【正文】 uses the sixlinked mechanism as its leg are made， and carried on the stability to it analysis, include the quiet mechanics analysis and dynamics analysis.A hexapod walking mode was designed according to this controlling 12 step motors straight walking function of the hexapod robot has been implemented with tripod gait and experiment show that this structure can keep the hexapod robot body39。關(guān)鍵詞：六足機(jī)器人；行走步態(tài)；運(yùn)動(dòng)原理；穩(wěn)定性；四桿機(jī)構(gòu)abstractThis paper introduced a sixlegged walking robot propelled by two electromotors,and analyzed the robot39。針對(duì)這種腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了六足的行走方式,通過對(duì)12個(gè)步進(jìn)電機(jī)的控制,采用三角步態(tài),實(shí)現(xiàn)了六足機(jī)器人的直行功能。由參數(shù)和電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩就能確定足部的線速度和加速度。 摘 要本文介紹了一種應(yīng)用兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的六足式步行機(jī)器人,并對(duì)該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)理與步態(tài)進(jìn)行了分析,經(jīng)樣機(jī)實(shí)驗(yàn),所設(shè)計(jì)的機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、遇障轉(zhuǎn)彎等功能,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制便捷,行走穩(wěn)定的特點(diǎn)?；诜律鷮W(xué)原理,應(yīng)用連桿機(jī)構(gòu)學(xué)中的Robert原理,設(shè)計(jì)出一連桿軌跡能較好地近似于機(jī)器人理想足部軌跡的四桿機(jī)構(gòu)，選擇足部運(yùn)動(dòng)曲線并在圖譜上找到該曲線，以確定四桿機(jī)構(gòu)的各個(gè)參數(shù)。并通過PRO/E軟件,對(duì)用這一連桿機(jī)構(gòu)作為腿部機(jī)構(gòu)的六足機(jī)器人進(jìn)行了前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎步態(tài)建模，并對(duì)它進(jìn)行了穩(wěn)定裕量分析，包括靜力學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析。仿真及試驗(yàn)證明,這種結(jié)構(gòu)能較好地維持六足機(jī)器人自身的平衡,并且對(duì)今后更深入地研究六足機(jī)器人抬腿行走姿態(tài)及可行性,具有較高的參考價(jià)值。s kinetic mechanism and walking by the model test,the robot is capable of actions such as forwarding,backwarding and veering in the case of robot demonstrates such advantages as simple structure,fortable control and stable performance of pacing.Based on the principle of bionics,this paper designs a fourlinked mechanism using Robert principle,which can approximate the ideal trace of robot39。s balance better,providing high reference value to research the advantage and feasibility of legraising walking gesture.Keyword: six foot robot。 The sport principle。 Four pole organizations目錄摘 要 Iabstract II1 緒 論 1 1 3 5 62 機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 6 6 設(shè)計(jì)方法 12 13 28 軀體部分機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 33 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)總結(jié) 34參考文獻(xiàn) 35致謝 37附 錄一 50附錄二 61621 緒 論機(jī)器人是上個(gè)世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，而從機(jī)器人的角度來講，21世紀(jì)將是一個(gè)自治機(jī)器人的世紀(jì)。機(jī)器人技術(shù)是研究機(jī)器人工程技術(shù)的學(xué)問。上述的定義是強(qiáng)調(diào)“可進(jìn)行作業(yè)”的性質(zhì)。這里所說的作業(yè)并不是單一的簡(jiǎn)單工作，而是能夠進(jìn)行多種動(dòng)作的作業(yè)。例如，數(shù)控機(jī)床加工工件的能力雖然很強(qiáng)，但是它不能進(jìn)行其它的作業(yè)，所以不能稱它為機(jī)器人，此外數(shù)控機(jī)床的外觀也很少有與生物相似之處。一般來說我們認(rèn)為機(jī)器人是計(jì)算機(jī)控制的可以編程的目前能夠完成某種工作或可以移動(dòng)的自動(dòng)化機(jī)械。例如，在需要高級(jí)的認(rèn)識(shí)與判斷的地方，還必須有人的幫助，就是非常高級(jí)的機(jī)器人也還必須進(jìn)行人機(jī)對(duì)話才行。未來的移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)該具有行動(dòng)決策和規(guī)劃，以及自動(dòng)執(zhí)行規(guī)劃能力，集人工智能、智能控制、信息處理、檢測(cè)與轉(zhuǎn)換等專業(yè)技術(shù)為一體的系統(tǒng)。仿生機(jī)器人就是模仿自然界中生物的外部形狀或某些機(jī)能的機(jī)器人系統(tǒng)。其中步行機(jī)器人成為機(jī)器人研究的一個(gè)熱點(diǎn)，步行是人類或有腿動(dòng)物的獨(dú)特的運(yùn)行方式，是自然界中最為靈活的移動(dòng)形式。并且機(jī)器人的本質(zhì)具有的大量的自由度可以使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加靈活，對(duì)凹凸不平的地形的適應(yīng)能力更強(qiáng)，由于立足點(diǎn)是離散的，距地面的接觸面積較小，可以在可達(dá)到的地面上選擇最優(yōu)支承點(diǎn)，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴(yán)格選擇足的支撐點(diǎn)，也能夠行走自如。前蘇聯(lián)Lunokhod月球探測(cè)車美國JPL的Sojourner火星探測(cè)車。此外該機(jī)器人的四個(gè)角輪具有獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和控制能力。日本本田公司和大阪大學(xué)聯(lián)合推出的P2和P9型放人步行機(jī)器人代表了當(dāng)今世界的最高水平。Keisuke Arikawn 等研究的TITANVII型四足機(jī)器人能夠以穩(wěn)定的方式在不平的地面行走，可以以非接觸方式繞過地面上的障礙，能夠向任何方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)腿的自由度可以用于工作。1999年日本研制的寵物狗AIBOERS110具有18個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)以保持柔性運(yùn)動(dòng)。國內(nèi)一些研究院所，如北航、北科大、國防科大、東南大學(xué)、沈陽自動(dòng)化所和哈工大等進(jìn)行了仿生機(jī)器人的研究。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)調(diào)動(dòng)各院系的優(yōu)勢(shì)，共同成立了研究“月球車”的課題組，其中包括航天學(xué)院、機(jī)電學(xué)院等，研究的側(cè)重點(diǎn)各有不同。研究經(jīng)費(fèi)以自籌為主，具體研究情況仍處于保密狀態(tài)。 仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)具有高度的靈活性和適應(yīng)性，其一般都是冗余度或超冗余度機(jī)器人，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。機(jī)器人的自由度較多，機(jī)構(gòu)越復(fù)雜，必將導(dǎo)致控制系統(tǒng)的復(fù)雜化，復(fù)雜巨系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)不能全靠子系統(tǒng)的堆積。 在仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)開發(fā)中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同物體和未知環(huán)境的感知，都裝備有一定量的傳感器，多傳感器的信息融合技術(shù)是實(shí)現(xiàn)其具有一定智能的關(guān)鍵。合理的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是仿生機(jī)器人實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。衛(wèi)星仿生機(jī)器人有些已不是傳統(tǒng)常規(guī)機(jī)器人的按比例縮小，它的開發(fā)涉及到電磁、機(jī)械、熱、光、化學(xué)、生物等學(xué)科。如動(dòng)力源、驅(qū)動(dòng)方式、傳感集成控制以及同外界的通訊等，實(shí)現(xiàn)微傳感和微驅(qū)動(dòng)的一個(gè)關(guān)鍵問題是機(jī)電光一體結(jié)合的微加工技術(shù)。先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展對(duì)仿生機(jī)器人的研究正起著積極的促進(jìn)作用，隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人也從當(dāng)初的上下料功能向高度柔性、高效率的精密裝配工能轉(zhuǎn)化。目前運(yùn)行的絕大多數(shù)機(jī)器人都是固定的，它們只能固定在某一位置上進(jìn)行操作。近年來，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究受到越來越多的重視，使機(jī)器人能夠移動(dòng)到固定式機(jī)器人無法達(dá)到的預(yù)定目標(biāo)，完成設(shè)定的操作任務(wù)。仿生移動(dòng)式機(jī)器人在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國防上具有廣泛的應(yīng)用前景，它們能用于衛(wèi)星探測(cè)、軍事偵察、危險(xiǎn)的廢料處理以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。在非制造業(yè)中的治療、娛樂和社會(huì)福利等方面的仿生機(jī)器人有很好的發(fā)展前景?？茖W(xué)家預(yù)言，21世紀(jì)的尖端技術(shù)之一是微型機(jī)器人。因此，機(jī)器人的小型化和微型化是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。本文所設(shè)計(jì)的六足機(jī)器人具有6個(gè)支撐足，模仿了昆蟲的行走步態(tài)，能夠在平地上前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)彎，在遇到障礙時(shí)能自行避開。設(shè)計(jì)過程中，盡量選擇了可以實(shí)現(xiàn)的方式。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題是機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，決定這個(gè)的因素是多方面的，比如我們?cè)O(shè)計(jì)的鈑金件都是手工劃線，手工制作的，精度很難保證等。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，由軀干部分及六足、拉桿和直流電機(jī)組成。 設(shè)計(jì)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖步行機(jī)構(gòu)的行走方式分為靜態(tài)行走和動(dòng)態(tài)行走兩類。更準(zhǔn)確的說，靜態(tài)行走時(shí)指步行機(jī)構(gòu)在行走過程中，其重心總是處于穩(wěn)定支撐平面內(nèi)。為獲得較好的穩(wěn)定性，本文設(shè)計(jì)將六足分為兩組，身體一側(cè)的前足、后足及一側(cè)的中間足做為一組，形成一個(gè)穩(wěn)定的三角支撐。理論上而言，六足可供選擇的步態(tài)較多，但也應(yīng)該遵守一般的準(zhǔn)則：①所選步態(tài)應(yīng)符合動(dòng)物的行走習(xí)慣。②所選步態(tài)應(yīng)使控制盡可能簡(jiǎn)單。綜合考慮這兩條準(zhǔn)則以及機(jī)構(gòu)的整體構(gòu)成，對(duì)機(jī)構(gòu)的行走步態(tài)作以下規(guī)劃。六足機(jī)構(gòu)開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，左側(cè)的2號(hào)腿和右側(cè)的6號(hào)腿抬起準(zhǔn)備向前擺動(dòng)，另外3條腿5處于支撐狀態(tài)，支撐機(jī)器人本體確保機(jī)器人的原有重心位置處于3條支撐腿所構(gòu)成的三角形內(nèi)，使機(jī)器人處于穩(wěn)定狀態(tài)不至于摔倒（(a)）,擺動(dòng)腿6向前跨步（（b）），支撐腿5一面支撐機(jī)器人本體，一面在驅(qū)動(dòng)電機(jī)和四桿機(jī)構(gòu)的作用下驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體，使機(jī)器人機(jī)體向前運(yùn)動(dòng)了半個(gè)步長S（（c））。著地的足1和足3項(xiàng)對(duì)軀體向后擺動(dòng)一定角度，實(shí)現(xiàn)軀體相對(duì)地面的第一步轉(zhuǎn)動(dòng)（（b））；，此時(shí)軀體的位姿已相對(duì)上一位姿擺動(dòng)一個(gè)角度α。如此（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）、（a）往復(fù)循環(huán)，便可實(shí)現(xiàn)六足機(jī)構(gòu)向右轉(zhuǎn)動(dòng)。 在整個(gè)周期中包含6步，一個(gè)周期可實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)2α角。根據(jù)占空系數(shù)β的大小可分為3種情況：（1）β=，在三擺動(dòng)腿著地的同時(shí)，另外三支撐腿立即抬起，即任意時(shí)刻同時(shí)只有支撐相和擺動(dòng)相（（a））；（2）β＞，機(jī)器人移動(dòng)較慢時(shí)，擺動(dòng)相與支撐相有一短暫的重疊過程，即機(jī)器人有六條腿同時(shí)著地的狀態(tài)（（b））；β＜，機(jī)器人移動(dòng)較快時(shí)，六條腿有同時(shí)為擺動(dòng)相的時(shí)刻，即六條腿同時(shí)在空中，處于騰空狀態(tài)（（c）），顯然此交替過程要求機(jī)器人機(jī)構(gòu)具有彈性和消振功能，否則難以實(shí)現(xiàn)。 機(jī)器人三角步態(tài)的擺動(dòng)相與支撐相 六足機(jī)器人的足端運(yùn)動(dòng)軌跡曲線的確定在進(jìn)行步行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)時(shí)，如果將腿直接連在軸上則足端曲線為圓形。況且步行機(jī)器人要求有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，它必須能夠在平面、臺(tái)階上穩(wěn)定的行走，又能跨過障礙、橫溝，不同的路面對(duì)軌跡曲線有不同的要求：對(duì)于平地路面要求有一定的速度，對(duì)于臺(tái)階要求能夠抬起并通過，對(duì)障礙物要求順利跨越，可見足端運(yùn)動(dòng)軌跡的選擇度與步行機(jī)器人來說顯得非常重要。該比值越大則足端運(yùn)動(dòng)軌跡曲線越高，相應(yīng)的跨越臺(tái)階的能力就越強(qiáng)同時(shí)前進(jìn)特性（運(yùn)動(dòng)速度）就越差。曲線弧長越短，運(yùn)動(dòng)時(shí)間就越短，但相應(yīng)的跨越能力就越差。柔性設(shè)計(jì)方法 將機(jī)電一體化系統(tǒng)中完成某一個(gè)功能的傳感元件，執(zhí)行元件和控制器作為一個(gè)功能模塊，如果控制器具有可編程的特點(diǎn)，則該模塊就成為柔性模塊，采用計(jì)算機(jī)編程還可以進(jìn)一步提高驅(qū)動(dòng)模塊的柔性。每個(gè)上面兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，作為腿部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器；兩個(gè)傳感器，用來作為機(jī)器人旋轉(zhuǎn)位置的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自身可識(shí)別的準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)，可旋轉(zhuǎn)的一塊鈑金組件，四連桿機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)按在上面；一個(gè)伸出的臂板鈑金組件，上面安裝了控制旋向的步進(jìn)電機(jī)，支撐整個(gè)腿部機(jī)構(gòu)。 機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中，腿部的四連桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用了契貝謝夫直線四桿機(jī)構(gòu)。（2） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)系到運(yùn)動(dòng)的最終狀態(tài)，決定運(yùn)行的姿態(tài)。 步行機(jī)構(gòu)對(duì)于設(shè)計(jì)機(jī)器人是極為重要的，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)上面的原則及實(shí)際三維建模進(jìn)行選擇，并且根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行了設(shè)計(jì)，上面圖示為六足機(jī)器人一條腿的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。這并不是一種實(shí)際可行的步行機(jī)構(gòu)，并不能實(shí)現(xiàn)需要的運(yùn)動(dòng)，只是表明了一組軌跡，它能夠?qū)崿F(xiàn)腿的抬起、落下及一段直線運(yùn)動(dòng)。主要是參考了鶴式起重機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)，和挖土機(jī)的臂部結(jié)構(gòu)。主要原因：（1） 可以毫無限制的提高腿的尺寸，從而說整個(gè)身體能站的比較高（2） 不會(huì)因腿部放大而放大整個(gè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)不過設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)垂直機(jī)構(gòu)雖然足端軌跡好，但受力不好，走動(dòng)過程中會(huì)發(fā)生偏移，兩組平行四邊形機(jī)構(gòu)并不好實(shí)現(xiàn)。如圖所示π/2∽3π/2的直線段為足著地時(shí)的軌跡，3π/2∽0∽π/2為足跨步時(shí)的軌跡。如圖中的點(diǎn)C′P′M′O′。用′的中垂線上的R′點(diǎn)作足尖，其軌跡必于Q、Q′的軌跡相同，適于作六足機(jī)器人的步行機(jī)構(gòu)。一條腿用二個(gè)主動(dòng)構(gòu)件，不僅可以提高效率，而且易于控制軟件的開發(fā)，但對(duì)于本設(shè)計(jì)不太適合，反對(duì)稱機(jī)構(gòu)解決了受力問題，但增加了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，對(duì)于配合的要求更高，不符合設(shè)計(jì)要求；還增加了動(dòng)力源的數(shù)目使控制系統(tǒng)更為復(fù)雜。如果找到一種構(gòu)件能夠?qū)崿F(xiàn)D點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，就能做到腿的提起、空中移動(dòng)、落下和與地面的摩擦運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)身體的前移。設(shè)計(jì)中考慮到制作的復(fù)雜度，以及最后執(zhí)行的準(zhǔn)確度，就盡量采用簡(jiǎn)化的構(gòu)件，本文沒有采用雙重平行四邊形機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)足端與地面的垂直，主要做的機(jī)器人比較小，在有限的空間安排太多的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)比較困難。的彎桿來實(shí)現(xiàn)。 連桿機(jī)構(gòu)圖本連桿機(jī)構(gòu)以契貝謝夫直線機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，但并不是單純應(yīng)用軌跡特性曲線。在材料的選擇上，AB桿與CD桿用的是５mm的鋁板，BCE桿的是膠木板寬度均是８mm，這樣可以盡量減輕機(jī)構(gòu)的重量?！　∽屑?xì)分析足端的軌跡是重要的，要研究做成的機(jī)器人如何運(yùn)動(dòng)，就需要明確的知道旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過一定角度后足端到達(dá)了什么位置，這點(diǎn)搞清楚了，才能很好的利用軌跡，對(duì)運(yùn)動(dòng)的控制才可以順利進(jìn)行。（為方便計(jì)算，在這里只考慮四邊形ABCD。將這驅(qū)動(dòng)力分解為兩個(gè)分力：沿受力點(diǎn)C的速度方向的分力和垂直于方向的分力。而是使傳動(dòng)副C上產(chǎn)生附加徑向壓力的有害分力。故壓力角愈小愈好。傳動(dòng)角卻愈大愈好。如圖中所示，當(dāng)曲柄AB轉(zhuǎn)到AB1位置與機(jī)架重合時(shí)，連桿BC與搖桿CD的夾角最小，此時(shí)傳動(dòng)角，且=176。到AB2位置時(shí)，連桿BC與搖桿CD的夾角有最大值，且 =176。當(dāng)時(shí),在一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)期間，有最小值，它是和之中的小值。l 行程速度比系數(shù)和死點(diǎn)位置當(dāng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中曲柄AB與連桿BC在同一條直線上時(shí)，搖桿CD有外極限位置。 =176。當(dāng)曲柄AB與連桿BC重合時(shí)，搖桿CD有內(nèi)極限位置，如圖中AB2C2D所示。