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1、 国际机械设计制造及其自动化专业课程设计（论文）机械创新设计课程设计 题 目： 六足式机器人的行走机构设计 小组成员： 班 级： 指导教师： 成 绩： 目 录摘 要4第一章绪 论11.1. 六足仿生机器人的概念：11.2.课题来源21.3.设计目的21.4.技术要求21.5.设计意义21.6.设计范围31.7.国内外的发展状况和存在的问题31.7.1.国外发展状况31.7.2.国内发展状况41.7.3.存在的问题51.8.具体设计51.8.1.设计指导思想51.8.2.应解决的主要问题51.8.3.本设计采用的研究计算方法61.8.4.技术路线6第二章六足仿生机器人的步态规划72.1步态分类7
2、2.1.1 三角步态72.1.2跟导步态72.1.3交替步态72.2步态规划概述82.3六足仿生机器人的坐标含义92.4 三角步态的稳定性分析122.4.1 稳定性分析122.4.2稳定裕量的计算122.5三角步态行走步态设计132.5.1直线行走步态规划132.5.2转弯步态分析152.6六足机器人的步长设计152.7六足机器人着地点的优化16第三章六足机器人的机构分析183.1四连杆机构的设计183.1.1理论根据与机构选择183.2设计参数213.3步行腿机构系统213.4 舵机驱动原理223.4.1驱动原理223.4.2 舵机控制方法223.5 六足机器人主体设计243.5.1 机身2
3、43.5.2腿部的设计253.5.3足253.5.4小腿263.5.5大腿27第四章总结284.1.设计小结284.2设计感受284.3课程设计见解28参考文献29谢 辞30摘 要人类社会的发展，各种各样的机器人正渐渐的走进我们的视野，有很多的地方都用到了机器人，在机器人的领域里越来越多的人开始爱好上了机器人。能更好的适应环境和地形是多足仿生机器人的优点，很多人的工作可以由机器人代替完成，科学价值和实际应用价值是很重要的。复杂的多足机器人机构是不易制造的，机器人六条腿的运动也难以有效地调控，能让机器人选择最优秀的路径到达目的地是一个很让人思考的问题。以昆虫活动时选用的三角步态行动为基础策划六足
4、机器人，为实现其全方位机动性，需要解决一系列的技术问题，首先，对机器人直线行走和转弯进行步态规划，分析其运动特性，根据对其进行的步行规划确定其运动轨迹，之后确定其运动机构，采用契贝谢夫四杆机构作为其主要的驱动机构，为了保证其转弯的灵敏性，在小腿上加上了舵机，易于实现转弯，掉头等动作。好的行走机构，能安稳的运转和走路，布局简单，容易设计制造，这个也是很重要的，本文还对舵机的设计进行了简易的讨论。本文设计主要针对的是六足机器人的步态规划及机构运动的分析。关键词：六足机器人，步态规划，机构设计，契贝谢夫四杆机构35第一章 绪 论1.1. 六足仿生机器人的概念：机器人技术是在新技术革命中迅速发展起来的
5、一门新兴学科，它在众多领域与生产部门得到了广泛的应用，并显示出强大的生命力。它使得传统的生产发生变革，并对人类社会的生活产生深远的影响，它正在成为工厂，企业进行产品生产，乃至整个国家进行经济和军事较量的重要手段。六足机器人又叫蜘蛛机器人，是多足机器人的一种。仿生式六足机器人，顾名思义，六足机器人在我们理想架构中，我们借鉴了自然界。昆虫的运动原理。 足是昆虫的运动器官。昆虫有3对足，在前胸、中胸和后胸各有一对，我们相应地称为前足、中足和后足。每个足由基节、转节、腿节、胫节、跗节和前跗节几部分组成。图1 昆虫腿节基节是足最基部的一节，多粗短。转节常与腿节紧密相连而不活动。腿节是最长最粗的一节。第四
6、节叫胫节，一般比较细长，长着成排的刺。第五节叫跗节，一般由2-5个亚节组成为的是便于行走。在最末节的端部还长着两个又硬又尖的爪，可以用它们来抓住物体。 行走是以三条腿为一组进行的，即一侧的前、后足与另一侧的中足为一组。这样就形成了一个三角形支架结构，当这三条腿放在地面并向后蹬时，另外三条腿即抬起向前准备替换。 前足用爪固定物体后拉动虫体向前，中足用来支持并举起所属一侧的身体，后足则推动虫体前进，同时使虫体转向。 这种行走方式使昆虫可以随时随地停息下来，因为重心总是落在三角支架之内。并不是所有成虫都用六条腿来行走，有些昆虫由于前足发生了特化，有了其他功用或退化，行走就主要靠中、后足来完成了。 大
7、家最为熟悉的要算螳螂了，我们常可看到螳螂一对钳子般的前足高举在胸前，后面四条足支撑地面行走。1.2.课题来源本课题来源于机械创新设计课程的研究课题。之前我们学习了有关机械原理的基本概念，基本理论，以及相关的计算方法，老师带领我们深入浅出的学习了机械方面的知识，使我们了解包括机构结构分析，运动分析，力分析以及动力学分析，对于常用的机构，例如，连杆机构，凸轮机构，齿轮机构的等也有了深入的认知。在王老师开设的机械创新设计课程上我们选择了这个课题，来将学习到的知识付诸于实践。1.3.设计目的本设计主要是利用机械原理相关知识合理设计机械腿的相关尺寸及机构来实现行走与转弯的功能。1.4.技术要求1.电机的
8、选择和控制原理；2.运动学的分析和仿真；3.连杆机构，传动机构的设计；4.稳定性，重心转移。1.5.设计意义在自然界和人类社会中存在一些人类无法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场合。如行星表面、灾难发生矿井、防灾救援和反恐斗争等，对这些危险环境进行不断地探索和研究，寻求一条解决问题的可行途径成为科学技术发展和人类社会进步的需要。地形不规则和崎岖不平是这些环境的共同特点。从而使轮式机器人和履带式机器人的应用受到限制。以往的研究表明轮式移动方式在相对平坦的地形上行驶时，具有相当的优势运动速度迅速、平稳，结构和控制也较简单，但在不平地面上行驶时，能耗将大大增加，而在松软地面或严重崎岖不平的地形上，
9、车轮的作用也将严重丧失移动效率大大降低。为了改善轮子对松软地面和不平地面的适应能力，履带式移动方式应运而生但履带式机器人在不平地面上的机动性仍然很差行驶时机身晃动严重。与轮式、履带式移动机器人相比在崎岖不平的路面步行机器人具有独特优越性能在这种背景下六足仿生机器人的研究蓬勃发展起来。而仿生步行机器人的出现更加显示出步行机器人的优势。六足仿生机器人的运动轨迹是一系列离散的足印运动时只需要离散的点接触地面对环境的破坏程度也较小可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点对崎岖地形的适应性强。正因为如此六足仿生机器人对环境的破坏程度也较小。轮式和履带式机器人的则是一条条连续的辙迹。崎岖地形中往往含有岩石、
10、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障碍物可以稳定支撑机器人的连续路径十分有限,这意味着轮式和履带式机器人在这种地形中已经不适用。六足仿生机器人的腿部具有多个自由度使运动的灵活性大大增强。它可以通过调节腿的长度保持身体水平也可以通过调节腿的伸展程度调整重心的位置因此不易翻倒稳定性更高。当然六足仿生机器人也存在一些不足之处。比如为使腿部协调稳定运动从机械结构设计到控制系统算法都比较复杂相比自然界的节肢动物仿生六足仿生机器人的机动性还有很大差距。1.6.设计范围 一直以来移动型机器人的运动方式大体上包括，轮式、履带式、足式等。六足仿生机器人类似昆虫原理较为简单，技术也比较成熟，而且传动效率比较高，行走重心波
11、动很小，运动平稳，这类装置重量小，运动灵活，采用步态仿生简便直接。1.7.国内外的发展状况和存在的问题1.7.1.国外发展状况我国步行机器人的研究开始较晚，真正开始是在上世纪80年代初。1980年，中国科学院长春光学精密机械研究所采用平行四边形和凸轮机构研制出一台八足螃蟹式步行机,主要用于海底探测4 作业并做了越障、爬坡和通过沼泽地的试验。1989年，北京航空航。天大学孙汉旭博士进行了四足步行机的研究，试制成功一台四足步行机，并进行了步行实验；钱晋武博士对地、壁两用六足步行机器人进行了步态和运动学方面的研究。1991年，上海交通大学马培荪等研制出JTUWM系列四足步行机器人，该机器人采用计算机
12、模拟电路两级分布式控制系统,JTUWM-III以对角步态行走,脚底装有PVDF测力传感器，如图4，同时对多足步行机器人的运动规划与控制，以及机器人的腿、臂功能融合和模块化实现的控制体系及其设计进行了研究。图21.7.2.国内发展状况随着电子技术发展，计算机性能的提高，使多足步行机器人技术进入了基于计算机控制的发展阶段。其中有代表性的研究为1993年,美国卡内基-梅隆大学开发出有缆的八足步行机器人DANTE，图1所示，用于对南极的埃里伯斯火山进行了考察，其结构由2个独立的框架构成。这一阶段研究的重点在于机器人的运动机构的设计、机器人的步态生成与规划及传统的控制方法在机器人行走运动控制过程的应用。
13、Boston Dynamics公司的Big Dog四足机器人用于为军队运输装备，其高3英尺，重165磅，可以以3.3英里的速度行进，其采用汽油动力。 图3 Adaptive Suspension Vehicle 图4 Odex1步行机器人图5 MIT 腿部实验室的四足和双足机器人由于新的材料的发现、智能控制技术的发展、对步行机器人运动学、动力学高效建模方法的提出以及生物学知识的增长促使了步行机器人向模仿生物的方向发展。1.7.3.存在的问题 综上所述，国外在这方面的研究成果较多，但是大多都结构复杂，造价昂贵，远远超出人民的经济承受能力。 国内的研究相对较晚，虽然也诞生了很多专利，但由于受到体积
14、，重量，稳定性级安全问题还没有产品真正投入使用。1.8.具体设计1.8.1.设计指导思想 面向社会应用需求，基于机械创新设计课程的课题要求，根据之前学习到的机械原理等知识，力求推动大学生设计创新能力，提高机器人应用实际的实际操控力，达到我们机械创新设计的目的。1.8.2.应解决的主要问题1.重心对于机器人行走稳定性的影响，对机体质心及其稳定性；2.驱动腿部运动的动力的施加，分析采用合适参数；3.两腿之间运动时的协调配合，以及周期的确定；4.机器人行走转弯灵活自如，以及舵机的选择；5.运动学分析：建立合理得运动学模型，从而对不同运动阶段进行分析。1.8.3.本设计采用的研究计算方法 本设计主要通过分析六足昆虫的步态运动，结合高等代数、机械原理等相关知识以及利用互联网资源对六足仿生机器人机构进行合理的分析与设计。1.8.4.技术路线1.收集国内外六足机器人的相关资料，分析并消化，总结出我们自己的方法；2.六足仿生机器人的步态规划，选择合适的步态，并稳定性分析，行走步态设计；3.机构设计和运动学分析，绘制六足机器人的机构原理图；针对运动特征设计相应机构，改善运动机构完成设计。4.根据腿的二维平面设计示意图进行三维设计，并用CATIA软件进行机构行走仿真，动态模拟分析。 研究手段 成果集成
