六足式步行机器人运动机理与步态分析毕业论文

论文

目录

摘 要 ............................................... I abstract .................................................... II

1 绪 论 ............................................ 1 1.1国外机器人的研究现状 ..................................... 1 1.2机器人的主要研究问题 ..................................... 3 1.3机器人的发展趋势 ......................................... 5 1.4本课题所研究的主要容 ..................................... 6

2 机械机构设计 ........................................ 6 2.1机构分析 ................................................. 6 2.2 设计方法 ................................................ 12 2.3四连杆机构的设计 ........................................ 13 2.4四个钣金零件设计 ........................................ 28

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2.5 躯体部分机构设计 ........................................ 33 2.6 机构设计总结 ............................................ 34

参考文献 ............................................ 35 致谢 ............................................... 37附 录一 ............................................. 50附录二 .............................................. 61WORD版本 .

1 绪 论

1.1国外机器人的研究现状

1.1.1机器人的定义

机器人是上个世纪人类最伟大的发明之一，而从机器人的角度来讲，21世纪将是一个自治机器人的世纪。随着机器人的工作环境和工作任务的复杂化，要求机器人具有更高的灵活性、可靠性、准确性、稳定性和更强的适应性。机器人技术是研究机器人工程技术的学问。关于机器人各国有不同的定义，其中一种定义得方法是“机器人是可通过感觉与智能进行作业的并具有与人或动物相似的外观和机能的机械”。上述的定义是强调“可进行作业”的性质。而机器人的感觉机能和移动即能只不过是进行作业是必要的辅助技能而已。这里所说的作业并不是单一的简单工作，而是能够进行多种动作的作业。即具有通用性（或柔性）工作能力。例如，数控机床加工工件的能力虽然很强，但是它不能进行其它的作业，所以不能称它为机器人，此外数控机床的外观也很少有与生物相似之处。

按照上述的定义，机器人具有以下几个特点：一是有人类的功能，比如说作业功能、感知功能、行走功能，能完成各种动作；另一个特点是根据人的编程能自动工作，由于它通过编程才能改变它的工作、动作，工作

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的对象和一些要求。一般来说我们认为机器人是计算机控制的可以编程的目前能够完成某种工作或可以移动的自动化机械。

虽然机器人的模型是动物或人，但是企图给机器人赋予人类那样的高度机能是不可能的。例如，在需要高级的认识与判断的地方，还必须有人的帮助，就是非常高级的机器人也还必须进行人机对话才行。

1.1.2国外机器人的研究现状概述

移动机器人近年来朝着智能化、多样化和集成化方向发展。未来的移动机器人应该具有行动决策和规划，以及自动执行规划能力，集人工智能、智能控制、信息处理、检测与转换等专业技术为一体的系统。自然界生物的运动行为和某些机能已成为机器人学者进行机器人设计，实现其灵活控制的思考源泉，导致各类仿生机器人不断涌现。仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状或某些机能的机器人系统。仿生机器人的类型很多。其中步行机器人成为机器人研究的一个热点，步行是人类或有腿动物的独特的运行方式，是自然界中最为灵活的移动形式。步行机器人是以模拟这种方式来实现自身运动的一类特殊的机器人，它具有良好的地形活动性，可以相对较易的跨过较大的障碍（如沟，坎等）。并且机器人的本质具有的大量的自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凹凸不平的地形的适应能力更强，由于立足点是离散的，距地面的接触面积较小，可以在可达到

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的地面上选择最优支承点，即使在表面极度不规则的情况下，通过严格选择足的支撑点，也能够行走自如。

现今国外得到业认同的轮腿混合式移动机器人主要是火星/月球漫游车，有的在研发中，有的己经发射成功。前苏联Lunokhod月球探测车美国JPL的Sojourner火星探测车。 该机器人采用六轮摇臂悬吊式结构，即有6个独立悬挂的驱动轮，传动比为2000:1，因而能在各种复杂的地形中行驶，特别是软沙地。此外该机器人的四个角轮具有独立驱动和控制能力。本机器人是真正意义上的六轮腿式移动机器人。日本本田公司和大阪大学联合推出的P2和P9型放人步行机器人代表了当今世界的最高水平。美国的MIT Leglab 有两个小组在从事仿人步行机器人的研究，已完成的项目包括一个重22kg的平面型机器人。Keisuke Arikawn 等研究的TITAN-VII型四足机器人能够以稳定的方式在不平的地面行走，可以以非接触方式绕过地面上的障碍，能够向任何方向运动，同时腿的自由度可以用于工作。俄罗斯罗伊斯公司在为英国核潜艇建造并保养压力水反应堆时应用了蛇形机器人，它将用于太空的探索，其是由简单的低自由度组件组成的高柔性、高冗余性的蛇形机器人。1999年日本研制的宠物狗AIBOERS-110具有18个关节，每个关节由伺服电机驱动以保持柔性运动。CWRU的仿生机器人试验室研究了基于蟋蟀运动机能的机器人，其共有六条腿，后两条腿较长，有两个关节，各腿的运动通过压缩空气来驱动，它可以在一定围行走和跳

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跃，能够适应粗糙地带和障碍。

国一些研究院所，如北航、北科大、国防科大、东南大学、自动化所和哈工大等进行了仿生机器人的研究。工业大学月球车：轮腿式结构是现今最流行的行星探测车结构，虽然与国外的水平还有不小的差距，但国家政府在这方面也加大了投入力量，现在一些高等院校和科研机构相继开展了有关轮腿式机器人方面的研究工作，也取得了一定的成果。 工业大学调动各院系的优势，共同成立了研究“月球车”的课题组，其中包括航天学院、机电学院等，研究的侧重点各有不同。其中，航天学院的研究侧重点是月球车的导航、控制系统；机电学院的研究侧重于车体的研究。研究经费以自筹为主，具体研究情况仍处于状态。2003年12月，工业大学展示了近期研制的三款月球车原理样车，分别为“六轮摇臂—转向架式”、 “两轮并列式”和“行星轮式”。

1.2机器人的主要研究问题

1.2.1建模问题

仿生机器人的运动具有高度的灵活性和适应性，其一般都是冗余度或超冗余度机器人，结构复杂。运动学和动力学模型与常规机器人有和大差别，且复杂度更大，为此，演练建模问题，实现机构的可控化是研究仿生机器人的关键问题之一。

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1.2.2控制优化问题

机器人的自由度较多，机构越复杂，必将导致控制系统的复杂化，复杂巨系统的实现不能全靠子系统的堆积。要做到“整体大于组分之和” ，同时要研究高优化的控制算法才能使系统具有实时处理能力。

1.2.3信息融合问题

在仿生机器人的设计开发中，为实现对不同物体和未知环境的感知，都装备有一定量的传感器，多传感器的信息融合技术是实现其具有一定智能的关键。信息融合技术把分布在不同位置的多个同类或不同类的传感器所提供的局部环境的不完整的信息加以综合，消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾，从而提高系统决策、规划、反应的快速性和正确性。

1.2.4机构设计问题

合理的机构设计是仿生机器人实现的基础。生物的形态经过千百万年的变化，其结构特征极具合理性，而要用机械来完全仿制生物体几乎是不可能的，只有在充分研究生物肌体结构和运动特性的基础上提取其精髓进行简化，才能开发全方位关节机构和简单关节组成高灵活性的机器人机构。

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1.2.5微传感器和微驱动问题

卫星仿生机器人有些已不是传统常规机器人的按比例缩小，它的开发涉及到电磁、机械、热、光、化学、生物等学科。对于微型仿生机器人的制造，需要解决一些工程上的问题。如动力源、驱动方式、传感集成控制以及同外界的通讯等，实现微传感和微驱动的一个关键问题是机电光一体结合的微加工技术。同时，在设计时必须考虑到尺寸效应、新材料、新工艺等问题。

1.3机器人的发展趋势

先进制造技术的发展对仿生机器人的研究正起着积极的促进作用，随着先进制造技术的发展，工业机器人也从当初的上下料功能向高度柔性、高效率的精密装配工能转化。因此，开发面对先进制造环境的仿人机械臂及灵巧手有大量的理论与实践工作要做。

目前运行的绝大多数机器人都是固定的，它们只能固定在某一位置上进行操作。因而其应用围和功能受到限制。近年来，对移动机器人的研究受到越来越多的重视，使机器人能够移动到固定式机器人无法达到的预定目标，完成设定的操作任务。移动机器人中绝大多数是仿生机器人，包括步行机器人和爬行机器人等。仿生移动式机器人在工业、农业和国防上具有广泛的应用前景，它们能用于卫星探测、军事侦察、危险的废料处理以

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及农业生产中。

为了开拓机器人新市场，向非制造业扩展是机器人发展的一个重要方向。在非制造业中的治疗、娱乐和社会福利等方面的仿生机器人有很好的发展前景。如用于外科手术的多指收、仿生机器人玩具、老年人或卧床不起病人护理机器人和人工肢等。

科学家预言，21世纪的尖端技术之一是微型机器人。仿生机器人可用于小型管道进行检测作业，可进入人体肠道进行检查和实施治疗而不伤害人体，也可以进入狭小的复杂环境进行作业。因此，机器人的小型化和微型化是一个发展趋势。

1.4本课题所研究的主要容

本文所设计的六足机器人，是以契贝谢夫直线四杆机构作为行走机构，通过减速步进电机带动四杆机构的旋转运动来完成连杆曲线轨迹，行走采用了三角步态，（即六足分为两组，身体一侧的前、后足及对侧的中足各作为一组，组成一个稳定的三角支撑，实现昆虫的快速运动。本文所设计的六足机器人具有6个支撑足，模仿了昆虫的行走步态，能够在平地上前进、后退、左右转弯，在遇到障碍时能自行避开。）分成两组运动，实现身体的稳定前移，利用伸出臂电机的旋转，来改变机器人前进的方向，步进电机通过单片机系统进行控制，从机驱动步进电机，主机通过串行通信协调各

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个单片机，主从机的配合就能实现步进机器人走直线，转弯等设计要求。

设计过程中，尽量选择了可以实现的方式。因为不仅要求设计步行机器人，我们还要在现有的条件下实现，而且时间很短，要设计性能良好的机器人也不太可能，不过我们是通过动手实践，自己设计，自己制作，自己调试完成的，会珍惜这样的机会，尽可能的锻炼自己。设计的关键问题是机器人的运动，决定这个的因素是多方面的，比如我们设计的钣金件都是手工划线，手工制作的，精度很难保证等。

2 机械机构设计

2.1机构分析

2.1.1整体结构设计

图2.1.1所示为六足机器人系统结构简图。该机构结构较为简单，由躯干部分及六足、拉杆和直流电机组成。该机器人共有六条腿，每条腿上装有两台步进电动机，一个步进电动机旋转带动四连杆机构，实现基本的走直线匀速运动；另一个电机安装在伸出的臂上，带动整个腿的模块的旋转，完成在一定围的摆动，这两个电机的配合协调，就能够实现整个机器人的较复杂的运动。

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图2.1.1 设计机器人系统结构图 2.1.2步态的原理及设计

步行机构的行走方式分为静态行走和动态行走两类。静态行走方式是指步行机构在行走过程中始终有三只以上的足同时着地；动态行走方式是指除此以外的其他行走方式。更准确的说，静态行走时指步行机构在行走过程中，其重心总是处于稳定支撑平面。支撑平面是指支撑足之间所组成的多边形。为获得较好的稳定性，本文设计将六足分为两组，身体一侧的前足、后足及一侧的中间足做为一组，形成一个稳定的三角支撑。两组足交替地摆动和支撑，实现机构的移动。

理论上而言，六足可供选择的步态较多，但也应该遵守一般的准则：①所选步态应符合动物的行走习惯。经验和理论分析表明，动物的行走方式是自然界中最合理的，这些行走方式是自然界中最合理的，这些行走方式不仅能使步态机构平衡，而且能使所消耗的能量减少到最低程度。②所

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选步态应使控制尽可能简单。和动物行走不同，步行机构的行走必须加以人为的控制，如果所选步态存在控制上的困难甚至难以实现，显然意义是不大的。综合考虑这两条准则以及机构的整体构成，对机构的行走步态作以下规划。

Ⅰ.前进时的步态行走

六足机构前进时的行走步态如图2.1.2所示。六足机构开始运动时，左侧的2号腿和右侧的4、6号腿抬起准备向前摆动，另外3条腿1、3、5处于支撑状态，支撑机器人本体确保机器人的原有重心位置处于3条支撑腿所构成的三角形，使机器人处于稳定状态不至于摔倒（见图2.1.2(a)）,摆动腿2、4、6向前跨步（见图2.1.2（b）），支撑腿1、3、5一面支撑机器人本体，一面在驱动电机和四杆机构的作用下驱动机器人本体，使机器人机体向前运动了半个步长S（见图2.1.2（c））。

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图2.1.2 六足机器人前进时的步态示意图

在机器人机体移动到位时，摆动腿2、4、6立即放下，呈支撑态，使机器人的重心位置处于2、4、6三条支撑腿所构成的三角形稳定区，原来的支撑腿1、3、5已抬起并准备向前跨步（见图2.1.2

（d）），摆动腿1、3、5向前跨步（见图2.1.2（e）），支撑腿2、4、6此时一面支撑机器人本体，一面驱动机器人本体，使机器人机体又向前运动了半个步长S（见图2.1.2（f）），如此不断从步态（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）、（a），循环往复，周而复始实现机器人不断向前运动。 II.转弯时的行走步态

图2.1.3是六足机构右转时的行走步态。六足机构开始运动时，左侧的2号腿和右侧的4、6号腿抬起准备向前摆动，另外3条腿1、3、5处于支撑状态，并形成一个三角形支撑区域（见图2.1.3（a））;着地的足1和

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足3项对躯体向后摆动一定角度，实现躯体相对地面的第一步转动（见图2.1.3（b））；如图2.1.3所示，此时躯体的位姿已相对上一位姿摆动一个角度α。悬空的足4和足6相对躯体向后摆动一个角度（见图2.1.3（c））；足2的足5反方向摆动一个角度，使足1、足3、足5悬空，足2、足4足6着地（见图2.1.3（d））；着地足4和足6相对躯体向前摆动一个角度，实现躯体相对地面的第二步转动（见图2.1.3（e））；如图2.1.3（g）所示，此时躯体的位姿已相对上一位姿又转动了一个角度α；悬空的足1和足3相对躯体向前摆动一个角度（见图2.1.3（f））。如此（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）、（a）往复循环，便可实现六足机构向右转动。左转则依次类推。

在整个周期中包含6步，一个周期可实现机构转动2α角。

α

图2.1.3 转弯时的步态图

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2.1.3 腿部动作与占空系数

图2.1.4为一个步行周期T中六足机器人的摆动相与支撑相的交替过程。根据占空系数β的大小可分为3种情况：（1）β=0.5，在三摆动腿着地的同时，另外三支撑腿立即抬起，即任意时刻同时只有支撑相和摆动相（见图2.1.4（a））；（2）β＞0.5，机器人移动较慢时，摆动相与支撑相有一短暂的重叠过程，即机器人有六条腿同时着地的状态（见图2.1.4（b））；β＜0.5，机器人移动较快时，六条腿有同时为摆动相的时刻，即六条腿同时在空中，处于腾空状态（见图2.1.4（c）），显然此交替过程要求机器人机构具有弹性和消振功能，否则难以实现。本文所研究的六足机器人的步态是β=0.5时的状态。

图2.1.4 机器人三角步态的摆动相与支撑相

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2.1.4 六足机器人的足端运动轨迹曲线的确定

在进行步行机构的运动仿真设计时，如果将腿直接连在轴上则足端曲线为圆形。这样机器人的运动将会呈半圆状起伏，如果能够使的足端轨迹在触地的部分保持平整就可以保持机器人的平稳前进。况且步行机器人要求有很强的环境适应能力，它必须能够在平面、台阶上稳定的行走，又能跨过障碍、横沟，不同的路面对轨迹曲线有不同的要求：对于平地路面要求有一定的速度，对于台阶要求能够抬起并通过，对障碍物要求顺利跨越，可见足端运动轨迹的选择度与步行机器人来说显得非常重要。

选择足端运动轨迹曲线时应主要考虑以下问题：

（a）曲线的高度比：曲线的高度比直接反应出曲线的运动特性。该比值越大则足端运动轨迹曲线越高，相应的跨越台阶的能力就越强同时前进特性（运动速度）就越差。

（b）曲线弧长：在曲线宽度一定的情况下，曲线长度越长，在空中的运动时间就越长，这将直接影响到摆动腿的速度，进而影响到步行机的运行速度。曲线弧长越短，运动时间就越短，但相应的跨越能力就越差。

2.2 设计方法

模块化设计方法：

机电一体化设备可设计成由驱动、传感器、控制器、执行元件和机械

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本体组成五个要素的功能部件组成，也可以设计成由若干功能子系统组成，而每个功能部件或功能子系统又包含若干组成元素，这些功能部件组成一个功能模块，每个功能模块可视为一个独立体，能够完成具体的功能。 柔性设计方法

将机电一体化系统中完成某一个功能的传感元件，执行元件和控制器作为一个功能模块，如果控制器具有可编程的特点，则该模块就成为柔性模块，采用计算机编程还可以进一步提高驱动模块的柔性。

该机器人的整个设计过程遵循了上述的两个基本原则，机械机构设计中，每一条腿均作为一个基本模块，其中有一个铰链四杆机构作为执行元件，该机构是机器人可以运动的关键，它的功能就是能够在电机的整圈旋转过程中，实现机器人脚足端的抬起、悬空、落下和地面上的相对运动。每个上面两个步进电机，作为腿部机构的驱动器；两个传感器，用来作为机器人旋转位置的信号，实现机器人自身可识别的准确运动，可旋转的一块钣金组件，四连杆机构及其驱动电机按在上面；一个伸出的臂板钣金组件，上面安装了控制旋向的步进电机，支撑整个腿部机构。整个机器人机构的设计是围绕其中一条腿的设计展开，确定机构运动方案。

2.3四连杆机构的设计

机器人设计过程中，腿部的四连杆执行机构采用了契贝谢夫直线四杆

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机构。在前期时参考了不少有关腿部机构的资料，这个机构的选择很重要，主要原因如下：

（1） 执行机构决定了整个系统的复杂度，机构越复杂，涉及到的工作

和配合越多，制作的精度就不容易保证。

（2） 执行机构关系到运动的最终状态，决定运行的姿态。 （3） 执行机构最终保证整个机器人系统功能的实现。

2.3.1理论根据与机构选择

图2.3.1 图2.3.2

步行机构对于设计机器人是极为重要的，设计时根据上面的原则及实际三维建模进行选择，并且根据实际要求进行了设计，上面图示为六足机

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器人一条腿的机构简图。

图2.3.1所示实现步行基本动作的契贝谢夫直线机构，主动杆OB转动时，从动杆端点D端画出包括一段直线的闭合轨迹。这并不是一种实际可行的步行机构，并不能实现需要的运动，只是表明了一组轨迹，它能够实现腿的抬起、落下及一段直线运动。它是一个基础，虽然不能实现运动，但却是我们选择这种步行机构的起源，促使寻找确定可行的方案。主要是参考了鹤式起重机的变幅机构，和挖土机的臂部结构。

图2.3.2为使足部杆DE与机体始终保持垂直状态的二重平行四边形机构，这是一种比较理想的选择。主要原因：

（1） 可以毫无限制的提高腿的尺寸，从而说整个身体能站的比较高 （2） 不会因腿部放大而放大整个机器人结构

不过设计时发现垂直机构虽然足端轨迹好，但受力不好，走动过程中会发生偏移，两组平行四边形机构并不好实现。

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θ=0'θ=3π/2θ=πθ=π/2'¦Θ'Δ'''

图2.3.3

图2.3.3为改进的契贝谢夫直线四杆机构，该步行机构用于六足机器人中，每三个足一组，着地时间为1/2个周期。如图所示π/2∽3π/2的直线段为足着地时的轨迹，3π/2∽0∽π/2为足跨步时的轨迹。

为了使Q点的轨迹平行与地面上的R点，本机构采用另一个反向对称的契贝谢夫机构，相位差为180°，如图中的点C′P′M′O′。该机构上Q′点的轨迹与原机构上Q点的轨迹完全相同，但移过△s的距离，故QQ′连线恒与OO′相平行。用QQ′的中垂线上的R′点作足尖，其轨迹必于Q、Q′的轨迹相同，适于作六足机器人的步行机构。该机构在行进中机体基本上是水平移动。一条腿用二个主动构件，不仅可以提高效率，而且易于控制软件的开发，但对于本设计不太适合，反对称机构解决了受力问题，但增

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加了机构的复杂程度，对于配合的要求更高，不符合设计要求；还增加了动力源的数目使控制系统更为复杂。

在选择时是下了一番工夫的，决定采用这种机构因为是它能比较好的完成一个周期的运动。如图2.3.1的轨迹所示，如果找到一种构件能够实现D点的运动，就能做到腿的提起、空中移动、落下和与地面的摩擦运动实现身体的前移。这种运动方式比较灵活，即使每条腿上只有一个电机，也可以实现匀速直线运动，变速直线运动，这些对于学习控制都是很有实际意义的。

设计中考虑到制作的复杂度，以及最后执行的准确度，就尽量采用简化的构件，本文没有采用双重平行四边形机构来实现足端与地面的垂直，主要做的机器人比较小，在有限的空间安排太多的运动实现比较困难。经过一段时间的试验，主要根据SOLIDWORKS三维仿真和作图轨迹，决定采用一个57°的弯杆来实现。

2.3.2 设计参数

（１） 连杆尺寸Lab = 7mm,Lcd = 20mm,Lad = 15.6mm,Lbe = 40mm Lce =

60mm

连杆各个部分符合契贝谢夫直线机构，见图2.3.3, 满足 PM = MQ = MO

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PM:CO:CP = 1:0.78:0.35

（２） 在正前方运行时，前腿和后腿之间不会发生相互干涉，其中身体上

两伸出臂距离是116mm.

（３） 电机轴与连杆的动力输入轴能够紧密配合。

图2.3.4 连杆机构图

2.3.3设计说明

本连杆机构以契贝谢夫直线机构为基础，但并不是单纯应用轨迹特性曲线。现在有很多关于连杆轨迹特性曲线的专著，通过程序设计出曲线图谱，供设计查询使用，但机器人的设计中并不能直接使用其结论，曲线图谱是关于直线连杆机构的，与曲杆的关系不大，但机器人的设计用一些曲杆更好一些。

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在材料的选择上，AB杆与CD杆用的是５mm的铝板，BCE杆的是胶木板宽度均是８mm，这样可以尽量减轻机构的重量。电机输出轴配合孔采用线切割加工，可以保证紧密配合。

2.3.4足端轨迹分析

仔细分析足端的轨迹是重要的，要研究做成的机器人如何运动，就需

要明确的知道旋转轴转过一定角度后足端到达了什么位置，这点搞清楚了，才能很好的利用轨迹，对运动的控制才可以顺利进行。

四杆机构的特性参数由实际参数可知此契比谢夫四杆机构为曲柄摇杆机构。（为方便计算，在这里只考虑四边形ABCD。）  压力角和传动角

在图2.3.5所示的原动杆AB通过连杆BC作用在铰链C上一个驱动力，使从动的摇杆CD绕D点转动。将这驱动力F分解为两个分力：沿受力点C的速度vC方向的分力Ft和垂直于vC方向的分力Fn。驱动力方向与从动杆

FtFcos上受力点速度方向所夹的锐角称为压力角，则

FsinFnWORD版本 .

图2.3.5 曲柄摇杆机构的传动角

其中，Ft是使摇杆C摆动的有效分力;而Fn是使传动副C上产生附加径向压力的有害分力。当压力角愈小时，Fn愈小，同时Ft愈大。故压力角愈小愈好。压力角的余角称为传动角。传动角却愈大愈好。在机构的运动过程中，传动角的大小是不断地变化的。如图中所示，当曲柄AB转到AB1位置与机架重合时，连杆BC与摇杆CD的夹角最小，此时传动角1minmin，且

2221BCCDADABmincos2BCCD202015.67cos220202212

=24.8°

当曲柄AB转过180°到AB2位置时，连杆BC与摇杆CD的夹角有最大

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221BCCDADABcos2BCCD22212max值max，且

202015.67cos22020

=68.8°

2max;当max90o时,2180omax在一个运动循当max90o时，环期间，有最小值

min，它是1和2之中的小值。即

minMin1;224.8°

 行程速度比系数和死点位置

当曲柄摇杆机构中曲柄AB与连杆BC在同一条直线上时，摇杆CD有外极限位置，如图2.3.6中AB1C1D所示。这时c有最小值cmin,

cmin22o1CDADBCAB 180cos2CDAD222212015.6207 =180°-cos

22015.6 =82.1°

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图2.3.6 曲柄摇杆机构的极限位置

221ABBCADCD其对应的曲柄角Aicos

2BCABAD22172015.620 =cos

22072022 =58°

当曲柄AB与连杆BC重合时，摇杆CD有极限位置，如图中AB2C2D所示。这时c有最大值cmax。

cmax22o1CDADBCAB 180cos2CDAD222212015.6207 =180°-cos

22015.6 =.5° 其对应的曲柄角 Aa222(BCAB)ADCDcos1180

2(BCAB)ADWORD版本 .

(207)215.62202 =cos+180°

2(207)15.61 = 268.3° 摇杆的摆角可用下式计算

cmaxcmin222 CD2AD2(BCAB)21CDAD(BCAB)coscos2CDAD2CDAD122220215.62(207)212015.6(207)cos=cos=57.4°

22015.622015.61其对应的曲柄角为

AaAi=268.3°-58°=210.3° 摇杆的行程速度比系数K可用下式计算

210.3o K==1.4 o360360-210.3当从动杆上的传动角0（或压力角90）时，驱动力对从动杆的有效回转力矩为零，这位置称为机构的死点位置。在曲柄摇杆机构中，摇杆作为原动件，则摇杆在、外极限位置时，机构处于死点位置。

通过以上分析可得出四杆机构的基本运动轨迹，如图中间的加粗黑线表示四连杆机构运行过程中的一个典型状态。４０表示DE段的长度是４０mm，E点的轨迹虽然没有了D点那样好的直线轨迹，但是却能够在空间划出一条比较好的曲线，它的特点是落下和提起都近似垂直，足端腾空距离大，虽然轨迹变了，但是对于要求的运动还是能完成。并且通过控制还可以实

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现平稳的匀速运动。中间弯杆的角度５７°是根据运动学仿真和作图结果决定的，不一定是最优的但也提供一种思路。只是觉得轨迹较理想，与地面的相对运动距离大，同等条件下运动速度快。

图2.3.7 轨迹１

其中AB : BC : CD : DE: CO = 0.35: 1 : 1 : 2 : 1

图2.3.8 WORD版本 .

轨迹2

角度对照表：

１杆的旋转角度（极坐标） ４杆的顺时针旋转角度

0° 45° WORD版本 15° 5330° 6345° 7460° 7975° 8290° 82105° 82120° 81° 78150° 75165° 72180° 67210° 57240° 43270° 54.

° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° °

300° 25° 330° 23°

但此设计有一点不好，就是身体离地面太近，很难实现一些跨越障碍的要求，于是就想到增加DE部分的长度，把原来的腿长增加到１.５倍，如轨迹图2.3.7和2.3.8所示。绘制的轨迹图还可以应用，但是轨迹就有较大变形。主要是DE越长，E点就越不能复现D点的轨迹。另外还有一点就是，DE部分越长，要实现最简单的向前移动，设计整个机器人的尺寸越大，这样就定DE部分是原长的1.5倍。

从角度对照表和上图的两视图可以看出，当Ｄ点在做直线运动时，Ｅ点有复现轨迹的趋势。当４杆的旋转角度在８０°左右时，Ｅ点走近似直线轨迹。行走主要是利用直线轨迹，运动方案的控制利用抬起的轨迹曲线。

图２.3.8轨迹２提供的关于运动的参数： 步长：８.６mm 步高：３４.６mm 旋转臂距地面：２６.４mm

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2.3.5设计校核

图２.3.9旋转平面图

仅验算参数２，但腿向正前方伸直时： （２３+３-６）+１２+５８+２０≤１１５

其中５８mm由图２.3.8轨迹２得到,20mm是伸出臂的宽度。

2.3.6可运动分析

自由度计算机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目称为机构的自由度。

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图2.3.10机构分析图

自由度计算公式：

Ｆ＝3n－（２PL+PN） 式中： n 活动构件数目 ＰＬ 低副数目 ＰＮ 高副数目

本机构中，Ａ.Ｂ.Ｃ.Ｄ都是移动副，活动构件n=３n 机构自由度： Ｆ＝３×３－（２×４＋０）＝１

该四杆机构能够实现自身的运动，只要各项指标达到设计要求，应该能够实现设计的运动。

2.3.7 六足机器人三角步态的稳定性分析

如图2.3.11所示：点A、B、C分别是六足机器人的左前腿、右中腿、

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左后腿在地面上的支撑点。三角形ABC是由三条支撑腿所构成的一组支撑三角形。取机器人本体的重心O为坐标原点，Y的正方向为机器人的前进方向，设支撑点A、B、C的水平坐标分别为A（XA ,YA）、B（xB,yB）、C（xC,yC）,各点的z坐标都相同，点A＇、B＇、C＇是机器人重心到支撑三角形各边的垂足点，d1、d2、d3是重心到各边的相应的距离。

直线AB的方程为：

yAyBy(xxA)yA

xAxB

图2.3.11 三角步态稳定裕量计算图 斜率

yAyB KABxAxB则直线OA的斜率

＇

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KOA'xAxByByA

其直线方程为：

xAxByx

yAyB，以上两直线AB和OA

的坐标为

‘

的交点A＇

(xAyByAxB)(yByA)(xAyByAxB)(xAxB)A22dABdAB' 式中d2AB是线段AB距离的平方。 线段OA‘长：

22dxy 1A'A'同理可得d2、d3。

则六足机器人以三角步态行走时，其最小稳定裕量判据为： d= min(d1,d2,d3)

2.3.8倒立摆模型

由于本文所设计的机器人采用三角步态，在任何时刻，同组的三条腿一起运动，三条腿的动作几乎完全一致，可以等效为一条腿，其模型如图2.3.12所示。

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图2.3.12 六足机器人腿的倒立摆运动模型

为了便于分析，本文假定机器人的质量集中于腿（连杆）的一端，并且机器人的腿（连杆）不计质量。如图2.3.12所示：M是作用在机器人上面的驱动力矩，Fx和Fy，是地面作用于机器人支撑腿上的反作用力，g是重力加速度，l是腿（连杆）长，θ是机器人支撑腿与地面在水平方向上的夹由角，此得出下式

••mxFx••myFymg （1）

••IFxsinFylcosMxlcos式中：代入式（1）并化简可以得到如下式所示的机器

ylsinq•人运动数学模型

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Ilsinlcosmlsin1001mlcosM •••2Fxmlcos•Fymlsin2mg由此模型可以得到如图2.3.13、2.3.14所示的机器人在行走时腿和地面的接触力的仿真结果。

图2.3.13水平方向上的接触力

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图2.3.14垂直方向上的接触力

2.4四个钣金零件设计

腿部机构图

图2.4.1腿部机构图

图2.4.2设计轴

现在以腿部机构图来说明四个钣金零件设计（设计图纸由附录提供）

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2.4.1 设计参数

1 旋转臂沿垂直方向，要可以往侧摆动２０°，往外侧摆动７０°。 2 传感器安装要比较方便的检测到基准信号。

3 结构要尽量轻，避免因电动机功率不够大而使机器人不能运动。

2.4.2设计说明

步进电机加上减速箱后，外形尺寸增大很多，就希望把带动板旋转的

电机有板上移动到支撑臂的部，这样可以省掉复杂的轴系联结的设计，上面的轴联结图就是最初设计的轴系，旋转板上有相应的键槽，输出轴的旋转带动整个板的摆动；改进设计后，板的旋转轴由部移到外部，直接由电动机轴带动；为了保证转动平稳，就需要在电动机伸出轴的相反侧设计旋转的轴，主要是保证足端受力时旋转板不会扭转，下侧轴是通过一个螺栓联结，步进电机下侧的第一块板攻螺纹，并保证与上面电机伸出轴的同心；紧贴的那块板件设计的旋转轴，围绕螺栓旋转。

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图2.4.3 连杆机构图

旋转板上的步进电机的输出轴带动连杆机构的短杆1整周旋转，1、2两杆螺栓与3杆连接。（最好是有铆钉铆上，我在机械机构手册上查到沉头铆钉GB/T869－１９８６－２×８，但在制作过程中并没有买到）螺栓连接不好的地方是要采取措施防松，并且不能太紧，太紧了转不动。杆２通过螺栓连接到旋转板上，其中在板上攻螺纹。

2.4.3设计校核

摆动角度校核，由于外侧可以自由旋转，只校核侧，先由脚部机构图谱抽象出分析简图，然后分析转角极限

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图2.4.4 计算侧最大摆动角图

设lCB,lCF之间的夹角为θ，根据实际情况0≤θ≤90° 由图示知：

lAB=lCB×sinθ＋lCD×cosθ＋lDE×sinθ

其中lAB=45mm，lCB=37.2mm，lCD=25.5mm，lDE=12.5mm 46=37.2×sinθ＋25.5×cosθ＋12.5×sinθ sin(θ＋arcsinφ)=0.82 其中sinφ=0.513 解得：θmax=26.9°≥20° 计算结果符合设计要求。

2.4.4 传感器的安装设计

有连杆的结构图可以看出一个传感的安装，它是根据连杆2沿旋转轴摆动，就是一个极限位置，在此处连杆2把微动开关压紧，开关闭合，可以检测到基准信号。腿部机构图上可以看出另一个传感的安装，它是把旋

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转臂的摆臂端削尖，只让平行于行走方向的位置时，尖端顶住微动开关，从而找到基准信号。（原来想用凸轮机构，但是实现过于复杂，就简化为一个顶点支撑住。）

2.4.5 材料的选择

设计过程中还要在设计参数条件下尽量减小尺寸，降低质量，所以在材料上选用的是5mm厚的铝板做的零件。钣金（Sheec Metal）零件是采用冲压和弯曲工艺制造的薄壁零件。通常用做零部件的外壳或支撑其它零件，是机械设计中常用的零件，不足之处就是钣金比较薄，有时候难于连接。 选择钣金件作为机器人支撑点，主要基于如下考虑： 1钣金件相对比较轻，适合做机器人的设计。

2钣金形状可塑性好，可以容易的做出较复杂的形状。

组件1 组件2

最后设计的钣金件看起来是较简单的，但设计也经历了漫长的选择，先由

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PRO/E自上而下建立起初步的机器人模型，然后又自上而下更改尺寸，解决机构的相互干涉，零件的定位，零件的连接等。机器人腿部机构的设计经历了多次改进，由简单到复杂，才逐渐从设想变为现实，从轴键连接到钣金件设计，几乎推翻了最初的设计。

2.5 躯体部分机构设计

2.5.1 基本参数和要求

躯体部分板长260mm,宽72mm；腿部模块的距离是116mm，腿之间不能相互干涉；躯体部分深度为50mm，比电机躯体模块电路板的板边深，其板边为40mm×50mm;主机电路板的板边要小于顶板的宽度，模板的设计尺寸260mm×80mm，保证电路板，腿部模块正确安装。

2.5.2 设计说明

身体部分是一个载体，它把机器人的各个部分连接起来。腿部模块通过螺钉连接到身体上，采用三角形或对角线形状的布置，这样可以防止腿部模块的晃动，腿部模块起着支撑身体的作用，必须解决好这个问题。

从机驱动电路板通过一个弯针连到从机插板上（电路板），插板通过螺钉连接到身体的金属底板上，这就要求设计的电路板一定要比身体部的空间小。从机插板的板边为210mm×60mm，可以放进身体，12片从机驱动

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板并排插在上面。

保证h从板＋h插板≤h躯体 h插板＋50≤60 h插板≤10

所以设计时要保证安装和插板的总厚度小于10mm。

另外身体外围还要开槽，是为了步进电机输出线连到从机驱动板上；顶板通过螺钉连接到身体上。

2.6 机构设计总结

（1） 阻碍设计的关键是动力元件的选择。该机器人设计中采用永磁步进电机，但电机外形迟迟没有定下来，而电机对于这种小型机器人的设计又有重要影响。电机校核力学模型需要自己设计；小型步进电机难以买到，只能从网上查找资料，然后订购；微型电机动力较小，需要增加减速箱，提高速度，增大力矩，这些原因一度让设计难以进行，设计之前就一定要明确动力源，建立起力学模型，校核好功率，确定明确的尺寸，这样做可以避免机构设计反复。

（2） 设计过程中要考虑加工问题，以及可装配性问题，尤其是图纸，作为机械工程师的语言，图纸一定要符合国际标准，高质量的图纸是设计实现的基本特征，作图时要注意基准统一，加工工艺性，形位公差的实现

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等。

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总 结

本文结合步行机器人的研究现状，具体阐述了一种六足仿生机器人的运动原理和机构的组成。整个系统的设计过程不仅是对自己设计水平和实践能力的一次大查阅，通过设计，也学习并熟悉了开发机电一体化系统所必需的流程。

本次设计是我们踏入社会前的最后一次设计，也是对我们这四年学习的一次大总结和应用。这不仅提高了我们的设计能力和动手水平。也为我们在踏入社会后尽快的适应新的工作岗位提供了便利。

仿生机器人的设计融合了机械原理、机械设计、动力学等专业课程还包括高等物理中的力学分析等普通课程，在设计软件方面我们采用的是AutoCAD 和 Pro/E软件。

本设计主要进行了一下几个方面的设计：

1.分析步行机器人的执行机构，讨论机构的可行性。确定机器人运动方案，包括腿的数目，机器人的步态分析。

2.步行机器人机构设计，主要是进行模块化设计腿部机构，机器人三维建模，改进机械结构设计，生成图纸并根据图纸制作机器人样件。 在设计过程中我得到了老师和同学的巨大的帮助，在这要谢谢他们并把最美的祝福送给他们，希望他们的未来会更加的美好。

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参考文献

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致谢

在两个多月的设计过程中，得到了许多老师及同学们的帮助和支持。孟娜老师对我们在设计中遇到的各种难题，给予了耐心细致的讲解。对设计中存在的问题和不足，多次给予指正。同时为此次设计提供了大量翔实可靠的技术资料供我们学习参考，在此表示深深的敬意和感谢。在运用PRO/E进行三维建模的过程中，科技大学泰山科技学院机房给予了我们很大的支持和帮助。在程序安装、软件应用等方面都为我们提供了很大的方便，在此一并表示衷心的感谢。

本次设计得以顺利完成是与老师同学们的关心支持分不开的，是各位老师同学团结一心、通力合作的结果。谨以次表达深深的谢意！

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1 introduction

Since the invention of the wheel and human made after the car, brought to life is a great advantage. From ancient wooden wheel cart has been developed to the current all kinds of vehicles, the wheels have adopted technology. Wheels for the survival of humankind and conquering nature made a significant contribution. As human activities in space for their own development - the expansion of the universe, the development of the oceans, in the absence of roads to the natural environment with wheels There are many difficulties in walking, sometimes even simply can not be moved, so the design and creation of the natural environment with a high degree of adaptability Walking on foot and the gait of research institutions become increasingly important. From 1899 Muybridge used for photographic method of animals walking, people walking on the gait for a lot of research work, especially in the last two to three decades, on the gait of the important results are emerging [122]. In the late 1960s, because of the need for the development of walking robot, McGhee summed up in the previous gait of the animal on the basis of research results, systematically presented on the gait of a series of gait analysis and description of the strict definition of mathematics [3], to lay the gait of a more complete analysis of the mathematical basis.

Gait is a walking robot to move, the leg walking robot is coordinated operation of law, namely, the legs and legroom Taitui order, it is the walk on a very

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important parameter is to ensure that agencies walk And stable operation of the very important factors. Based on the principle of bionics, the paper plane parallel use of six four-bar linkage, micro-DC motor and the corresponding slowdown twisting bodies has been developed by small size, has good mobility, flexibility and strong ability to adapt to the environment of \"micro-six foot Bio-robot. \" The robot long as 30 mm, width of 40 mm, high for 20 mm, weighing about 6. 3g. This foot-mobile micro-robot equipped with sensors and the corresponding plant, can be used for industrial and agricultural production in many areas (such as the nuclear industry in detecting cracks in pipelines, industrial and agricultural equipment detection and repair, etc.). 2 micro-six foot bio-robot movement principles of the triangle gait 1.30 gait of the robot is six foot two legs (one side of the body before the foot after foot and in the other side of the foot), in support of the three legs of the triangle on the action exactly the same, both in the swing or are in a phase Support phase.

\"Six Foot program,\" insects (roaches, ants, etc.) in the flat on the ground quickly and unhindered access of the road, more than 1.30 gait to the turn of the campaign, that is, when walking in the six foot divided into two groups, to one side of the body Foot before and after foot and in the other side of the foot as a group to form a stable tripod support worms, at the same time a group of only 103 feet from walking the role: the former Zuyong claws fixed object ahead after pulling worms , In Zuyong to support and raise their side of the body, while promoting the worm after foot forward, while making the worm turn and walking forward and slightly outward worms turn, three feet at the same time, and then with another Group 3 feet alternately, two full swing

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and so on to support, thus realizing the rapid movement of insects, walking the track line is a Juchi Zhuang curve.

Robot used 1.30 gait indicate the movement as shown in Figure 1:

Figure 1： micro-six foot bio-robot gait diagram

Robot movement began, the left and right on the 2nd leg of the four, on the 6th leg lift ready to swing forward, and three legs 1, 3, 5 in support, and support robot body to ensure that the original robot A center of gravity position in support of three legs posed by the triangle, so that robots will not fall in a stable state (see Figure 1 (a)), swinging leg 2, 4, 6 step forward (see Figure 1 (b )), With support legs 1, 3, 5 support a robot body, in a small DC motor-driven belt drive mechanism and the role of ontology-driven robot, robot forward movement of the body half a step S ( Figure 1 (c)). Mobile robots in the body in place, swinging leg 2, 4, 6 down immediately, with state support so that the robot's center of gravity position in 2, 4, 6 by the three legs

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supporting a triangular stability in the region, the original support legs 1, 3, 5 have been lifted and prepared to step forward (see Figure 1 (d)), swing legs 1, 3, 5 step forward (see Figure 1 (e)), support legs 2, 4, 6 at this time Support a robot body, a body-driven robot, robot body movement forward a half step S (see Figure 1 (f)), so continuously from the gait (a), (b), ( c), (d), (e), (f), (a), cycles, the constant cycle robot movement. 3 micro 1.30 Hexapod bio-robot design gait

Walking gait is designed to achieve one of the keys to achieve the ideal walking, consider the following requirements: (1) walk a smooth, harmonious and Jintuiziru, without shaking around and before and after impact (2) joints between the body and no more The impact, particularly in the legs of the swing, contact with the ground for a soft landing, (3) to maintain the body parallel with the ground, such as sports and always, there was no obvious fluctuations, (4) swing leg stepped quickly, legs Trajectory of the sleek, joint speed and acceleration trajectory no abnormal points (5) of the Air β coefficient of reasonable value.

3.1 and leg movements of the air coefficient

Figure 2 for a walk in the cycle T Hexapod Robot swing phase and the support of the alternative process. According to β coefficient of the size of space can be divided into three situations: (1) β = 0. 5, the three legs of the swing at the same time, another three support legs lifted immediately, or any time at the same time, or only support of the swing phase ( Figure 2 (a)); (2) β> 0. 5, slower mobile robot, the swing phase and a short-term support of the overlapping process, that is, robots have six legs at the same time in the state (see Figure 2 ( b)); (3) β <0. 5, when the robot move faster,

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have six legs at the same time as the swing of the moment, that is, six legs in the air at the same time, in a vacant state (see Figure 2 (c)), obviously This process requires the turn of robot bodies with flexibility and absorber function, otherwise difficult to achieve. The research paper by 6 foot robot gait is β = 0. 5 when the state.

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Figure 2： robot triangle gait support of the swing phase 3.2 micro-bionic foot 6-foot robot trajectory of the identification Walk in the motion simulation design, if the legs are directly connected in the axis-foot track for the round. This robot's movement will be a half-ups and downs, if he would be able to foot-path in contravention to maintain the formation of the robot can maintain the smooth progress. Besides walking robot requires a strong ability to adapt to the environment, it must be able to print and stability on the steps to walk, and can leap obstacles, Wang ditch, the road to face different trajectory curves have different requirements: the road to the plains require a certain The speed, height requirements and can be lifted over the barrier requirements across the smooth, full-trajectory that the choice of the walking robot, it is very important. Foot-trajectory chosen to be the main consideration of the following questions [3]:

(a) of the high aspect ratio: the ratio of height to width of a direct response to movement of the curve. The greater the ratio of the full trajectory of the higher end, the corresponding level beyond the capacity of the stronger forward

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at the same time (velocity) on the worse.

(b) of length: the width of certain circumstances, the longer the length of curves in the air campaign more time, this will directly affect the speed of the swinging leg, thus affecting the speed of walking. The shorter length curve, the shorter the time to campaign, but the corresponding ability to leap worse. According to walk the walk-demand, initially set foot-movement of the ratio of height to width and length curve, and then use the link on the prior series of patterns [5] (as shown in Figure 3), to find out from the map and requirements Similar to the trajectory of the curve, and then direct the four bodies found in various size parameters. In this paper, bio-robot designed by the step to 3 mm, the selected used as a robot-foot trajectory of the curve (see figure) (c) the flat part (that is, at the foot robot movement to end conflict with the part of) the length of about 3 mm, this plane can be identified in all four linkage bar for the length: Crank A = 1mm, link B = 3 mm, Rocker C = 3. 5 mm, fixed-D = 3. 5 mm.

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Figure 3： four-link curve map

4 micro-bionic robot triangle gait analysis of the stability

Shown in Figure 4: Point A, B, C respectively, is six foot robot Qiantui the left and right in the leg, left hind legs on the ground of support points. ABC is the triangle support from the three legs posed by a group of support triangle. Robot body from the center to coordinate origin O, Y direction for the robot is the way forward, a strong point A, B, C respectively, the level of coordinates A (xA, yA), B (xB, yB), C (X C, yC), z coordinates of the points are the same, point A ', B', C 'is the robot center of gravity to support each side of the triangle Chuizu points, d1, d2, d3 is the center of gravity to each side of the corresponding The distance.

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Line AB of the equation:

yAyBy(xxA)yAxAxB

Figure 2.3.11 1.30 gait stability margin in terms of plans yAyBKABSlope:

xAxB

Is a straight line OA 'of the slope

KOA'xAxByByA

Its linear equation:

xAxByx , More than two straight AB and OA

yAyBWORD版本 .

'intersection A' The coordinates

(xAyByAxB)(yByA)(xAyByAxB)(xAxB)A 22ddABAB' D2AB in-line AB is the square of distance.

22dxy Line OA 'long: 1A'A' Similarly available d2, d3.

Six-legged robot to the Triangle walking gait, their smallest margin stability criterion: d = min (d1, d2, d3)

5 feet 6 micro-bionic robot's drive and control 5.1 micro-six foot bio-robot motor drive circuit

In this paper, the design of micro-bionic six foot robot driver using the Japanese manufacturer of small DC motor drive, control programme using a PC + control box direct control. Motor drive circuit by the serial interface, serial - parallel converters, 74 LS373 latch, DAC0832, integrated operational amplifier component, as shown in Figure 5.

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Figure 5： electric drive circuit schematics

Used as a serial data communication lines, will be part of the process control instructions into a series of binary output, a serial - parallel converters for the change required by the parallel digital signal. Digital signal 74 LS373 latch latch, making control signals before the arrival of the next orders to remain unchanged. DAC0832 latch signal as the digital signal input, DAC0832 use of internal computer power standards (± 5V) as a reference power, will convert digital signals to analog signals. In order to ensure the motor-driven power, the analog signal output by adding more computing power amplifier to enlarge the composition of the DC motor to provide the current and voltage used by the DAC0832 analog output voltage direct-drive. At this point, will be controlled from the control signals, the string parallel conversion, digital-to-analog converter, the power amplifier to drive motor, thereby completing the robot movement, the robot's movement direction (forward, back) from the drive voltage Polarity control.

5.2 micro-bionic six foot robot walking speed control

By the formula [6] n = Ua - Ia (Ra + Rtj) / Ce φ motor speed can be seen in three ways: (1) changes in the motor terminal voltage Ua, which is changing armature supply voltage (2) Armature circuit in the serial conditioning resistance Rtj; (3) changes in flux φ.

For the second governor, how to join series resistance Rtj adjustment after the motor speed is always lower than the original, so this method will only speed to a low profile. Also when armature current Ia smaller, Rtj join the resistance after the voltage changes little, motor speed does not change, this method should not be used. The third method for governor, as armature circuit

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in the electrical time constant larger, this means a certain speed lags behind that of the rapid speed of the poor. In this paper, the robot designed by the first governor methods, controlled by software serial port output to a string of binary DA converters, the DA converted by the electrical voltage needed to operate the DC after the realization of the bio-robot movement control . Different from the binary can be a different voltage, the robot is not the same velocity.

6 feet 6 micro-bionic robot experiment results and analysis

According to the foregoing principles and design, produced a prototype of the bio-robot, the size of its basic structure: a long 30 mm, width 40 mm, high 20 mm, re-6. 3g. The bio-robot-kind shown in Figure 6. The prototype test results indicate that the robot stable, its walking speed to 3 mm / s, that is, per second step, but in the movement for a period of time after a short period of time stalled in situ, and the robot center of gravity is not linear trajectory similar to but Wave-shaped curve, and in theory the trajectory of a certain deviation. Analysis of its causes was mainly due to (1) the pulley skid phase accumulated to a certain extent, the phase difference between the two groups is not enough ° caused by. (2) Part of the processing error in particular, the link caused by the processing error. Linkage of the processing error caused when the foot robot trajectory inconsistencies, thus leading to the road route deviation.

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Figure 6 ：feet 6 micro-bionic robot 7 Conclusion

Based on the principle of bionics, six feet in the analysis of insect movement on the basis of established linkage map of the walking robot used for the four-link plane the size of a micro-motor, worm worm reducer, belt drive mechanism , The paper the development of a new type of \"micro-six foot bio-robot\" and the robot prototype for the experiment, the experimental results show that the robot has good mobility.

The next step of work include: the drive circuit to increase the shape memory alloy wire drive circuit, the use of shape memory alloy wire-driven robot, and more complex a more flexible gait. References:

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[9] Xiao-Yun Xu, Yan. Micro-six foot bio-robot research and 1.30 gait. Optical

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附 录一

1 引 言

自从人类发明了轮子并制成车以后,给生活确实带来了莫大的好处。从古代的木轮推车一直发展到今天形形色色的汽车,都采用了轮子技术。轮子为人类的生存和征服自然做出了重大的贡献。随着人类自身活动空间的扩大———开发宇宙、开发海洋,要在没有人工道路的自然环境下用轮子行走就有很多困难,有时甚至根本无法移动,因此设计和创造对自然环境具有高度适应能力的步行机构及对步行机构

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步态的研究显得越来越重要。从1899 Muybridge 用连续摄影方法研究动物的行走开始,人们对步行机构的步态进行了大量的研究工作,尤其是近二三十年来,关于步态研究的重要成果不断涌现[122 ] 。在60 年代末,由于开发步行机器人的需要,McGhee 在总结前人对动物步态研究成果的基础上,比较系统地给出了关于步态的一系列描述方法和分析步态的严格数学定义[3 ] ,为步态的研究分析奠定了较为完整的数学基础。

步态是步行机器人的一种迈步方式,是步行机器人各腿协调运行的规律,即各腿的抬腿和放腿顺序,它是研究步行机构的一个很重要的参数,是确保步行机构稳定运行的非常重要的因素。基于仿生学原理、本文利用六套并联平面四连杆机构、微型直流电动机及相应的减速增扭机构研制了体积微小、具有良好的机动性、灵活性及对环境适应能力强的“微型六足仿生机器人”。该机器人长为30mm,宽为40mm,高为20mm,重约6. 3g。这种足式移动微型机器人配备相应的传感器和作业装置,可用于工农业生产的许多方面(如核工业中的管道裂缝检测、工农业设备的探测和检修等等) 。

2 微型六足仿生机器人的三角步态运动原理

三角步态是六足机器人的两组腿(身体一侧的前足、后足与另一侧的中足) ,即处于支撑三角形上的三条腿的动作完全一样,均处于摆动相或均处于支撑相。

“六足纲”昆虫(蟑螂,蚂蚁等等) 在平坦无阻的地面上快速行进时,多以交替的三角步态运动,即在步行时把六条足分为两组,以身体一侧的前足、后足与另一侧的中足作为一组,形成一个稳定的三角架支撑虫体,因此在同一时间只有一组的三条足起行走作用:前足用爪固定物体后拉动虫体前进,中足用以支撑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,行走时虫体向前并稍向外转,三条足同时行动,然后再与另一组的三条足交替进行,两组足如此交替地摆动和支撑,从而实现昆虫的快速运动,其行走的轨迹线是一条锯齿状曲线。

机器人采用三角步态的运动示意如图1 所示：

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图1 微型六足仿生机器人步态示意图

机器人开始运动时,左侧的2 号腿和右侧的4 、6 号腿抬起准备向前摆动,另外3 条腿1 、3 、5处于支撑状态,支撑机器人本体确保机器人的原有重心位置处于3 条支撑腿所构成的三角形,使机器人处于稳定状态不至于摔倒(见图1 (a) ) ,摆动腿2 、4 、6 向前跨步(见图1 (b) ) ,支撑腿1 、3 、5 一面支撑机器人本体,一面在小型直流驱动电机和皮带传动机构的作用下驱动机器人本体,使机器人机体向前运动了半个步长S (见图1 (c) ) 。在机器人机体移动到位时,摆动腿2 、4 、6 立即放下,呈支撑态,使机器人的重心位置处于2 、4 、6 三条支撑腿所构成的三角形稳定区,原来的支撑腿1 、3 、5 已抬起并准备向前跨步(见图1(d) ) ,摆动腿1 、3 、5 向前跨步(见图1 (e) ) ,支撑腿2 、4 、6 此时一面支撑机器人本体,一面驱动机器人本体,使机器人机体又向前运动了半个步长S (见图1 (f ) ) ,如此不断从步态(a) 、( b) 、(c) 、(d) 、(e) 、(f ) 、(a) ,循环往复,周而复始实现机器人不断向前运动。

3 微型六足仿生机器人三角步态设计

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步态设计是实现步行的关键之一,为达到较为理想的步行,考虑下列要求: (1) 步行平稳、协调,进退自如,无左右摇晃及前后冲击; (2) 机体和关节间没有较大的冲击,特别是在摆动腿着地时,与地面接触为软着陆; (3) 机体保持与地面平行,且始终以等高运动,没有明显的上下波动; (4) 摆动腿跨步迅速,腿部运动轨迹圆滑,关节速度与加速度轨迹无畸点; (5) 占空系数β的合理取值。 3. 1 腿部动作与占空系数

图2 为一个步行周期T 中六足机器人的摆动相与支撑相的交替过程。根据占空系数β的大小可分为3 种情况: (1)β= 0. 5 , 在三摆动腿着地的同时,另外三支撑腿立即抬起,即任意时刻同时只有支撑相或摆动相(见图2 (a) ) ; (2) β > 0. 5 ,机器人移动较慢时,摆动相与支撑相有一短暂的重叠过程,即机器人有六条腿同时着地的状态(见图2 (b) ) ; (3) β < 0. 5 , 机器人移动较快时,六条腿有同时为摆动相的时刻,即六条腿同时在空中, 处于腾空状态(见图2 (c) ) ,显然此交替过程要求机器人机构具有弹性和消振功能,否则难以实现。本文所研究的六足机器人的步态是β = 0. 5 时的状态。

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图2 机器人三角步态的摆动相与支撑相 3. 2 微型六足仿生机器人的足端运动轨迹曲线的确定

在进行步行机构的运动仿真设计时,如果将腿直接连在轴上则足端轨迹为圆形。这样机器人的运动将会呈半圆状起伏,如果能够使得足端轨迹在触地的部分保持平整就可以保持机器人的平稳前进。况且步行机器人要求有很强的环境适应能力,它必须能够在平面、台阶上稳定地行走,又能够跨越障碍,横沟,不同的路面对轨迹曲线有不同的要求:对于平地路面要求有一定的速度,对于台阶要求能够抬起并越

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过,对障碍物要求顺利跨越,可见足端运动轨迹的选择对于步行机器人来说显得非常重要。选择足端运动轨迹曲线时应主要考虑以下问题[3 ] :

(a) 曲线的高宽比:曲线的高宽比直接反应出曲线的运动特性。该比值越大则足端运动轨迹曲线越高,相应的跨越台阶的能力就越强同时前进特性(运动速度) 就越差。

(b) 曲线弧长:在曲线宽度一定的情况下,曲线长度越长,在空中运动的时间就越长,这将直接影响到摆动腿的速度,进而影响到步行机的运行速度。曲线弧长越短,运动时间就越短,但相应的跨越能力就越差。根据步行机的行走要求,初步确定足端运动曲线的高宽比和曲线弧长,然后利用事先编就的连杆曲线图谱[5 ] (如图3 所示) ,从图谱中找出与要求相近的所需的运动轨迹曲线,然后直接查出该四杆机构的各个尺寸参数。本文所设计的仿生机器人的步距为3mm ,所选的用来作为机器人足端运动轨迹的曲线(见图)

(c) 的平坦部分(即机器人运动时足端触地的部分)的长度约为3mm ,由此可以确定平面四连杆机构中各个杆件的长度为:曲柄A = 1mm、连杆B =3 mm、摇杆C = 3. 5 mm、固定杆D = 3. 5 mm。

图3

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四连杆曲线图谱

4 微型六足仿生机器人三角步态的稳定性分析

如图4 所示:点A 、B 、C 分别是六足机器人的左前腿、右中腿、左后腿在地面上的支撑点。三角形ABC 是由三条支撑腿所构成的一组支撑三角形。取机器人本体的重心O 为坐标原点, Y 的正方向为机器人的前进方向, 设支撑点A 、B 、C的水平坐标分别为A ( xA , yA ) 、B ( xB , yB ) 、C( x C , yC) ,各点的z 坐标都相同, 点A′、B′、C′是机器人重心到支撑三角形各边的垂足点, d1 、d2 、

d3 是重心到各边的相应的距离。

直线AB的方程为：

yAyBy(xxA)yAxAxBWORD版本 .

图2.3.11 三角步态稳定裕量计算图 斜率

yAyBKAB

xAxB则直线OA的斜率

＇

KOA'xAxByByA

其直线方程为：

xAxByx

yAyB，以上两直线AB和OA的交点A

‘

＇

的坐标为

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(xAyByAxB)(yByA)(xAyByAxB)(xAxB)A22dABdAB'

式中dAB是线段AB距离的平方。

线段OA长：

‘

2

22dxy 1A'A'同理可得d2、d3。

则六足机器人以三角步态行走时，其最小稳定裕量判据为： d= min(d1,d2,d3)

5 微型六足仿生机器人的驱动与控制 5. 1 微型六足仿生机器人的电机驱动电路

本文设计的微型六足仿生机器人的驱动源采用日本制造的小型直流驱动电机,控制方案使用PC 机+ 控制箱进行直接控制。电机驱动电路由串行接口、串行- 并行转换器、74LS373 锁存器、DAC0832 、集成运放组成,如图5 所示。

图5 电动驱动电路原理图

采用串行口作为数据通讯线路,将由程序控制部分产生的指令转化为一系列的二进制数输出,经过串行- 并行转换器转变为所需要的并行数字信号。数字信号经74LS373 锁存器锁存,使得控制信号在下一个命令到来之前能够保持不变。锁存信号作为DAC0832 的数字信号输入端,DAC0832 利用计算机部标准电源( ±5V) 作为参考电源,将数字信号转换为模拟信号。为了保证电机的驱动功率,在模拟信号输出端加上由多级运算放大器组成的功率放大部分,提供直流电机的电流,而电压采用

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由DAC0832 输出模拟电压直接驱动。至此,将由程序控制产生的控制信号,经过串并行转换、数模转换、功率放大,以驱动直流电机,从而完成机器人的运动,机器人的运动方向(前进、后退) 由驱动电压的极性来控制。 5. 2 微型六足仿生机器人的步行速度的控制

由公式[6 ] n =Ua - Ia ( Ra + Rtj)/Ceφ可以看出电机的调速方法有三种: (1) 改变电机的端电压Ua ,也就是改变电枢电源电压; (2) 在电枢回路中串联调节电阻

Rtj ; (3) 改变磁通φ。 对于第二种调速方法,加入串联调节电阻Rtj 后的电机转速总是比原来低,因此这种方法只能将转速往低调。另外当电枢电流Ia 较小时, 加入电阻Rtj 后的电压变化不大,电机转速变化也不大,这种方法不宜采用。对于第三种调速方法,由于电枢回路中的电气时间常数较大,这种调速方法有一定的滞后,即调速的快速性较差。本文设计的机器人采用第一种调速方法,通过软件控制串行口输出一串二进制数到DA 转换器,经DA转换后得到电机运转所需的直流电压后实现对仿生机器人运动的控制。不同的二进制数可以得到不同的电压,从而机器人的运动速度也不一样。 6 微型六足仿生机器人的实验结果及分析

根据前面所述的原理和设计方案,制作了仿生机器人的样机,其基本结构尺寸为:长30mm ,宽40mm ,高20mm ,重6. 3g。整个仿生机器人的实物如图6 所示。对样机的测试结果显示机器人运动平稳, 其步行速度达到3mm/ s ,即每秒一步,但会在运动一段时间后在原地停滞一小段时间,而且机器人的重心轨迹也不是直线而是类似于波浪形的曲线,与理论上的轨迹曲线有一定的偏差。分析其原因主要是由于(1) 皮带轮打滑带来的相位差累积到一定程度后,两组足间的相位差不是180°所造成的。(2) 零件的加工误差特别是连杆的加工误差所引起的。连杆的加工误差导致机器人运动时各足轨迹不一致,进而导致行进路线出现偏差。

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图6 微型六足仿生机器人

7 结论

基于仿生学原理,在分析六足昆虫运动机理的基础上,利用连杆曲线图谱确定了用做机器人行走机构的平面四连杆的尺寸,采用微型直流电机,蜗轮蜗杆减速机构,皮带传动机构,本文研制成一种新型“微型六足仿生机器人”,并对该机器人样机进行了实验,实验结果表明该机器人具有较好的机动性。

下一步的工作包括:在驱动电路中拟增加形状记忆合金丝的驱动电路,利用形状记忆合金丝驱动机器人,实现更复杂更灵活的步态。 参考文献:

[1 ]Song Sh M , Waldron KJ . Machines That Walk : The A daptive S uspension Vehicle [M] . The MIT Press ,1989.

[2 ]Zhang C D. A Study of the Stability of Generalized Wave Gaits[J ] .

Mathematical Biosciences , 1993 , 115 :1 - 32.

[3 ]McGhee R B. Some Finite State Aspects of Legged Locomotion[J ] .

Mathematical Biosciences ,1968 ,2 (1/ 2) :67 - 84.

[4 ]蒋新松. 机器人学导论[M] . :科学技术,1994. [5 ]学荣,应瑞森,付俊庆,等. 连杆曲线图谱[M] . :,1993.

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[6 ]隆昌. 控制电机[M] . :电子科技大学,2001.

[7 ]熊翔,颜国正,丁国清,等. 基于蛇类生物的仿生变体机器人运动学研究[J ] . 光学精密工程,2001 ,9 (4) :330 - 333.

[8 ]徐小云,颜国正. 遗传算法及其在机器人控制中的应用[J ] . 光学精密工程,2001 ,9 (4) :334 - 338.

[9 ] 徐小云，颜国正. 微型六足仿生机器人及其三角步态的研究. 光学精密工程. 2002，10(4): 392-396.

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附录二

六足机器人腿部主要零部件(其配合关系见机器人腿部结构图):

零件1 零件2 零件3

零件4 零件5 零件6

零件7 零件8

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