【正文】 .................................. 24 腿部的設(shè)計 ................................................................................................... 25 足 ................................................................................................................... 25 小腿 ............................................................................................................... 26 大腿 ............................................................................................................... 27 第四章 總結(jié) ....................................................................................................................... 28 ................................................................................................................. 28 設(shè)計感受 .................................................................................................................. 28 課程設(shè)計見解 .......................................................................................................... 28 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................................ 29 謝 辭 .................................................................................................................................... 30 作者：寧輕，夏麗萍，趙晨光，陳森，周義恒 論文題目：六足是機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計 4 摘 要 人類社會的發(fā)展，各種各樣的機(jī)器人正漸漸的走進(jìn)我們的視野，有很多的地方都用到了機(jī)器人，在機(jī)器人的領(lǐng)域里越來越多的人開始愛好上了機(jī)器人。以昆蟲活動時選用的三角步態(tài)行動為基礎(chǔ)策劃六足機(jī)器人， 為實(shí)現(xiàn)其全方位機(jī)動性，需要解決一系列的技術(shù)問題， 首先，對機(jī)器人直線行走和轉(zhuǎn)彎進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃，分析其運(yùn)動特性，根據(jù)對其進(jìn)行的步行規(guī)劃確定其運(yùn)動軌跡，之后確定其運(yùn)動機(jī)構(gòu)，采用契貝謝夫四桿機(jī)構(gòu)作為其主要的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，為了保證其轉(zhuǎn)彎的靈敏性，在小腿上加上了舵機(jī)， 易于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，掉頭等動作。它使得傳統(tǒng)的生產(chǎn)發(fā)生變革，并對人類社會的生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，它正在成為工廠，企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)，乃至整個國家進(jìn)行經(jīng)濟(jì)和軍事較量的重要手段。 足是昆蟲的運(yùn)動器官。轉(zhuǎn)節(jié)常與腿節(jié)緊密相連而不活動。在最 末節(jié)的端部還長著兩個又硬又尖的爪，可以用它們來抓住物體。 這種行走方式使昆蟲可以隨時隨地停息下來，因?yàn)橹匦目偸锹湓谌侵Ъ苤畠?nèi)。之前我們學(xué)習(xí)了有關(guān)機(jī)械原理的基本概念，基本理論，以及相關(guān)的計算方法，老師帶領(lǐng)我們深入淺出的學(xué)習(xí)了機(jī)械方面的知識，使我們了解包括機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析，運(yùn)動分析，力分析以及動力學(xué)分析，對于常用的機(jī)構(gòu)，例如，連桿機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)，齒輪機(jī)構(gòu)的等也有了深入的認(rèn)知。 在自然界和人類社會中存在一些人類無法到達(dá)的地方和可能危及人類生命的特殊場合。以往的研究表明輪式移動方式在相對平坦的地形上行駛時，具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢運(yùn)動速度迅速、平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)和控制也較簡單，但在不平地面上行駛時，能耗將大大增加，而在松軟地面或嚴(yán)重崎嶇不平的地形上，車輪的作用也將嚴(yán)重喪失移動效率大大降低。 六足仿生機(jī)器人的運(yùn)動軌跡是一系列離散的足印運(yùn)動時只需要離散的點(diǎn)接觸地面對環(huán)境的破壞程度也較小可以在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)對崎嶇地形的適應(yīng)性強(qiáng)。六足仿生機(jī)器人的腿部具有多個自由度使運(yùn)動的靈活性大大增強(qiáng)。 一直以來移動型機(jī)器人的運(yùn)動方式大體上包括，輪式、履帶式、足式等。 1989 年，北京航空航。其中有代表性的研究為 1993 年 ,美國卡內(nèi)基 梅隆大學(xué)開發(fā)出有纜的八足步行機(jī)器人 DANTE，圖 1所示 ， 用于對南極的埃里伯斯火山進(jìn)行了考察，其結(jié)構(gòu)由 2 個獨(dú)立的框架構(gòu)成。 綜上所述，國外在這方面的研究成果較多，但是大多都結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價昂貴，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人民的經(jīng)濟(jì)承受能力。 作者：寧輕，夏麗萍，趙晨光，陳森，周義恒 論文題目：六足是機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計 6 本設(shè)計主要通過分析 六足昆蟲 的步態(tài)運(yùn)動，結(jié)合高等代數(shù)、機(jī)械原理等相關(guān)知識以及利用互聯(lián)網(wǎng)資源對六足仿生機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行合理的分析與設(shè)計 。步態(tài)不僅是指步態(tài)機(jī)器人各條腿抬腿、放腿的順序，還包括機(jī)器人占空系數(shù)分析、足端軌跡的選擇等。 本文 就這種步態(tài)方式進(jìn)行了 簡單的討論，得出了三角步態(tài)是最適合步行機(jī)器人直線的行走。 抬升和前進(jìn)是五角步態(tài)的兩個重要的部分，相鄰的腿之間信號要順序傳遞，一個靠地，另一個抬起，當(dāng)這種狀態(tài)能夠持續(xù)的開始時，那么六足機(jī)器人就可以行走了。腿的運(yùn)動周期相同，當(dāng)周期變換的時候，腿就不同運(yùn)動。 所以由此可以看出行程 L ，步距 X ，和有荷因數(shù) ? 三者之間的關(guān)系為 LX???。 三角步態(tài)（也或者稱之為交替三角步態(tài)或者“ 3＋ 3”步態(tài)），這是運(yùn)動是六條腿成為 兩組三角步態(tài)交替支撐前進(jìn)邁步，一般來說像 (螞蟻，蟑螂）步行的時候都不是六條腿同時 直線前進(jìn)的，而是把兩邊分為兩組以三角形支架的形式交替前行的，身體一邊13 屆國際機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)課程設(shè)計（論文） 9 的前后足和另一邊的中足組成一對三角架，穩(wěn)定身體的狀態(tài)，兩組腳在一邊抬起時，另一邊的三角腳架不動，使身體的重量都集中在不動的三角架上，當(dāng)前面的腿上的肌肉收縮時候，也就是舵機(jī)動作，把腳部的力矩傳遞個機(jī)身，使機(jī)身的重心移動，當(dāng)然了機(jī)身的重心的投影在三角架內(nèi)部。 仿生 六足 機(jī)器人Ａ組靠地面時候，Ｂ組開始動作，重心仍然不變，所有的狀態(tài)回到初始，這就是一個周期，運(yùn)動起來這就是一個循環(huán)往復(fù)的過程。 圖 22 機(jī)器人的坐標(biāo)定義 六足仿生機(jī)器人腿機(jī)械圖如下圖所示： X軸投影定義的腿長為 L，腿 的 高度為 H，大腿與小腿之間角度為 i? ，髖關(guān)節(jié)在 Z 軸旋轉(zhuǎn)角度為 i? ，髖關(guān)節(jié)在 Y軸旋轉(zhuǎn)角度為 i? 。 作者：寧輕，夏麗萍，趙晨光，陳森，周義恒 論文題目：六足是機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計 12 三角步態(tài)的穩(wěn)定性分析 穩(wěn)定性分析 步行機(jī)器人任一時刻的 ，如 26圖所示： 六足仿生機(jī)器人的兩足腿 Ai、 Bi 及質(zhì)心 O 在地面坐標(biāo)系 XOY平面內(nèi)投影為點(diǎn) Ai? 、Bi? 、 O? 落在三角架支撐腿 所 構(gòu)成陰影內(nèi)，當(dāng)然了這樣的話機(jī)器人的穩(wěn)定性就可以得到很好的保證，選擇合適的轉(zhuǎn)角和跨步可以保證重心的位置在我們需要的區(qū)域范圍之內(nèi)。如圖所示規(guī)劃他在一個步態(tài)周期的步行。 （ 2） B1， B2， B3 腿落地支撐機(jī)身重量，同時 A1， A2， A3，腿不動。于是有 ： 0 1 2 2 3 2 30 3 2 3 2 2c o s ( ) c o s ( )s in ( ) s in ( )L l l lH l l? ? ?? ? ?? ? ? ??? ? ? ? ?? （ 27） 其中 l l l3分別 基節(jié)、股節(jié)、脛節(jié)的的長度， L0、 H0分別是初始姿態(tài)時機(jī)器人腿的伸展量和機(jī)體的重心高度。重合面積越大，機(jī)器人的重心的活動范圍越大 。39。在前期時參考了不少有關(guān)腿部機(jī)構(gòu)的資料，這個機(jī)構(gòu)的選擇很重要，主要原因如下： （ 1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)決定了整個系統(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。 圖 31所示 為 實(shí)現(xiàn)步行基本動作的契貝謝夫直線機(jī)構(gòu)，主動桿 OB 轉(zhuǎn)動時，從動桿端點(diǎn) D 端畫出包括一段直線的閉合軌跡。 圖 32為使足部桿 DE與機(jī)體始終保持垂直狀態(tài)的二重平行四邊形機(jī)構(gòu)，這是一種比較理想的選擇。如圖所示π /2— 3π /2 的直線段為足著地時的軌跡，3π /2— 0— π /2為足跨步時的軌跡。用 BB? 的中垂線上的 E? 點(diǎn)作足尖，其軌跡必于 D、 D? 的軌跡相同，適于作六足機(jī)器人的步行機(jī)構(gòu)。 如圖 35所示 圖 35 步行腿側(cè)視圖 為了解決該問題我們采用如圖 36 所示的方案，機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)前行時，必須得解決抬腿與擺腿兩個動作因此我們采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其抬腿動作，在小腿上面安裝一個舵機(jī)使其實(shí)現(xiàn)向前擺動的。舵機(jī)機(jī)輸出軸配合孔采用線切割加工，可以保證緊密配合。左側(cè)電機(jī)停止驅(qū)動，使左側(cè)步行腿停止擺腿運(yùn)動，而右側(cè)的電機(jī)繼續(xù)驅(qū)動右側(cè)步行腿擺動，并以左側(cè)停止擺動的步行腿為支點(diǎn)實(shí)現(xiàn)向左轉(zhuǎn)彎功能。直流電機(jī)，減速齒輪，電位計以及 控制電路是舵機(jī)的重要組成部分，驅(qū)動信號利用的是脈沖，轉(zhuǎn)角和其寬度之間是線性關(guān)系，為了使電機(jī)能向各個方向運(yùn)動就要保持舵機(jī)的初始位置時候?yàn)?90 度，這樣就可以控制腿部的前進(jìn)和后退 。（當(dāng)然隨著 FPGA 成本高，模擬電路，實(shí)現(xiàn)電路復(fù)雜，不適合輸出）舵機(jī)的控制器常常都用單片機(jī)。 本文采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其直線行走和轉(zhuǎn)彎功能的。當(dāng)然了在腳的中間要挖了一塊來放傳感器，能更好的傳遞外界的壓力，反應(yīng)環(huán)境的特點(diǎn)。大腿的設(shè)計圖主要如下圖 316：通過兩段弧連接兩個圓使其成為大腿。在本次機(jī)械原理的課程設(shè)計訓(xùn)練中鞏固學(xué)習(xí)了 機(jī)械原理設(shè)計基礎(chǔ)、 CAD 二維 制圖軟件 和 CATIA 三維軟件 ，也學(xué)會了怎樣從前人設(shè)計中取得經(jīng)驗(yàn)以及處理數(shù)據(jù)的能力。在設(shè)計過程中我們遇到了很多困難和挫折但經(jīng)過努力以及我們不畏困難，不拋棄，不抱怨等都是我們學(xué)到的精神品質(zhì)。在設(shè)計過程中培養(yǎng)了我們的自學(xué)能力，這是我們步入社會所必備的素質(zhì)。所以我希望我們能有相對更充足的時間，先在老師的指導(dǎo)下自 學(xué)相關(guān)理論文獻(xiàn)，鍛煉我們在短時間內(nèi)的學(xué)習(xí)能力。本次機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計是在王老師的悉心指導(dǎo)下完成的。 在此，謹(jǐn)向王老師致以深深的敬意和由衷的感謝！