【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 計(jì)的行走步態(tài)決定用三角步態(tài)，這也是六足機(jī)器人步行方式通常采用的。三角步態(tài)中，六足機(jī)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(shè)計(jì)方案 工作原理分析六足步行機(jī)器人的步態(tài)是多樣的，其中三角步態(tài)是仿生蜘蛛機(jī)器人實(shí)現(xiàn)步行的典型步態(tài)。以下主要分析三角步態(tài)原理。 三角步態(tài)原理分析六條腿的昆蟲(chóng)行走時(shí)，一般不是六足同時(shí)直線前進(jìn)，是把三對(duì)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(jī)器人采用了仿昆蟲(chóng)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(gè)三角形支架，靠大腿前后劃動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)支撐以及擺動(dòng)過(guò)程，這就是最典型的三角步態(tài)行走方式。但是因?yàn)樯眢w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(yùn)用 機(jī)器人走動(dòng)步態(tài)分析項(xiàng)目設(shè)計(jì)總共用18個(gè)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)步態(tài)。每條腿三個(gè)舵機(jī)，分別控制跟關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)以及踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)舵機(jī)安裝呈正交，構(gòu)成垂直以及水平方向的自由度。因?yàn)橥染哂兴胶痛怪逼矫娴倪\(yùn)動(dòng)自由度，所以需要考慮利用三角步態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)直線行走。分別給18個(gè)舵機(jī)編號(hào)（118），如下圖所示。 機(jī)器人機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)六條腿的機(jī)器人六條腿走路運(yùn)動(dòng)過(guò)程中分為兩組,昆蟲(chóng)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(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,會(huì)有一組腿,一組腳,三個(gè)降落腿不僅使昆蟲(chóng)的身體穩(wěn)定,擺動(dòng)和驅(qū)動(dòng)力,昆蟲(chóng)身體能完成直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)使用三角步態(tài)六英尺六條腿的機(jī)器人分為兩組,5條腿作為一個(gè)群體,2,4,6為另一組腿。六條腿的機(jī)器人通過(guò)控制兩腿交替提高擺動(dòng),實(shí)現(xiàn)步行運(yùn)動(dòng)。從身體的角度提升每條腿是開(kāi)鏈結(jié)構(gòu),等效串聯(lián)的手臂,同時(shí)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(jī)構(gòu)。步行機(jī)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(jiǎn)化為點(diǎn)接觸,相當(dāng)于3自由度球面副的機(jī)制,加上與關(guān)節(jié),膝蓋和腳踝(對(duì)于單自由度,每個(gè)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)),每條腿有6對(duì)單自由度運(yùn)動(dòng)。假設(shè)任何時(shí)候步行機(jī)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(jī)構(gòu)分支機(jī)構(gòu),它的自由度可以計(jì)算下一個(gè)類(lèi)型: （1）式中：p運(yùn)動(dòng)副數(shù)，p=4n；第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副具有的自由度數(shù)，=1（i=1~3n）,=3(i=3n+1~4n)，L獨(dú)立封閉環(huán)數(shù)，L=n1；第i個(gè)獨(dú)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(fù)約束數(shù)。將以上參數(shù)代入式（1），可得：F=3n+3n(n1)6=6由此可得到，不管步行機(jī)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(gè)機(jī)構(gòu)都是具有六個(gè)自由度的空間多環(huán)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，只是有時(shí)為三分支并聯(lián)機(jī)構(gòu)，有時(shí)為六分支并聯(lián)機(jī)構(gòu)。六足步行機(jī)是這樣行走，從機(jī)構(gòu)學(xué)角度看就是三分支并聯(lián)機(jī)構(gòu)，六分支并聯(lián)機(jī)構(gòu)和串聯(lián)開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)兩者之間不斷變的復(fù)合型機(jī)構(gòu)。同時(shí)，上面的式子也說(shuō)明，不管該步行機(jī)器人的步態(tài)和地面狀況怎樣，軀干在一定范圍內(nèi)都可靈活的到達(dá)任意位置，而且呈現(xiàn)要求的姿態(tài)。仿生蜘蛛機(jī)器人腿分布示意圖如圖3所示。 圖3 仿生蜘蛛機(jī)器人腿分布示意圖 Fig 3 Bionic six foot robot leg distribution diagram仿生機(jī)器人蜘蛛六腿機(jī)身的盤(pán)上均勻分布,根據(jù)設(shè)計(jì)要求:一條腿有三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng),因此每條腿組裝三個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。電機(jī)裝配位置腿和關(guān)節(jié),膝蓋和腳踝。機(jī)身連接到主板的基礎(chǔ)部分,關(guān)節(jié),膝蓋和腳踝,每個(gè)都有相應(yīng)的自由度,以確保正常的運(yùn)動(dòng)。脛骨關(guān)節(jié)連接,以保證良好的能動(dòng)性,六條腿的機(jī)器人腳后通常使用昆蟲(chóng)腳設(shè)計(jì)的一部分,好的,優(yōu)越的實(shí)用性和良好的靈活性。腿交替來(lái)支持身體的質(zhì)量在行走的過(guò)程中,和推動(dòng)身體向前移動(dòng)在負(fù)重條件,因此必須適應(yīng)整個(gè)剛度和承載力的質(zhì)量。項(xiàng)目設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器人蜘蛛,三個(gè)自由度的腿在一個(gè)類(lèi)似的機(jī)構(gòu),包括膝蓋和腳踝是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)和錐齒輪,為了使用簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)來(lái)獲得更大的工作空間和靈活性。電機(jī)通過(guò)控制相應(yīng)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)使機(jī)器人具有多個(gè)自由度,可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人走在任何時(shí)候自由的領(lǐng)域。在結(jié)構(gòu)上,以確保它可以更有效地模擬昆蟲(chóng)走路的方式來(lái)完成相對(duì)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)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(jī)器人的姿態(tài)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須擁有足夠的功率對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行加、減速并帶動(dòng)負(fù)載，而且自身必須輕便、經(jīng)濟(jì)、精準(zhǔn)、靈敏、可靠且便于維護(hù)六足機(jī)器人的腿生物結(jié)構(gòu)示意圖4所示[8]。 圖4 仿生蜘蛛機(jī)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(jī)安裝示意圖 Fig 2 Steering gear installed scheme（1）行走步態(tài)分析由13，14，15，1，2，3，7，8，9，號(hào)舵機(jī)所控制的E,C,A腿所處的狀態(tài)一直保持一致；同樣，111118號(hào)所控制的B、D、F腿的狀態(tài)也保持一致。當(dāng)一個(gè)三角形內(nèi)的三條腿支撐時(shí)，另三條腿正在擺動(dòng)。支撐的三條腿使身體前進(jìn)，擺動(dòng)的腿對(duì)身體沒(méi)有力以及位移作用，只使小腿向前運(yùn)動(dòng)，做好接下來(lái)支撐的準(zhǔn)備。步態(tài)函數(shù)，支撐相還有擺動(dòng)相經(jīng)過(guò)調(diào)整，滿(mǎn)足平坦地形時(shí)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(xiàng)目設(shè)計(jì)的機(jī)器人使用原位將與一只腳為中心轉(zhuǎn)動(dòng),右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程如下：首先E,C,A,號(hào)腿先抬起，然后C,A號(hào)腿向前擺動(dòng)，E腿保持不動(dòng)。此時(shí)B、D、F腿支撐。然后A、C、E腿落地支撐，同時(shí)B、D、F腿抬起保持不動(dòng)。最后A、C腿向后擺動(dòng)。整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中B、D、E、F不做前后運(yùn)動(dòng)，只是上下運(yùn)動(dòng)。 電機(jī)的選擇選擇電機(jī)時(shí)需要考慮機(jī)器人地質(zhì)量以及最大扭矩。必須要有機(jī)器人的腿的質(zhì)量以及尺寸，通過(guò)查閱然后預(yù)算可以得出：上腿（股節(jié)）有效長(zhǎng)度是 34mm，中腿（脛節(jié)）的有效長(zhǎng)度是 34mm,下腿（足）的有效長(zhǎng)度是 90mm。上腿質(zhì)量為 190 克，中腿 為140克，下腿為 150 克。然后對(duì)腿部做受力分析，做出受力簡(jiǎn)圖5如下 圖5 仿生蜘蛛機(jī)器人腿的受力簡(jiǎn)圖 Fig 5 Bionic six foot robot leg force diagram仿生蜘蛛機(jī)器人以地面做 xoy 平面，仿生蜘蛛機(jī)器人地重心在 xoy 平面上的投影為坐標(biāo)原點(diǎn) O，z 軸和機(jī)身垂直。仿生蜘蛛機(jī)器人每條腿都會(huì)有3個(gè)自由度，每條腿都是由上腿和中腿以及下腿通過(guò)舵機(jī)連接形成。在本次設(shè)計(jì)中，上腿的長(zhǎng)度是34mm，中腿地長(zhǎng)度是34mm，下腿地長(zhǎng)度為90mm。機(jī)體和上腿由A號(hào)舵機(jī)連接，上腿和中腿是B號(hào)舵機(jī)連接，中腿和下腿用C舵機(jī)連接。腿著地的時(shí)候，上腿和中腿間的夾角為135176。，中腿與下腿間的夾角為135176。，抬腿的時(shí)候，B舵機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)30176。在仿生蜘蛛機(jī)器人行走的過(guò)程中，要避免腿與腿會(huì)碰到，所以腿擺動(dòng)的時(shí)候需要選擇合適的角度，在本設(shè)計(jì)中運(yùn)動(dòng)控制的時(shí)候選擇的擺動(dòng)角度為30176。針對(duì)仿生蜘蛛機(jī)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(diǎn)系的廣義坐標(biāo)，即有 （2），，，，，則仿生仿生蜘蛛機(jī)器人步行足的廣義平衡方程為： （3） （4） 其中 MM3 為膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)所需扭矩，ll