仿生機(jī)器蟹的設(shè)計(jì)方案

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1、仿生機(jī)械螃蟹的設(shè)計(jì) 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì) 專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化 班級(jí)：07機(jī)制（2）班 姓名：鄒彥飛 學(xué)號(hào)：200701020002 仿生機(jī)器蟹的設(shè)計(jì)方案 一、 仿生機(jī)器蟹的原理方案構(gòu)思和擬定 螃蟹以其獨(dú)特的橫向行走方式而標(biāo)新立異于動(dòng)物界，從而備受注 目。我正是捕捉到這一點(diǎn)，與仿生機(jī)械的創(chuàng)新設(shè)計(jì)聯(lián)系起來，擬定做 一個(gè)具有仿生功能的機(jī)器蟹。 此機(jī)器蟹首先必須仿螃蟹的橫 向行走，即也必須使其大腿能夠抬起， 而小腿能夠向大腿所指方向邁出，當(dāng)其腳落地時(shí)能夠抓住地面，通過 運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)整個(gè)身體向一側(cè)行進(jìn)。 聯(lián)想到曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，利用其在曲柄旋轉(zhuǎn)時(shí)搖桿在兩個(gè)極限位置 擺動(dòng)這一特性，恰好仿似螃蟹

2、小腿的擺動(dòng)。蟹有八條腿，我采用了八 個(gè)經(jīng)過改動(dòng)后的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)來模擬。行走時(shí)四條腿著地作為支撐， 并抓地向后運(yùn)動(dòng)而另外四條腿抬起，向前運(yùn)動(dòng)，當(dāng)抬起運(yùn)動(dòng)的四條腿 伸到前面最遠(yuǎn)時(shí)著地，此時(shí)抓地的四條腿運(yùn)動(dòng)到向后的極限處并抬 起。以此循環(huán)往復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)了蟹的橫向行走。 蟹遇到障礙是可以轉(zhuǎn)向的，但并不象其他動(dòng)物一樣能立即轉(zhuǎn)開， 而是不斷的轉(zhuǎn)動(dòng)很小的角度，做一個(gè)類似弧線的運(yùn)動(dòng)。采用兩個(gè)電機(jī) 不同向旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)兩個(gè)曲柄搖桿系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)身體在縱向緩慢挪 動(dòng)。 蟹的兩個(gè)前螯能夠一張一合來夾起食物，我通過一個(gè)電機(jī)拉動(dòng)仿 生機(jī)器蟹的兩個(gè)前螯以實(shí)現(xiàn)其收攏與張開。 二、仿生機(jī)器蟹的原理方案初定 1. 仿生機(jī)

3、器蟹的橫向行走機(jī)構(gòu)： 用更改后的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)來模擬蟹腿，用兩個(gè)電機(jī)分別控制八條 腿，每個(gè)電機(jī)控制前或后的四條腿。一條腿的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖為： 搖桿3 仿蟹腿的機(jī)械原理 其中大腿的根側(cè)與電機(jī)都連在螃蟹的身體上，這樣當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)曲 柄（曲軸）轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，大腿能實(shí)現(xiàn)向上擺動(dòng)，即帶動(dòng)小腿離地。而在大 腿擺到下面時(shí)，小腿的腳可以抓住地面。因電機(jī)始終在旋轉(zhuǎn)，則搖桿 與電機(jī)的相對(duì)擺動(dòng)便使電機(jī)向指定的方向運(yùn)動(dòng)。 2、仿生機(jī)器蟹的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)： 我采用兩個(gè)電機(jī)不同時(shí)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)兩個(gè)曲軸系統(tǒng)的不同角度旋轉(zhuǎn)， （1） ：前面蟹腳移動(dòng)一個(gè)步距Q，后面的蟹腳移動(dòng)步距P，兩個(gè)電機(jī) 都是正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，Q和P是不相同的，可實(shí)現(xiàn)邊行

4、進(jìn)邊轉(zhuǎn)向。 （2） ：同理，但此時(shí)兩電機(jī)是不同向旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。 利用此原理實(shí)現(xiàn)蟹的轉(zhuǎn)向。 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)圖 3、蟹的前螯與鉗子設(shè)計(jì) 由于螃蟹的鉗子只是半只能動(dòng)的，故我設(shè)計(jì)了如圖的機(jī)構(gòu)來模仿鉗子，用一 只很小的電磁鐵機(jī)構(gòu)來控制鉗子的張閉。 用一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，從而拉動(dòng)蟹的兩個(gè)前螯，實(shí)現(xiàn)其張合，實(shí)現(xiàn) 仿螃蟹的夾事功能，如圖所示： 電磁鐵 4. 蟹的八條腿的橫向行走時(shí)序： 蟹剛放到地上開始運(yùn)動(dòng)以前，電機(jī)不轉(zhuǎn)。蟹右側(cè)的四條腿中第一 條（右一）與第四條（右四）的小腿處于與身體最遠(yuǎn)的極限位置，而 第二條（右二）與第三條（右三）則處于與身體最近的極限位置；左 一與左

5、四也處在與身體最遠(yuǎn)的極限位置，左二與左三處在與身體最近 的極限位置。但電機(jī)所帶動(dòng)控制兩側(cè)大腿的搖桿位置恰好相反。此時(shí) 帶動(dòng)右一與右四、左二與左三的電機(jī)所帶動(dòng)的搖桿剛好位于小圓半徑 的開始處頂著大腿，而帶動(dòng)右二與右三、左一與左四的電機(jī)所帶動(dòng)的 搖桿剛好位于大圓的半徑的開始處頂?shù)酱笸?。?dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)與此相 連的搖桿和曲柄一起做等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，右二與右三的腳開始離地，右一 與右四的腳開始抓住地面拖動(dòng)電機(jī)向右側(cè)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)左一與左四的腳 與地面分離，左二與左三的腳開始推動(dòng)電機(jī)向右側(cè)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)右一與右 四、左二與左三同時(shí)到達(dá)另一極限位置時(shí)，右二與右三、左一與左四 也同時(shí)到達(dá)另一極限位置，此時(shí)帶動(dòng)大腿的搖桿處于的

6、交替位置，即 右一與右四、左二與左三的搖桿將使其離地，右二與右三、左一與左 四落地開始，并且右邊拉，左邊推使身體向右側(cè)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)左右側(cè)的腿 又到達(dá)極限位置時(shí)，便開始重復(fù)第一過程，且此時(shí)搖桿與曲柄均剛好 旋轉(zhuǎn)一周。一個(gè)周期的狀態(tài)圖如下所示： 1 1 2 2 機(jī)器蟹八足的位置 3 4 3 4 一個(gè)周期的第一狀態(tài) 右側(cè) 左側(cè) 一個(gè)行走周期的第二狀態(tài) 三、尺寸與傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算與說明 1. 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)尺寸計(jì)算 建立各個(gè)桿件的三角函數(shù)關(guān)系，利用matlab計(jì)算各桿件的長(zhǎng)度 初定 AB=AC=18MM（ —下單位都為MM） AD=35 DE=42

7、 EF=61 FG=51 GH=64 BE=57 CG=93 利用catia v5與simdesigner運(yùn)動(dòng)仿真模擬一條腿的運(yùn)動(dòng)得出下列圖 線 創(chuàng) Ml] sMMMM HHOH IBEBlial -1 I rwa I MolhI 曲線的下半段為觸地點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)曲線0.0到35.0之間接近直線符合方 案。 2. 傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用電動(dòng)機(jī)下肢的結(jié)構(gòu)，這樣可使機(jī)械螃蟹的重心降低， 行走平穩(wěn)，而且能合理利用空間。電機(jī)1軸上裝一個(gè)齒輪與齒輪2的 齒數(shù)相同，此處的此輪只做轉(zhuǎn)動(dòng)變向使用。齒輪2與曲軸同軸，由電 動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪1，傳動(dòng)到齒輪2進(jìn)而帶動(dòng)曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)

8、圖如下： 電機(jī)與齒輪1同軸, 齒輪2 吿輪I 齒輪2與曲軸同軸 齒輪1 齒輪2 四、機(jī)械螃蟹的控制 用一個(gè)測(cè)距傳感器測(cè)量此機(jī)械與障礙物之間的距離，當(dāng)距離達(dá)到 某一設(shè)定值時(shí)發(fā)出轉(zhuǎn)向信號(hào)給單片機(jī)。單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的兩 個(gè)電機(jī)，但單片機(jī)向電機(jī)發(fā)出正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，尚取決于此電 機(jī)帶動(dòng)的兩條腿是否著地。我們?cè)诖笸壬显O(shè)計(jì)了 一個(gè)類似于開關(guān)的裝 置，當(dāng)大腿抬起時(shí)開關(guān)接通，給單片機(jī)發(fā)出一個(gè)使電機(jī)反轉(zhuǎn)的信號(hào)， 而當(dāng)腿著地時(shí)，開關(guān)斷開，給單片機(jī)發(fā)出一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)的信號(hào)。 當(dāng)避開障礙物時(shí)，測(cè)距信號(hào)消失，不管大腿上的開關(guān)是否發(fā)出信號(hào)， 單片機(jī)不向電機(jī)發(fā)出任何轉(zhuǎn)向信號(hào)。 靜觸頭

9、 動(dòng)觸頭 上圖為控制腿上發(fā)出信號(hào)的機(jī)構(gòu)。靜觸頭接單片機(jī)的某一中斷口，動(dòng) 觸頭接地線。這樣，當(dāng)大腿抬起時(shí)兩觸頭接觸，則中斷口接地，發(fā)生 中斷。 五、材料及一些芯片和傳感器的選擇 1、 材料的選擇： 我選用ABS工程塑料作為整個(gè)機(jī)械主要的材料。ABS工程塑料 重量輕、硬度高，而且易于加工，完全符合我做蟹型機(jī)械的技術(shù)要求。 2、 單片機(jī)的選擇： 我選用的是AT89S52。由于此單片機(jī)應(yīng)用廣泛性，故其主要特點(diǎn) 在此不再詳述。 3、 傳感器的選擇： 1） 電測(cè)距傳感器： 我采用兩個(gè)超聲波傳感器（工作范圍是3cm~3m）分別裝在仿生機(jī)器 蟹的兩側(cè)。仿生機(jī)器蟹在行走時(shí)傳感器一直是

10、在工作的，我給了它一 個(gè)設(shè)定值（此值大于仿生機(jī)器蟹的轉(zhuǎn)彎半徑）當(dāng)障礙物進(jìn)入此值范圍 內(nèi)，傳感器給單片機(jī)發(fā)出轉(zhuǎn)向的信號(hào)。 2） 觸摸傳感器： 我采用熱釋電傳感器作為接受人體感應(yīng)的信號(hào)的傳感器。此傳感器利 用人體感應(yīng)作為觸發(fā)源。當(dāng)人接觸到傳感器時(shí)，傳感器發(fā)出信號(hào)給單 片機(jī)，單片機(jī)立即使控制橫向行走的電機(jī)急速轉(zhuǎn)動(dòng)，使仿生機(jī)器蟹立 即逃跑，以此來模仿螃蟹的警覺性。 4、 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選用： 我選用的是馬達(dá)專用控制芯片LG9110。LG9110 是為控制和驅(qū) 動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，將分立電路 集成在單片IC之中，使外圍器件成本降低，整機(jī)可靠性提高。該芯 片有兩個(gè)TT

11、L/CMOS 兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性；兩個(gè) 輸出端能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反向運(yùn)動(dòng)，它具有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力， 每通道能通過750?800mA 的持續(xù)電流，峰值電流能力可達(dá)1.5? 2.0A ;同時(shí)它具有較低的輸出飽和壓降；內(nèi)置的鉗位二極管能釋放 感性負(fù)載的反向沖擊電流，使它在驅(qū)動(dòng)繼電器、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī) 或開關(guān)功率管的使用上安全可靠。LG9110被廣泛應(yīng)用于玩具汽車電 機(jī)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和開關(guān)功率管等電路上。 圖6驅(qū)動(dòng)芯片電路 六、設(shè)計(jì)小結(jié) 我設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器蟹模仿了螃蟹行走時(shí)的步態(tài)，通過兩個(gè)電機(jī)帶 動(dòng)八個(gè)曲軸加搖桿的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)機(jī)構(gòu)的橫向行走；通過兩個(gè)電機(jī) 的不同速度

12、（方向）旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械螃蟹的旋轉(zhuǎn)。我還通過一個(gè)電機(jī) 拉動(dòng)蟹的兩個(gè)前螯以實(shí)現(xiàn)其收攏與張開。我可以用紅外遙控使之開始 爬或終止爬行、向左爬或向右爬。當(dāng)有人觸摸仿蟹機(jī)器人時(shí)通過熱釋 電傳感器和控制電路仿生機(jī)器蟹會(huì)立即加速爬行。 橫向行走時(shí)左右的超聲波測(cè)距儀同時(shí)工作當(dāng)障礙物進(jìn)入設(shè)定范 圍內(nèi)，控制部分開始控制轉(zhuǎn)向電機(jī)工作使機(jī)械轉(zhuǎn)向行走直至避開障 礙。若進(jìn)入死角或突然有障礙物進(jìn)入設(shè)定范圍內(nèi)，且距離小于機(jī)器的 轉(zhuǎn)彎半徑（實(shí)體實(shí)驗(yàn)時(shí)可測(cè)之其轉(zhuǎn)彎半徑，由于很多參數(shù)未定，故現(xiàn) 在無法得知）仿蟹機(jī)器人會(huì)停止10s鐘，然后反向行走直至達(dá)到最小 轉(zhuǎn)彎半徑時(shí)再進(jìn)行轉(zhuǎn)彎的動(dòng)作。 七、設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià) 本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)械機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，在平地上 能快速的作出需要的運(yùn)動(dòng)，靈敏度高。本設(shè)計(jì)可作為一個(gè)平臺(tái)，在此 平臺(tái)上可搭載攝像頭，機(jī)械手等，可用于娛樂，救生，排爆等作用， 可最大的實(shí)現(xiàn)此設(shè)計(jì)的價(jià)值。缺點(diǎn)在于本設(shè)計(jì)的蟹腿設(shè)計(jì)采用固定的 機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)方式固定，故在比較坎坷的道路，山路上不能良 好的實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。 八、參考文獻(xiàn) 出版社 高等教育出版社 機(jī)械工業(yè)出版社 出版時(shí)間 2006.5 2007.8 書籍 機(jī)械原理第七版 微機(jī)原理與接口技術(shù) 主編 孫桓陳作模葛文杰 楊曉東