第三章 總體方案設計3 總體方案設計3.1 結構外形設計本課題作為一個創(chuàng)新設計課題，將仿生學中的翻滾運動引入到四足機器人運動方式中，達到用一套機構實現(xiàn)兩種運動方式的目的。提出一種能夠實現(xiàn)翻滾與站立自主變形的可變形四足機器人。機器人的結構外形有著至關重要的作用，它關系著機器人能否實現(xiàn)預定的功能，能否滿足能量消耗的指標，以及能否滿足機器人穩(wěn)定運行條件。因而，可變形四足機器人的外形結構在設計時應當給予充分考慮。用一種機構實現(xiàn)翻滾與步行的良好結合，不增加任何轉換設備?？梢栽跈C器人結構的外形上作出突破。擬將圓形滾動體引入到四足機器人結構當中，當機器人步行時以哺乳類動物的足式運動，當機器人以滾動方式前進時，則以圓形滾動體的形式運動。這種運動形式的改變是基于連接機器人構件的關節(jié)如旋轉關節(jié)、移動關節(jié)的運動而引起機器人構形的相對變化，這種變化主要是自身的關節(jié)運動變形。它也屬于可重構機器人之一。中科院沈陽自動化研究所機器人學重點實驗室將可重構機器人自身構形的變化歸納為兩種類型：（1）由組成機器人各個部件的連接方式重新組合而實現(xiàn)機器人數(shù)量和構形的相對變化, 這種變化可以是手動和自動的結構重構變形。（2）由連接機器人構件的關節(jié)如旋轉關節(jié)、移動關節(jié)的運動而引起機器人構形的相對變化，這種變化主要是自身的關節(jié)運動變形。機器人的關節(jié)運動變形與機器人的結構重構變形相比, 前者在可靠性、能量消耗、時間消耗、機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的復雜性等方面有優(yōu)勢, 更便于投入到實際應用當中；但后者具有更強的靈活性和應變能力。本文擬采用的機器人結構形式的概念圖如2.1所示。其中(a)所示為可變形仿生翻滾四足機器人站立姿態(tài)；(b)所示為機器人以變形后的圓形滾動體在平坦路面的運動姿態(tài)。該四足機器人四條腿對稱布置，大腿和小腿的長度相等，且約為機器人機體長度的一半。該機器人共12個自由度，各個關節(jié)處均裝有驅動電機。機器人各個部件的外輪廓均設計為規(guī)則圓弧形，當機器人變形為圖2.1(b)所示時，外輪廓為一個完整的平面圓形。這樣機器人就能夠以圓形滾動體的形式在平整路面滾動前進。(a) (b)圖3.1 可變形仿生翻滾四足機器人概念圖3．2 仿生翻滾運動方案設計本課題要求機器人有兩種運行模式，即四足機器人步行模式、滾動模式。對于兩種運動模式之間轉換的研究是很有必要的。自主轉換運動方案不合理，則會影響機器人運動的平穩(wěn)性，更甚于無法滿足運動的要求。約定機器人從左往右運動，本課題所設計的機器人自主轉化的運動方案如圖2.2所示。圖 3.2 仿生翻滾運動規(guī)劃3．3 結構基本參數(shù)擬定機器人基本結構參數(shù)如圖2.3所示。機器人結構尺寸較小，若做成實體則質量較大，需要教大的扭矩，從而需要增加減速裝置，則機器人系統(tǒng)的結構變的復雜。為了減輕機器人的重量，機器人的主要部件均設計為鈑金件。圖3.3 總體結構基本尺寸3．4 驅動方案選擇在機器人控制中，控制電機有：步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機、液壓伺服馬達等四種常見的驅動控制方式。近年來有發(fā)展起了以伺服舵機進行機器人控制的方法。它們各自的優(yōu)缺點如下：（1）步進電機 可直接實現(xiàn)數(shù)字控制，控制結構簡單，控制性能好，成本低廉，通常無需反饋就能對位置和速度進行控制。但由于采用開環(huán)控制，沒有誤差校正能力，運動精度較差，負載和沖擊震動過大會造成失步現(xiàn)象。（2）直流伺服電機 具有良好的調速特性，較大的啟動力矩，相對功率大，響應快速，控制技術成熟。安裝維修方便，成本低。（3）交流伺服電機 結構簡單，運行可靠，比步進電機貴。（4）液壓伺服馬達 運動平穩(wěn)，定位精度較高，負載能力大。但其費用較高，且液壓系統(tǒng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，系統(tǒng)結構復雜。（5）舵機 效率高，穩(wěn)定性好，靈敏度高，轉速慢，其成本較低。由于舵機是將伺服驅動器內置，這樣就大大減小了控制系統(tǒng)的成本和設計的難度?，F(xiàn)代的數(shù)字式舵機將微處理器集成到舵機上，出來速度更快，更準?？勺冃畏律瓭L四足機器人的尺寸較小，所需功率比較小，所需轉速也小，為了減少機械部件，也為了節(jié)約成本，故而在本課題全部采用舵機控制。這樣，舵機直接驅動各個關節(jié)運動，而無需減少裝置，降低了機械結構的復雜程度，在控制上，減少了電機的驅動部門，節(jié)約了成本。舵機也就是一種微型的直流伺服馬達，內部包含了一個小型的直流馬達，一組變速齒輪組，一個反饋可調電位器，以及一塊電子控制板。其中高速轉動的直流馬達提供原始動力，帶動變速齒輪組，使之產(chǎn)生高扭力的輸出，齒輪組的變速比越大，舵機的輸出扭力也越大，亦即能承受更大重量，但轉動的速度也越低。圖3.4所示為舵機的結構示意圖。圖3.4 舵機結構舵機是一個典型的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其原理如圖3.5所示。圖3.5 舵機工作原理圖減速齒輪組由馬達驅動，其終端（輸出端）帶動一個線性的比例電位器作位置檢測，該電位器把轉角坐標轉換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅動馬達正向或反向地轉動，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖趨于零，從而達到使伺服馬達精確定位的目的。