機(jī)器人展示定稿匯編

1、小組成員：陳森 周義恒 趙晨光(chngung) 寧輕 夏麗萍學(xué) 院：國際學(xué)院班 級：國機(jī)械1班指導(dǎo)老師：王正倫六足機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)(shj)共三十六頁背景(bijng)遠(yuǎn)古時代，人們就發(fā)明了輪子作為移動機(jī)械和地面相互作用的運(yùn)動體。輪子的發(fā)明不僅造福于我們的祖先，而且在推動現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展中也發(fā)揮著不可估量的作用。盡管如此，由于輪子本身的弱點(diǎn)，必須在地面平坦、土質(zhì)較硬及摩擦大的地面上移動。對于地形復(fù)雜、土質(zhì)松軟的環(huán)境，輪子的移動就顯示出很大的不足。因此，應(yīng)用仿生學(xué)原理，模擬生物的運(yùn)動形式，就成為機(jī)器人領(lǐng)域研究(ynji)的熱點(diǎn)之一。共三十六頁 步行是人類及有腿動物所具有的獨(dú)特的運(yùn)動方式，也是自

2、然界中最為靈活的移動(ydng)方式，步行機(jī)是以模擬這種方式來實(shí)現(xiàn)自身運(yùn)動的一類特殊的機(jī)器人。隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展及其在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，各類不同功能的機(jī)器人研制就具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。 共三十六頁美國研制出的ODEX I-IV型六足機(jī)，能自如(zr)通過狹窄門洞、轉(zhuǎn)彎、上下樓梯、避障等，腿結(jié)構(gòu)為改進(jìn)的縮放式，用于核電站的維修工作。 共三十六頁基于(jy)此項(xiàng)的六足機(jī)器人共三十六頁設(shè)計(jì)目的：具有行走和轉(zhuǎn)彎的功能技術(shù)要求：穩(wěn)定性，重心的轉(zhuǎn)移；電機(jī)的選擇和控制原理和連桿機(jī)構(gòu)，傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)等。技術(shù)路線：1.收集國內(nèi)外六足機(jī)器人的相關(guān)資料，分析并消化，總結(jié)出我們自己的方法；2.六足仿生機(jī)器人的步

3、態(tài)規(guī)劃，選擇合適的步態(tài)，并穩(wěn)定性分析，行走步態(tài)設(shè)計(jì)；3.機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動學(xué)分析，繪制六足機(jī)器人的機(jī)構(gòu)原理圖；針對運(yùn)動特征設(shè)計(jì)相應(yīng)機(jī)構(gòu)，改善運(yùn)動機(jī)構(gòu)完成設(shè)計(jì)。4.根據(jù)腿的二維平面設(shè)計(jì)示意圖進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，并用CATIA軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)行走仿真，動態(tài)(dngti)模擬分析。共三十六頁六足仿生機(jī)器人的歩態(tài)規(guī)劃(guhu)歩態(tài)規(guī)劃簡述：昆蟲大多是采用的六足綱的原理來行走，可以(ky)看作兩個狀態(tài)，當(dāng)腿抬離地面的時候就叫作懸空相和當(dāng)腿接觸到地面推動機(jī)體前行的時候就叫做支撐相，懸空時的狀態(tài)記作1，支撐時候狀態(tài)就記住0.一個腿運(yùn)動完一個完整的周期循環(huán)所需要的時間就叫作一個運(yùn)動周期。腿的運(yùn)動周期相同，當(dāng)周期變換的時候

4、，腿就不同運(yùn)動。共三十六頁三角歩態(tài)的行走(xngzu)規(guī)律仿生六組機(jī)器人六條腿都在地面上也就是處于支撐相，看到機(jī)器人的重心在C1的地方，B組的支撐機(jī)身重量，A腿擺動。仿生六足機(jī)器人再次(zi c)同時在地面上，發(fā)現(xiàn)重心到了C2的位置，、組都支撐機(jī)身體重，機(jī)身向前移動了長度。仿生機(jī)器人組靠地面時候，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。 共三十六頁三角(snjio)歩態(tài)的穩(wěn)定性分析 六足仿生機(jī)器人的兩足腿Ai、Bi及質(zhì)心(zh xn)o在地面坐標(biāo)系XOY平面內(nèi)投影為點(diǎn)Ai，、Bi，和C，落在三角架支撐腿構(gòu)成陰影內(nèi)，當(dāng)然了這樣的話機(jī)器人的穩(wěn)

5、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)。共三十六頁轉(zhuǎn)彎(zhun wn)歩態(tài)分析我們都是一般采用以一個中足為中心，再原地轉(zhuǎn)彎從而(cng r)達(dá)到轉(zhuǎn)彎的目的，如右圖所示：共三十六頁六足機(jī)器人的步長設(shè)計(jì)(shj)設(shè)根關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)的角度分別(fnbi)為 a=0,b和c.則有：其中l(wèi)1、l2、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。這樣就可以得到步長的最大值。共三十六頁六足機(jī)器人著地點(diǎn)(ddin)的優(yōu)化為了保證機(jī)器人運(yùn)動，兩組腿能更加的靈活和穩(wěn)定，我們就要求三腳架所在的范圍盡可能的面積最

6、大化，下圖中多邊形defgij的面積最大。這樣，只要機(jī)器人的重心在重疊區(qū)域內(nèi)，機(jī)器人可以選擇任意一組腿擺動。重合面積越大，機(jī)器人的重心的活動范圍越大。坐標(biāo)系如圖所示。為了分析方便，兩個全等的等腰三角形；h為三角形在x軸上高；BA的斜率k，AB的斜率為(-k)；點(diǎn)B到線AC的距離或點(diǎn)B到線AC的距離為a；點(diǎn)B到點(diǎn)B在y軸方向上的距離為b。由于多邊形defgij具有對稱性，要求其的面積最大，只需求四邊形edji的面積最大。 易求得直線BA、AB的表達(dá)式：并求出四邊形edji的面積，并求出最大值，當(dāng)a=h/3時，四邊形edji的面積會變?yōu)樽畲鬄榱颂岣邇扇切蔚闹睾隙?，可增大?cè)面兩個角（B和B）的大小

7、，和橫向的寬度（h的值），但增量要適當(dāng)，否則可能增大機(jī)器人的重量或者(huzh)導(dǎo)致各個方向的穩(wěn)定裕度相差懸殊。從式（7）還可以看出，步行機(jī)器人的步長（b的值）越大，兩三角形的重疊面積越小，因此，為了提高六足機(jī)器人的穩(wěn)定性，保持它的靈活性，可適當(dāng)減小步長。共三十六頁四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)(shj)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)。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(fz)度，機(jī)構(gòu)越復(fù)雜(fz)，涉及到的工作 和配合越多，制作的精度就不容易保證。（2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)系到運(yùn)動的最終狀態(tài)，決定運(yùn)行的姿態(tài)。

8、（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)最終保證整個機(jī)器人系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。共三十六頁理論根據(jù)與機(jī)構(gòu)(jgu)選擇共三十六頁步行機(jī)構(gòu)對于設(shè)計(jì)機(jī)器人是極為重要的，設(shè)計(jì)時根據(jù)上面的原則及實(shí)際三維建模進(jìn)行選擇，并且(bngqi)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)簡圖。 圖2-1所示實(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。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，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。它是一個基礎(chǔ)，雖然不能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動，但卻是我們選擇這種步行機(jī)構(gòu)的起源，促使尋找確定可行的方案。主要是參考了鶴式起重機(jī)的變幅機(jī)

9、構(gòu)，和挖土機(jī)的臂部結(jié)構(gòu)。圖2-2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。主要原因：（1）可以毫無限制的提高腿的尺寸，從而說整個身體能站的比較高（2）不會因腿部放大而放大整個機(jī)器人結(jié)構(gòu)不過設(shè)計(jì)時發(fā)現(xiàn)垂直機(jī)構(gòu)雖然足端軌跡好，但受力不好，走動過程中會發(fā)生偏移，兩組平行四邊形機(jī)構(gòu)并不好實(shí)現(xiàn)。共三十六頁圖2-3為改進(jìn)的契貝謝夫直線四桿機(jī)構(gòu)，該步行機(jī)構(gòu)用于六足機(jī)器人中，每三個足一組，著地時間為1/2個周期。如圖所示/23/2的直線段為足著地時的軌跡，3/20/2為足跨步時的軌跡。為了使D點(diǎn)的軌跡平行與地面上的E點(diǎn)，本機(jī)構(gòu)采用另一個反向?qū)ΨQ的契貝謝夫機(jī)構(gòu)，相位差為1

10、80，如圖中的點(diǎn)O,A,BC。該機(jī)構(gòu)上D點(diǎn)的軌跡與原機(jī)構(gòu)上D點(diǎn)的軌跡完全相同，但移過s的距離，故DD連線恒與BB相平行。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)。該機(jī)構(gòu)在行進(jìn)中機(jī)體基本上是水平移動。一條腿用二個主動構(gòu)件，不僅可以提高效率，而且易于控制軟件的開發(fā).本文采用雙重平行四邊形機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)(shxin)足端與地面的垂直,在有限的空間安排太多的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)比較困難。圖23共三十六頁圖24步行(bxng)腿機(jī)構(gòu)原理圖共三十六頁為了解決該問題我們采用如下方案，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

11、安裝一個舵機(jī)使其實(shí)現(xiàn)向前擺動的。該機(jī)構(gòu)不僅解決機(jī)構(gòu)空間布置的難題而且還是機(jī)器人的轉(zhuǎn)向(zhunxing)更加靈敏。共三十六頁步行腿機(jī)構(gòu)(jgu)系統(tǒng) 六足機(jī)器人兩側(cè)的步行腿系統(tǒng)均相同，行走時一側(cè)一條腿與另一側(cè)的前后兩條腿運(yùn)動步態(tài)一致，故采用(ciyng)同一個電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動,實(shí)現(xiàn)腿部的六足機(jī)器人在直線行走過程中需要左拐時，關(guān)閉機(jī)體左側(cè)電機(jī)電源開關(guān)，接通右側(cè)電機(jī)。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。同理，關(guān)閉右側(cè)電機(jī)，接通左側(cè)電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)向右轉(zhuǎn)彎功能。當(dāng)兩側(cè)一舵機(jī)正轉(zhuǎn)，另一個反轉(zhuǎn)時，機(jī)體兩側(cè)對應(yīng)的步行腿做相

12、逆的旋轉(zhuǎn)擺動運(yùn)動，可實(shí)現(xiàn)機(jī)體原地轉(zhuǎn)彎掉頭的功能。共三十六頁共三十六頁設(shè)計(jì)說明本連桿機(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?，F(xiàn)在有很多關(guān)于連桿軌跡特性曲線的專著，通過程序設(shè)計(jì)出曲線圖譜，供設(shè)計(jì)查詢使用，但機(jī)器人的設(shè)計(jì)中并不能直接使用其結(jié)論，曲線圖譜是關(guān)于直線連桿機(jī)構(gòu)的，與曲桿的關(guān)系不大，但機(jī)器人的設(shè)計(jì)用一些曲桿更好一些。在材料的選擇(xunz)上，AB桿與CD桿用的是mm的鋁板，BCE桿的是膠木板寬度均是mm，這樣可以盡量減輕機(jī)構(gòu)的重量。電機(jī)輸出軸配合孔采用線切割加工，可以保證緊密配合。共三十六頁設(shè)計(jì)(shj)參數(shù)連桿尺寸LAO= 7mm,LCD= 20mm,LBC= 20m

13、m,LBO= 15.6mm，LBB=5.6mm 連桿各個部分符合契貝謝夫直線機(jī)構(gòu)，見圖2-1 滿足CB = CA = CD CA:OB:OA = 1:0.78:0.35 機(jī)身高度設(shè)置為H=35mm,LDE=70mm,在正前方運(yùn)行時，前腿和后腿(hu tu)之間不會發(fā)生相互干涉，其中身體上兩伸出臂距離是111.3mm電機(jī)軸與連桿的動力輸入軸能夠緊密配合。共三十六頁 舵機(jī)驅(qū)動(q dn)原理驅(qū)動原理： 仿生六足機(jī)器人利用的是電動驅(qū)動的方法，舵機(jī)是經(jīng)常選用的驅(qū)動器，它選用的是微型直流角位移伺服電動機(jī)。直流電機(jī)，減速齒輪，電位計(jì)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，具體的脈沖的規(guī)律圖

14、如下所示，當(dāng)然了轉(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)?0度，這樣就可以(ky)控制腿部的前進(jìn)和后退共三十六頁 舵機(jī)控制(kngzh)方法 電源線、地線、控制線是標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)的三個重要組成部分 舵機(jī)內(nèi)部的電機(jī)與線路靠電源線和地線維持，電壓的大小大約為5V，當(dāng)輸入可調(diào)的周期性信號（方波脈沖）是，舵機(jī)的轉(zhuǎn)角就會和信號相關(guān)聯(lián)，同時變大變小。舵機(jī)需要一個可調(diào)寬度的方波信號，這也是舵機(jī)的控制信號，可以以此(y c)來控制舵機(jī)。（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)。這里主要對機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，單片機(jī)電子部分就暫不過多研

15、究了。共三十六頁六足機(jī)器人主體(zht)設(shè)計(jì)機(jī)身：通過大多數(shù)的昆蟲的外形觀察，可以發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的生物機(jī)體(jt)大小類似于一個橢圓，通過查閱一些資料可以發(fā)現(xiàn)采用近似菱形的機(jī)體(jt)的多足機(jī)器人可以減少腿部之間的碰撞，另一方面還使機(jī)體(jt)更加的穩(wěn)定，因此仿生六足機(jī)器人機(jī)體(jt)采用近似橢圓的變六邊形框架結(jié)構(gòu)，機(jī)體(jt)的材料選擇鋁合金以減輕機(jī)器人重量共三十六頁腿部的設(shè)計(jì)(shj)腿部結(jié)構(gòu)是機(jī)器人身體里主要的部分，根據(jù)仿生學(xué)的知識，自然界的昆蟲(knchng)的腿部結(jié)構(gòu)大致為：基節(jié)，股節(jié)，脛節(jié)，三個部分，而圍繞著跟關(guān)節(jié)，髖關(guān)節(jié)，和膝關(guān)節(jié)，還有踝關(guān)節(jié)和腳。本文采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其直線行走和

16、轉(zhuǎn)彎功能的。三角架交替的變換使機(jī)身能向前運(yùn)動，他們每組都支撐機(jī)體的重量，并在負(fù)重的狀態(tài)下使機(jī)體的前行，所以適應(yīng)的剛性和承載能力是非常重要的。所以對承載能力有著限制。共三十六頁足機(jī)器人的足部要安裝壓力傳感器，所以腳步結(jié)構(gòu)需要突起的一部分， 因?yàn)橹虚g需要放置傳感器所以需要突起一部分來使得壓力傳感器能更好的傳遞壓力信息，具體的零件尺寸看其cad圖紙。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(hunjng)的特點(diǎn)。如下圖所示：共三十六頁足的基本尺寸腳通過直徑為4的螺釘(ludng)螺母來連接小腿共三十六頁小腿(xiotu)為了簡化舵機(jī)架在小腿的作用所以把舵機(jī)架簡化到小腿上

17、去，小腿的作用一方面來連接腳，另一個就是來安裝固定(gdng)住膝蓋部分的舵機(jī)，從而使其更好的轉(zhuǎn)動，小腿的基本尺寸如下圖所示，為了減輕他的重量所以采用鋁合金制作，和舵機(jī)相連接部分是采用螺栓連接共三十六頁小腿(xiotu)小腿(xiotu)尺寸共三十六頁大腿(dtu)大腿部分的作用是作為連接小腿和機(jī)身兩者之間的關(guān)鍵點(diǎn)，他們兩兩之間是通過舵盤和螺釘連接，當(dāng)跟關(guān)節(jié)的舵機(jī)轉(zhuǎn)動時，（從機(jī)身舵機(jī)角度看過去），舵機(jī)帶動大腿的轉(zhuǎn)動從而帶動小腿和足的運(yùn)動，當(dāng)足落地后，接觸到地面，產(chǎn)生了力，然后力矩通過小腿到大腿向上傳遞，傳遞上去(shng q)的扭矩使機(jī)器人的軀體運(yùn)動。大腿的設(shè)計(jì)圖主要如下圖8：通過兩段弧連接兩個圓使其成為大腿。兩個圓的直徑為M24，圓上打上4個螺紋孔來連接舵機(jī)機(jī)構(gòu)。共三十六頁大腿(dtu)大腿(dtu)尺寸圖共三十六頁共三十六頁熱火朝天(r hu cho tin)的討論共三十六頁謝謝(xi xie)！共三十六頁內(nèi)容摘要小組成員：陳森 周義恒 趙晨光