jīng)研發(fā)了幾款比較典型的仿生多足機器人，像仿壁虎四足機器人、仿竹節(jié)蟲六足機器人、仿螳螂六足機器人、仿蜘蛛八足機器人、仿蝎八足機器人等 [3]。 機器人在農(nóng)業(yè)。國防。娛樂和服務等行業(yè)都得到良好的應用，機器人正朝著智能化的方向發(fā)展，將人工智能與仿生學相結(jié)合制造出類生物機器人。近年來由于日本仿生機器ASIMO\還有、美國火

18、星探測器等項目的研制成功，智能機器人的研究和發(fā)展，最重要的是是能夠代替人在危險、惡劣等環(huán)境中從事特殊工作的特種智能機器人的研究和發(fā)展，已經(jīng)是各國政府制定高技術(shù)計劃的一個重要內(nèi)容，支撐智能機器人的關(guān)鍵技術(shù)——感知與智能控制技術(shù)已成為機器人研究領域的熱點之一[1]。 在1990年代早期,美國麻省理工學院教授布魯克斯的幫助下學生,產(chǎn)生一批蚊子機器人,名叫昆蟲,這些小習慣非常相似和蟑螂。他們不沒有自己的想法、,僅僅是根據(jù)編輯的程序。日本和俄羅斯創(chuàng)建了一個電子機器蟹,深海探測,收集樣本,捕捉海洋生物,海底焊接等，幾年之前。一些科技工作者送給圣地亞哥動物園一些鳥電子機器,它可以模仿女性禿鷲,喂小禿鷹，美

19、國發(fā)明了一種機器名叫查理金槍魚,長1.32米,是由2843個零件組成的。通過搖擺身體和尾巴,真的可以像魚游泳,7.2公里每小時的速度。可以使用它在海上連續(xù)工作幾個月,映射和探測水下海洋污染,您還可以使用它來拍攝,因為它模仿金槍魚。作為一個軍事偵察和科學探索的工具,它的發(fā)展和應用前景非常廣泛。目前,中國科學院已經(jīng)開發(fā)出類似的仿生機器魚。研究制造昆蟲機器人,其前景也非常好。例如,一些人開發(fā)一個靈活的機器昆蟲的腿,大小只有1/3的信用卡,您可以輕松地跳過障礙像蟋蟀,幾乎一個小時能向前。蜜蜂機器人開發(fā)的科學家在美國,后安裝太陽能電池板和傳感器可以自主飛行很長時間。這種機器昆蟲是最特別的地方突破的概念“

20、影響關(guān)節(jié)必須添加引擎”。 機器人是人工智能的方向迅速發(fā)展,仿生機器人的發(fā)展非?？?。機器人有價值是它可以做很多人類不能完成的任務,人是一個生命體征,動物,對生活環(huán)境有很高的要求。盡管機器人是一種機器,它沒有生命體征,只有在惡劣的環(huán)境工作將身體材料有更高的要求。所以你可以讓機器人來完成那些人類無法代替人工任務。與人類研究的擴大,以及人類生活水平的不斷提高,機器人的發(fā)展也越來越重要[3]。 所以機器人肯定會朝著仿生方向發(fā)展。曾經(jīng)在 IEEE 機器人學與仿生學國際學術(shù)會議上，與會的機器人專家就指出：“模仿生物的身體結(jié)構(gòu)和功能，從事生物特點工作的仿生機器人，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工業(yè)機器人，成為成為未來機器

21、人的發(fā)展方向[1]。 28 2 設計思路 2.1 仿生學原理分析 仿生式蜘蛛機器人，顧名思義，我們借鑒自然界當中昆蟲的運動原理。 腳是昆蟲的運動器官。昆蟲有3步行,在胸部,胸部和胸部都有一雙,我們反過來叫前面的腳,腳和背部的腳。每只腳髖,旋轉(zhuǎn),股骨,脛骨,瞼板和前大數(shù)。髖是一天的基礎,比短。旋轉(zhuǎn)是沒有活動通常與腿部分緊密相連。腿部分最長最厚部分。第四季度叫做脛骨,往往是又細又長,一排排的荊棘。第五節(jié)叫做大數(shù),一般由2 - 5節(jié)和部分:為了方便走路。小結(jié)束還有兩個堅硬和鋒利的爪子,它可以用來把握對象。步行是一組三條腿,前后肢的一邊和另一邊的腳set.Thus托架結(jié)構(gòu),形成了一個三角

22、形的三條腿在地上,往后推,另三條腿舉起來取代。前足后固定對象在它的爪子把昆蟲的身體向前,足以支持和提高身體的一邊,腳后促進蟲體之前,同時使蝸桿轉(zhuǎn)動。 這種運動方式使昆蟲可以在什么時候停止都可以，由因為中心遺址是不變的。還有一部分昆蟲不用全部的腿走路。他們的一些腿有了其他功能，產(chǎn)生了變化。行走就主要靠中和后足來完成。比如說刀螂。兩只前腿不會用來走路。而是自己的武器、依靠剩下的四條腿運動 參考上面的昆蟲腳結(jié)構(gòu),我想出了一個簡單的方式來表達。一只腳兩個關(guān)節(jié)的活動,聯(lián)合使用控制型轉(zhuǎn)變，另一個聯(lián)合使用偏擺,讓腳可以提高,作為一種上下。 2.1.1 仿生蜘蛛機器人的研究方法及思路 決定這次研究

23、的仿生蜘蛛機器人為六條腿的結(jié)構(gòu)，要想完成設計首先得完成機構(gòu)的設計。之后才可以進行系統(tǒng)的設計。整機機械結(jié)構(gòu)、自由度、驅(qū)動方式，傳動機構(gòu)，都會影響機器人的性能。而且，仿設計出來的機器人機構(gòu)不僅得滿足技術(shù)條件。而且得滿足經(jīng)濟條件。必須在滿足機器人的預期技術(shù)指標的條件下，考慮用合理用材、便捷制造安裝、價格低廉和可靠性高等問題。 仿生蜘蛛機器人機制包括身體和腿兩部分、,首先得決定腿的數(shù)量。以及其他數(shù)據(jù)?，F(xiàn)有計算多組機器人包括三、四、六尺、八尺以上,腳的數(shù)量大,重載和慢鏡頭,和青年的數(shù)量似乎更靈活的運動。數(shù)選擇的因素主要包括:穩(wěn)定、節(jié)能、冗余、聯(lián)合控制性能的要求,生產(chǎn)成本,質(zhì)量,復雜的傳感器和可能的步態(tài)

24、,等等,腿配置指的是腳的行走機器人相對于身體的位置和姿態(tài)的安排,確定分布形式,還需要考慮一些細節(jié),比如腿在主平面幾何配置和相對彎曲腿的方向桿,等等。此次設計腿的分布如圖1所示。 圖 1 仿生蜘蛛機器人腿的分布示意圖 Fig 1 Bionic six foot robot leg distribution diagram 綜合足的數(shù)量等因素，此次設計的行走步態(tài)決定用三角步態(tài)，這也是六足機器人步行方式通常采用的。三角步態(tài)中，六足機器人身體的一側(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。 3 整體設計方案 3.1 工作原理分析 六足步

25、行機器人的步態(tài)是多樣的，其中三角步態(tài)是仿生蜘蛛機器人實現(xiàn)步行的典型步態(tài)。以下主要分析三角步態(tài)原理。 3.1.1 三角步態(tài)原理分析 六條腿的昆蟲行走時，一般不是六足同時直線前進，是把三對足分成兩組，以三角形支架結(jié)構(gòu)，互相交替前行。目前，大部分仿生蜘蛛機器人采用了仿昆蟲的結(jié)構(gòu)，六條腿分布在身體的兩側(cè)，身體左面的前、后足及右面的中足為一組，右面的前、后足和左面的中足為另一組，分別組成兩個三角形支架，靠大腿前后劃動來實現(xiàn)支撐以及擺動過程，這就是最典型的三角步態(tài)行走方式。但是因為身體重心比較低，容易穩(wěn)定，所以這種行走方案可以得到廣泛運用 3.1.2 機器人走動步態(tài)分析 項目設計總共用18個舵

26、機實現(xiàn)步態(tài)。每條腿三個舵機，分別控制跟關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)以及踝關(guān)節(jié)的運動，兩個舵機安裝呈正交，構(gòu)成垂直以及水平方向的自由度。因為腿具有水平和垂直平面的運動自由度，所以需要考慮利用三角步態(tài)來實現(xiàn)直線行走。分別給18個舵機編號（1-18），如下圖所示。 3.2 機器人機構(gòu)總體設計 六條腿的機器人六條腿走路運動過程中分為兩組,昆蟲的身體一側(cè)的前足和后腿在另一邊的腳作為一組,剩下的三條腿和一群。在運動的過程中,會有一組腿,一組腳,三個降落腿不僅使昆蟲的身體穩(wěn)定,擺動和驅(qū)動力,昆蟲身體能完成直線或旋轉(zhuǎn)運動。本設計使用三角步態(tài)六英尺六條腿的機器人分為兩組,1、3、5條腿作為一個群體,2,4,6為另一組腿。六

27、條腿的機器人通過控制兩腿交替提高擺動,實現(xiàn)步行運動。從身體的角度提升每條腿是開鏈結(jié)構(gòu),等效串聯(lián)的手臂,同時在三條腿或六條腿和身體成分較為封閉鏈自由度并聯(lián)機構(gòu)。步行機器人行走在正常情況下,胎停止支持腿與地面接觸有摩擦,可以簡化為點接觸,相當于3自由度球面副的機制,加上與關(guān)節(jié),膝蓋和腳踝(對于單自由度,每個關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)),每條腿有6對單自由度運動。假設任何時候步行機器人的腿支撐階段數(shù)n,然后用n模型空間多環(huán)并聯(lián)機構(gòu)分支機構(gòu),它的自由度可以計算下一個類型: （1） 式中：p----運動副數(shù)，p=4n； ----第i個運動副具有的自由度數(shù)，=1（i=1~3n）,

28、=3(i=3n+1~4n)， L----獨立封閉環(huán)數(shù)，L=n-1； ----第i個獨立封閉環(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 由此可得到，不管步行機器人的幾條腿處于支撐相，不論是三足支撐還是六足支撐，整個機構(gòu)都是具有六個自由度的空間多環(huán)的并聯(lián)機構(gòu)，只是有時為三分支并聯(lián)機構(gòu)，有時為六分支并聯(lián)機構(gòu)。六足步行機是這樣行走，從機構(gòu)學角度看就是三分支并聯(lián)機構(gòu)，六分支并聯(lián)機構(gòu)和串聯(lián)開鏈機構(gòu)兩者之間不斷變的復合型機構(gòu)。同時，上面的式子也說明，不管該步行機器

29、人的步態(tài)和地面狀況怎樣，軀干在一定范圍內(nèi)都可靈活的到達任意位置，而且呈現(xiàn)要求的姿態(tài)。 仿生蜘蛛機器人腿分布示意圖如圖3所示。 圖3 仿生蜘蛛機器人腿分布示意圖 Fig 3 Bionic six foot robot leg distribution diagram 仿生機器人蜘蛛六腿機身的盤上均勻分布,根據(jù)設計要求:一條腿有三個自由度的運動,因此每條腿組裝三個電機實現(xiàn)三個轉(zhuǎn)動自由度。電機裝配位置腿和關(guān)節(jié),膝蓋和腳踝。機身連接到主板的基礎部分,關(guān)節(jié),膝蓋和腳踝,每個都有相應的自由度,以確保正常的運動。脛骨關(guān)節(jié)連接

30、,以保證良好的能動性,六條腿的機器人腳后通常使用昆蟲腳設計的一部分,好的,優(yōu)越的實用性和良好的靈活性。腿交替來支持身體的質(zhì)量在行走的過程中,和推動身體向前移動在負重條件,因此必須適應整個剛度和承載力的質(zhì)量。項目設計的仿生機器人蜘蛛,三個自由度的腿在一個類似的機構(gòu),包括膝蓋和腳踝是由電機驅(qū)動和錐齒輪,為了使用簡單的機構(gòu)來獲得更大的工作空間和靈活性。電機通過控制相應的關(guān)節(jié)運動使機器人具有多個自由度,可以實現(xiàn)機器人走在任何時候自由的領域。在結(jié)構(gòu)上,以確保它可以更有效地模擬昆蟲走路的方式來完成相對復雜的運動。驅(qū)動系統(tǒng)在機器人仿生蜘蛛等效生物肌肉的作用,改變它,把腿關(guān)節(jié)機器人的姿態(tài)。驅(qū)動系統(tǒng)必須擁有足夠

31、的功率對關(guān)節(jié)進行加、減速并帶動負載，而且自身必須輕便、經(jīng)濟、精準、靈敏、可靠且便于維護六足機器人的腿生物結(jié)構(gòu)示意圖4所示[8]。 圖4 仿生蜘蛛機器人腿的生物結(jié)構(gòu)示意圖 Fig 4 Bionic six foot robot leg biological structure diagram 圖2 舵機安裝示意圖 Fig 2 Steering gear installed scheme （1）行走步態(tài)分析 由13，14，15

32、，1，2，3，7，8，9，號舵機所控制的E,C,,A腿所處的狀態(tài)一直保持一致；同樣，4、5、6、10、11、12、16、17、18號所控制的B、D、F腿的狀態(tài)也保持一致。當一個三角形內(nèi)的三條腿支撐時，另三條腿正在擺動。支撐的三條腿使身體前進，擺動的腿對身體沒有力以及位移作用，只使小腿向前運動，做好接下來支撐的準備。步態(tài)函數(shù)，的占空系數(shù)為0.5，支撐相還有擺動相經(jīng)過調(diào)整，滿足平坦地形時行走步態(tài)要求以及穩(wěn)定裕量要求[7]。 （2）轉(zhuǎn)彎步態(tài)分析 項目設計的機器人使用原位將與一只腳為中心轉(zhuǎn)動,右旋轉(zhuǎn)運動過程如下：首先E,C,A,號腿先抬起，然后C,A號腿向前擺動，E腿保持不動。此時B、D、

33、F腿支撐。然后A、C、E腿落地支撐，同時B、D、F腿抬起保持不動。最后A、C腿向后擺動。整個運動過程中B、D、E、F不做前后運動，只是上下運動。 3.3 電機的選擇 選擇電機時需要考慮機器人地質(zhì)量以及最大扭矩。必須要有機器人的腿的質(zhì)量以及尺寸，通過查閱然后預算可以得出：上腿（股節(jié)）有效長度是 34mm，中腿（脛節(jié)）的有效長度是 34mm,下腿（足）的有效長度是 90mm。上腿質(zhì)量為 190 克，中腿 為140克，下腿為 150 克。然后對腿部做受力分析，做出受力簡圖5如下 圖5 仿生蜘蛛機器人腿的受力簡圖 Fig 5 Bionic s

34、ix foot robot leg force diagram 仿生蜘蛛機器人以地面做 xoy 平面，仿生蜘蛛機器人地重心在 xoy 平面上的投影為坐標原點 O，z 軸和機身垂直。 仿生蜘蛛機器人每條腿都會有3個自由度，每條腿都是由上腿和中腿以及下腿通過舵機連接形成。在本次設計中，上腿的長度是34mm，中腿地長度是34mm，下腿地長度為90mm。機體和上腿由A號舵機連接，上腿和中腿是B號舵機連接，中腿和下腿用C舵機連接。腿著地的時候，上腿和中腿間的夾角為135，中腿與下腿間的夾角為135，抬腿的時候，B舵機逆時針轉(zhuǎn)動30。在仿生蜘蛛機器人行走的過程中，要避免腿與腿會碰到，所以腿擺動的時

35、候需要選擇合適的角度，在本設計中運動控制的時候選擇的擺動角度為30。 針對仿生蜘蛛機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)點系的廣義坐標，即有 （2） ，，，，，，，，，則仿生仿生蜘蛛機器人步行足的廣義平衡方程為： （3） （4） 其中 M2、M3 為膝關(guān)

36、節(jié)和踝關(guān)節(jié)所需扭矩，l2、l3、 m2、 m3 為脛節(jié)、足的長度和質(zhì)量。 假設仿生蜘蛛機器人要按“三角步態(tài)”來行走，支撐相的三足均勻承受負荷，可以得到足的反力為： （5） 仿生蜘蛛機器人在實際運動中，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q2=90

37、，q2-q3=30時，由公式得，關(guān)節(jié)需輸出扭矩最大值為： （8） （9） 計算得出，電機的最大輸出扭矩要大于1.58 Nm。 根據(jù)得到的數(shù)據(jù)；來選用的伺服馬達是TowPro的，型號是 SG303。主要技術(shù)參數(shù)如下： 轉(zhuǎn)速：0.23 秒／30 度。 力矩：1.8Nm。 尺寸：40.4mm19.8mm36mm。 重量：37.2g。 5V 電源供電。 舵機的結(jié)構(gòu)如圖6所示 圖6 舵機的內(nèi)

38、部結(jié)構(gòu)圖 Fig 6 Internal structure of the actuator 通過整體的設計確定了仿生蜘蛛機器人的基本結(jié)構(gòu)，通過電機的選擇而確定仿生蜘蛛機器人的質(zhì)量以及腿部的尺寸，為后面的零件設計做了充分準備。 3.4 舵機驅(qū)動原理 仿生蜘蛛機器人采用電動驅(qū)動的方式進行驅(qū)動，驅(qū)動器采用微型直流角位移伺服電動機（舵機） 3.4.1 舵機原理 舵機是一種擁有的簡單的結(jié)構(gòu)的、集成化的直流的的伺服系統(tǒng)，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由直流電的機和減速齒輪和電位計和的制電路組成。控制信的號線提的的供一定脈寬地脈沖時，輸出軸保持在相應的角度。如果舵機初始

39、角度狀態(tài)在0位置，那電機只能朝著一個方向運動。舵機所采用地驅(qū)動信號為脈沖比例調(diào)制信號（PWM），就是在的通常為20ms的周的期之內(nèi)，輸入（0.5-2.5ms）變化的脈沖寬度，所對應的轉(zhuǎn)角范圍由0變化到18的0，脈沖寬度和轉(zhuǎn)角為線性關(guān)系。所以在初始化時，應該把的所有電機的位置定在90位置。機器人和關(guān)節(jié)連接的的舵機的轉(zhuǎn)軸是水平轉(zhuǎn)動，控制腿部的前進和后退。 3.4.2 舵機控制方法 最標準舵機是有3條導線，分別為：地線，電源線，控制線。 輸出轉(zhuǎn)軸 電源線Vcc 地線GND 控制線 圖7 標準舵機

40、 Fig 7 Standard steering gear 電源和地線用開陽于提供內(nèi)部直流伺服電開陽動機和能量所需的控制電路,電壓之間通常是4到6 v,這里用5 v。操舵裝制置的電開陽源應該能夠提供足夠的電力。行輸入是一個開陽周期的寬度可調(diào)方波脈沖信號,方波脈沖信號的周期20(即女士。,頻率50赫茲)。方波脈沖制寬度變化時,改變轉(zhuǎn)向齒輪軸的開陽角度,角度改變脈沖寬度成正比。 你可以看到從舵機控制方法的角度,舵機的控制信號在本質(zhì)上是一個可調(diào)寬度的方波信號(PWM)。方波信號可以由FPGA控制,模擬電路,或生產(chǎn)。使用FPGA成本較高,實現(xiàn)電路與模擬電路相對復雜,不

41、適合多通道輸出。所以一般使用單片機作為控制舵機。這是主要機構(gòu)的設計,單片機電子零件暫時不去做更多的研究。 舵機輸出軸轉(zhuǎn)角 輸入信號脈沖寬度 （周期為20ms） 0.5ms 1ms 1.5ms 圖8 舵機輸入信號脈沖寬度和輸出轉(zhuǎn)角的關(guān)系 Fig 8 Actuator output angle and input signal pulse width 北京交通大學海濱學院畢業(yè)設計（論文） 4 零件的設計 4.1

42、 軀干的設計 Ada仿生仿生蜘蛛機器人的六條腿均布在圓盤形狀得機身上，為設計簡潔，所以把機身做成了圓片形狀，直徑：150mm。上下各有一個，中間又通過加工的內(nèi)螺紋地金屬圓柱做支撐，從上到下用螺釘把它固定。 在主板上鉆出六組通孔，每組兩個，以用來安裝仿生蜘蛛機器人的腿。通孔的直徑因大于 M3 的開槽圓柱頭螺釘?shù)拇髲?，以便螺釘能穿過通孔?？追植荚诎霃綖?5mm 的圓上，同組兩個孔相距為 25mm。 因為要減輕重量，在不會影響結(jié)構(gòu)的安全的情況下，對圓片做鉆孔，十二個孔都均布在半徑為 50mm 的圓上面，中心也同樣去一個半徑為 40mm 的圓形。這樣以來就可大幅降低零件的質(zhì)量。機身主板是整個機構(gòu)

43、最中心的地方，它承載了6只足的負荷，設計要達到滿足的載荷、強度要求以及適合的尺寸。此上追求了輕便化地設計還得要強調(diào)它本身及部件可靠性和便于維護的特點。機身主板如圖9。 圖9 機身主板 Fig 9 Motherboard 4.2 基節(jié)設計 基節(jié)是機器人的腿的安裝位置,應考慮舵機的安裝。這兩個表的部分是用來構(gòu)成一個基本部分。節(jié)片分為上層節(jié)片和基地。圖10為上基節(jié)片 圖10 基節(jié)片

44、 Fig 10 Coxal plate 做髖生長板的安裝位置腿向前伸,使腿部空間增加,可以避免兩條腿受傷,它的長度是65毫米,前面是25毫米寬度后端基礎32 mm.Consists兩個街區(qū),基地節(jié)片上中心鉆一個直徑4毫米的洞,留給轉(zhuǎn)向齒輪軸。在圓的中心為中心的圓半徑7.5毫米統(tǒng)一四內(nèi)螺紋孔直徑是3毫米。通過與固定在轉(zhuǎn)動軸上的圓片連接，當舵機轉(zhuǎn)動時，舵機的機身就會帶動與它緊固的部分轉(zhuǎn)動。這個位置可稱為仿生蜘蛛機器人的跟關(guān)節(jié)。 下基本節(jié)片舵機與聯(lián)合平臺,放置在前面的中心半圓的半徑10毫米晶片,晶片的中心舵機與聯(lián)合洞洞的相同位置的電影由一個圓柱銷的位置。圖11為下基節(jié)片

45、 圖11 下基節(jié)片 Fig 11 Base segment 下基節(jié)片和上基節(jié)片在其結(jié)構(gòu)上只有一個直徑是4mm 的通孔的區(qū)別，其基本尺與上基節(jié)片一樣，厚度都為 3mm。 4.3 關(guān)節(jié)蓋的設計 聯(lián)合覆蓋函數(shù)是用來連接關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)。剪輯與關(guān)節(jié)舵機在后面,前面的膝關(guān)節(jié)操舵裝置,由于對兩個舵機負載這部分,考慮到穩(wěn)定性,所以長度不能太長。（圖12即關(guān)節(jié)蓋） 圖12 關(guān)節(jié)蓋 Fig 12 Joint cover 前端處理長42毫米寬21毫米方孔,方孔用于修復膝關(guān)節(jié)操

46、舵裝置由聯(lián)合封面圖還需要兩個,后面操舵裝置的聯(lián)合,通過兩個螺絲。多在洞前略大于操舵裝置的大小與位置和大小,舵機方孔,之前和之后的每一個,兩個聯(lián)合覆蓋20毫米。操舵裝置本身的固定部分。所以成四個M4螺釘,通過兩個洞,和關(guān)節(jié)封面是固定的。 聯(lián)合覆蓋的基本尺寸85毫米長,60毫米,厚度3毫米寬。后面是40毫米寬。綜合兩個舵機安裝位置,膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)向齒輪軸和聯(lián)合轉(zhuǎn)向齒輪軸的距離是30 mm.The 30 mm的線段的長度,因為腿的長度30 mm的結(jié)束似乎太短?？紤]到短段可以避免兩條腿之間的碰撞,使每條腿可以鍛煉在一個安全的區(qū)域。便于操控與行走，確保了機構(gòu)的可行性。 4.4 脛節(jié)片的設計 脛骨連接部

47、分的膝蓋和腳踝的腿。Shin節(jié)片直接與兩個舵機轉(zhuǎn)動軸。從頂部的腿,上部的柄節(jié)片和連接到膝關(guān)節(jié)的操舵裝置,當膝關(guān)節(jié)操舵裝置,驅(qū)動脛骨運動。在脛骨底部連接到腳踝和腳,可以促進腳,腳。從下往上,當腳腳踝舵機旋轉(zhuǎn),地面接觸由于腳與地面接觸部分相當?shù)哪_是固定的,踝關(guān)節(jié)脛骨上轉(zhuǎn)向扭矩傳遞節(jié)片上升。傳遞上去的扭矩使仿生蜘蛛機器人的軀體運動。 在脛節(jié)兩個脛節(jié)片當中有一片需和兩個關(guān)節(jié)的舵機相連。所以有了傳動脛節(jié)片的設計。傳動的脛節(jié)片地結(jié)構(gòu)圖如圖13所示 圖13 傳動脛節(jié)片 Fig 13 Femur plate

48、 transmission 傳動脛節(jié)片的尺寸為長 75mm、寬 22mm、厚 3mm。在兩端的半圓的圓心位置加工直徑為 4mm 的通孔用于與舵機相連接。在中間中心線兩邊分布有兩個直徑 2.2 的通孔，加裝兩個連接桿用于兩塊脛節(jié)片的連接。連接桿的長度為 45mm。 圖14 脛節(jié)片 Fig 14 Tibia plate 和傳動脛節(jié)片相對應地另一塊脛節(jié)片采用加強膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的連結(jié)，結(jié)構(gòu)為圖14所示 兩塊脛節(jié)片平行裝配連接，通過中間的兩根連接桿用螺釘緊固。從而組成中腿。 4.5

49、足的設計 腳是機器人直接接觸地面的一部分，有裝在踝關(guān)節(jié)上的舵機來控制運動。為了可以減小與地面的摩擦，足前端做成了尖的圓頭狀。如圖15所示 圖15 足 Fig 15 Foot 足的后半部分做寬是想要能夠?qū)⒍鏅C裝進來。由計算所得足的長度為 90mm，這個長度是從足尖到裝在足上地舵機的轉(zhuǎn)軸長度，實際足的零件的設計長度是108mm，要保證90mm 后還需要有舵機的裝配空間。足寬為 30mm。 4.6 連接桿的設計 為能夠把一些零件,需要添加支持。體積小和桿連接器質(zhì)量成為

50、首選的設計。首先,六條腿的機器人身體機身主板,兩塊板之間的距離需要推進的大小關(guān)節(jié)舵機來確定。寬度尺寸的操舵裝置的結(jié)構(gòu)是舵機作為機身主板的基礎間距,結(jié)果表明連桿上的箱子應該是44毫米長。 通過兩頭的螺釘緊固。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。另一個是用于兩塊脛節(jié)片的連接，使得通過脛節(jié)把足和股節(jié)連接起來如：如圖17所示。

51、 圖17 脛節(jié)連桿 Fig 17 Femur rod 4.7 固定片的設計 如何使轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)矩效應的幾個關(guān)節(jié),腿需要相關(guān)和固定,以確保機器人走路腳穩(wěn)定和良好的靈活性。需要設計特殊的部分。鑒于前面設計部分設計一塊晶片固定。推動連接器與轉(zhuǎn)向齒輪軸直接連接,再由四個螺絲和節(jié)片或脛骨節(jié)片連接可以傳遞扭矩。 關(guān)節(jié)連接件通過中心孔和操舵裝置板固定圓柱銷連接,用于修復操舵裝置的位置,和機構(gòu),以確保穩(wěn)定的仿生蜘蛛機器人。另外連接片還通過四個螺釘與基節(jié)片或脛節(jié)片相連接。在跟關(guān)節(jié)與股節(jié)片相連的過程中以及在膝關(guān)節(jié)與脛關(guān)節(jié)的連接過程中，加上一條腿的

52、過程中連接到腳踝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)和足根的過程中需要連接定子和連接件,關(guān)鍵部分看似簡單,實際上在確保穩(wěn)定的機構(gòu)行走的狀態(tài),它的作用。 通過尺寸計算可以確定零件的尺寸，根據(jù)需要設計的零件的結(jié)構(gòu)，在零件設計時靈活運用如圖18和19 圖18 傳動連接片 圖19 關(guān)節(jié)連接片 Fig 18 Driving connecting piece Fig 19 Joint connecting piece 結(jié) 論 感謝荀致遠老師精心指導畢業(yè)設計,參考書籍和大量的機器人設計設計數(shù)據(jù),我成功完成了仿生蜘

53、蛛機器人的設計和研究。主要工作包括:根據(jù)需求,確定仿生機器人的總體方案、結(jié)構(gòu)設計、軟件設計和編程。 這個畢業(yè)設計給了我一個獨立的分析問題,解決問題,同時進一步理解和鞏固理論知識,鍛煉自己的實踐能力,為未來的工作是極大的幫助。還發(fā)現(xiàn)了設計中的一些不足,仍有一些有待改進,總結(jié)如下: 1）. 目前我的設計,控制機器人的速度、方向,實現(xiàn)良好的控制,但在轉(zhuǎn)向步態(tài)變化大,轉(zhuǎn)換的步態(tài)是不夠敏感。因此需要進一步研究控制系統(tǒng),完美的數(shù)學模型。 2）. 為了實現(xiàn)仿生機器人的功能,如障礙、避障或障礙,傳感器就足夠了。可以增加一些其他的傳感器、紅外傳感器等觸摸傳感器,實現(xiàn)多傳感器的融合,共同完成的功能仿生機器人

54、的性能,以便實現(xiàn)真正意義上的仿生機器人。 3）. 建立機器人的實體模型六邊連接連接牢固能力尚且不足 部分我通過這次畢業(yè)設計,材料,加工、裝配、單片機及接口技術(shù)有更深入的理解、建模、映射到進一步提高水平,最重要的是我的設計的畢業(yè)設計發(fā)展的想法,我受益匪淺! 畢業(yè)設計是大學在一個大的知識培訓,為我們即將到來的工作做準備。通過這次設計,我看到自己的缺點,但是從最初的不知道如何開始主動發(fā)現(xiàn)問題在這個過程中,我不斷磨練自己。從一開始的主題選擇,感覺一個六足機器人非常有趣。規(guī)范畢業(yè)設計之后,我看見我懷疑這個選擇是否合適,是否適合我,我可以適應。通過自己的努力慢慢克服,找到樂趣。設計的進步提高。四個

55、月的設計即將結(jié)束。在此期間他不斷反思補償不足,學會了如何做事如何提高自己。 結(jié)論要求精煉、準確地闡述作者的研究成果或新的見解及意義和作用，還可進一步提出需要討論的問題和建議。 參考文獻 [1] 陳懇 等.機器人技術(shù)與應用[M] .北京：清華大學出版社，2006 [2] 林良明.仿生機械學[M]。上海：上海交通大學出版社，1991，4：21-23 [3] 王坤興.機器人技術(shù)的發(fā)展趨勢[J],機器人技術(shù)與應用，2001,3：42-45 [4] 馬惠欽.昆蟲與仿生學淺談[J].昆蟲知識.2003，03：12-13 [5] 蘇軍，陳學東，田文罡.六足機器人全方位步態(tài)的研究[J]

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