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1、“ “蜘蛛侠蜘蛛侠“ “仿生机器人仿生机器人 设计说明书设计说明书参赛者: 江 晓 通 李 江 全 张 其 指导老师: 何 毅 斌 洪 汉 玉 所在学校: 武 汉 工 程 大 学 目录第一章 引言.3 1.1 研究背景.3 1.2 国内外研究成果.3 第二章 仿生蜘蛛机器人的结构设计.3 2.1 设计的功能要求及分析 .3 2.2 总体设计 .3 2.2.1 结构分布 .3 2.2.2 仿生蜘蛛机器人尺寸 .3 2.3 详细设计.4 2.3.1 普通步行足 .4 2.3.1.1 结构.4 2.3.1.2 驱动.5 2.3.1.3 减震器 .8 2.3.2 多功能复合足 .9 2.3.2.1 结
2、构.9 2.3.2.2 驱动.10 2.3.2.3 复合足和减震器 .10 2.3.3 躯干及外壳.10 第三章 步态分析及控制方案.11 3.1 蜘蛛的步态研究 .11 3.2 控制方案 .13 第四章 仿生蜘蛛机器人尺寸与性能分析.14 4.1 动作能力分析 .14 4.2 设计合理性 .14 4.2.1 驱动部分.14 4.2.2 机构原理 .14 4.2.3 结构与强度 .14 4.2.4 重量 .16 4.3 设计可行性 .16 4.4 创新性 .16 参考文献.183第第 1 1 章章 引言引言1.11.1 研究背景研究背景在如今的科技飞速发展的时代，机器人早已成为家喻户晓的科技产
3、品，它被广泛的应用于各种场合和领域，像生产业、建筑业，或是危险的工作环境。而将仿生学的一些技术应到机器人上做成的仿生机器人则能够在某些方面的更好的服务于人。1.21.2 国内外研究成果国内外研究成果在机器人领域发展最好的应该是美国、日本了。美国的仿生军用机器狗做的已经很成熟了，能够行走在各种不同地形，草地、雪地、山地等都能够平稳的行走，其自平衡能力允许它受到一定的冲击却仍能马上调整好身体而继续平稳行走。日本的仿生机器人也十分的先进。国内的机器人也在迅速的发展，一些仿生机器人也能够在自己的领域发挥它独特的功能。第第 2 2 章章 仿生蜘蛛机器人的结构设计仿生蜘蛛机器人的结构设计2.12.1 设计
4、的功能要求及分析设计的功能要求及分析通过对蜘蛛结构和行为的研究，设计的仿生蜘蛛机器人可以用于多种场合。其主要技术问题在于让机器人能够灵活的完成行走、转向、越障、爬坡等基本动作，同时还必须具有抓取物体、打钻等功能，也有视频、照明、太阳能电池板等设备增强功能。2.22.2 总体设计总体设计2.2.12.2.1 结构分布结构分布蜘蛛机器人主要由躯干和八条腿组成。模仿蜘蛛的八条腿的布局方式，设计了如图 1的装配布局。每条腿都有足够的活动空间，互不干涉，为其运动灵活性提供了可能。其中，后三对腿为普通步行足，一对前腿为多功能复合足，左前腿具有抓取的功能，右前腿具有钻的功能。另外躯干上装有视频、照明、太阳能
5、电池板，躯干尾端留有一个储物空间。2.2.22.2.2 仿生蜘蛛机器人尺寸仿生蜘蛛机器人尺寸躯干的宽度为 250mm，长度为 450mm。整个机器人的占地面积约为 0.5。2m单只腿的最大长度约为 320mm，最小总长度约 260mm，最大跨越高度约为 80mm。4图 12.32.3 详细设计详细设计2.3.12.3.1 普通步行足普通步行足2.3.1.12.3.1.1 结构结构蜘蛛机器人的普通步行足模仿蜘蛛的腿的结构，分为四个肢节、四个关节，如图 2。从上到下依次为根关节、基节、髋关节、股节、膝关节、胫节、胫关节、足。5图 2根关节是连接躯干和腿的部位，是一个转动副，有水平转动自由度；髋关节
6、是连接基节和股节的部位，是一个转动副，有竖直转动自由度；膝关节是连接股节和胫节的部位，是一个转动副，有竖直转动自由度；胫关节是连接胫节和足的部位，是一个转动副，有竖直转动自由度。2.3.1.22.3.1.2 驱动驱动基节和躯干的相对水平转动自由度由如图 3 所示的机构控制，其中是 1 电动机，固定在机架 4 上，2 是谐波减速器，将电动机的输出速度减小，3 是端面推力球轴承。6图 3基节和股节的相对竖直转动自由度由如图 4 所示的机构控制，其中是液压杆组合，液压杆杆套连接基节，液压杆杆轴连接股节。图 4股节和胫节的相对竖直转动自由度有如图 5 所示的机构控制，其中实液压杆组合，液压杆杆套连接股
7、节，液压杆杆轴连接胫节。7图 5足和胫节的相对竖直转动自由度由如图 6 所示的机构控制，其中是 1 电动机，固定在足上，2 是谐波减速器，将电动机的速度减小，3 是齿轮组合，将转矩输出。8图 62.3.1.32.3.1.3 减震器减震器为了缓冲行走时足和地面的刚性碰撞，在足上添加了液压减震器，如图 7。减震器杆和分油挡板在减震器套内，套内装有液压油。当受到较大的冲击时，液压减震器套内的一侧的液压油通过分油挡板进入到另一侧来改变自身长度，从而到达缓冲的作用。9图 72.3.22.3.2 多功能复合足多功能复合足2.3.2.12.3.2.1 结构结构蜘蛛机器人的多功能复合足和普通步行足一样，分为四
8、个肢节、四个关节，如图 8。从上到下依次为根关节、基节、髋关节、股节、膝关节、胫节、胫关节、复合足。各个关节的作用均和普通步行足一样。图 8102.3.2.22.3.2.2 驱动驱动基节和躯干的相对水平转动自由度的控制和普通步行足一样，如图 3。基节和股节的相对竖直转动自由度、股节和胫节的相对竖直转动自由度、复合足和胫节的相对竖直转动自由度，均由电动机驱动，并由谐波减速器进行降速，经过齿轮组合再输出，如图 6。2.3.2.32.3.2.3 复合足和减震器复合足和减震器复合足在有两个足，在行走是可以使用和普通步行足一样的足来行走，在执行任务时，可以转为为功能足，左足为抓手，右足为钻头，均采用液压
9、驱动。同时，步行或执行任务时，都有减震器来进行缓冲。如图 9。图 92.3.32.3.3 躯干及外壳躯干及外壳躯干底板上固定有控制腿水平转动自由度的电动机。另外液压油泵也安装在上面，用11来提供液压杆的动力。躯干尾端的储物室又可以开启的门，用来存放相关的物品。也装有可伸缩的摄像头。如图 10.图 10躯干外壳上装有太阳能电池板，可以将太阳能转化为电能供机器人使用。另外外壳上也装有照明装置，可以在黑夜中工作。如图 1。第第 3 3 章章 步态分析及控制方案步态分析及控制方案3.13.1 蜘蛛的步态研究蜘蛛的步态研究蜘蛛行走方式比较自由，有时候用的双四足步态，有时候是等相位步态。地形环境不同，蜘蛛
10、步态并没有很确定的用一种固定的周期步态。由于双四足步态（波形步态）与等相位步态、后退波形步态、自由步态相比，是效率最高和稳定性最好的步态（见表 1 的分析） ，所以在行走时蜘蛛机器人采用了双四足步态。把蜘蛛机器人的腿分为两组，如图 12，行走时同位一组的四条腿动作一样，并与另一组的腿相协调，当第一组腿抬起时，第二组腿是着地的，如图 13，白色代表腿是悬空的，黑色代表腿是着地的。具体行走方案为，第一组腿抬起，向前摆动，落下，第二组腿抬起，第一组腿向后蹬，第二组腿向前摆动，落下，第一组腿抬起，第二组腿向后蹬。如此循环下去即所谓的双四足步态。12表 1图 1213图 13当蜘蛛机器人的两只多功能复合足处于工作状态时，机器人也可以用后三对普通步行足行走，此时采用三角步态。三角步态也属于波形步态。这里对三角步态的原理不再详细说明。3.23.2 控制方案控制方案由于蜘蛛机器人的每只腿都是可以单独动的，而每只腿之间应该有双四足步态的配合，因此采用芯片来控制每只腿上的每个驱动，是每只腿能够完成抬脚、落脚、向前摆动。向后蹬的动作。可以在芯片内设置一个向前行走的程序模块，让仿生蜘蛛机器人可以用双四足步态或三角步
