六足爬行機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案.doc

本文的設(shè)計(jì)為六足爬蟲機(jī)器人，機(jī)器人以交流-直流開關(guān)電源作為動(dòng)力源，單片機(jī)為控制元件，伺服電機(jī)為執(zhí)行部件，機(jī)器人采用三足著地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，通過單片機(jī)對(duì)伺服電機(jī)的控制，機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)前進(jìn)、后退等運(yùn)動(dòng)方式，三足著地運(yùn)動(dòng)方式保證了機(jī)器人能夠平穩(wěn)運(yùn)行。伺服電機(jī)具有力量大，扭矩大，體積小，重量輕等特點(diǎn)。單片機(jī)產(chǎn)生20ms 的PWM 波形，通過軟件改寫脈沖的占空比，從而達(dá)到改變伺服電機(jī)角度的目的。1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析1.1 六足爬蟲式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方案比較方案一：六足爬蟲式機(jī)器人的每條腿都能單獨(dú)完成抬腿、前進(jìn)、后退運(yùn)動(dòng)。此方案的特點(diǎn)：每條腿都能自由活動(dòng)，每條腿都能單獨(dú)進(jìn)行二自由度的運(yùn)動(dòng)。每條腿的靈活性好，更容易進(jìn)行仿生運(yùn)動(dòng)，六足爬蟲機(jī)器人可以完成除要求外的很多動(dòng)作，運(yùn)動(dòng)的視覺效果更好。由于每條腿能單獨(dú)完成二自由度的運(yùn)動(dòng)，所以每條腿上要安裝兩個(gè)舵機(jī)，舵機(jī)使用數(shù)量大，舵機(jī)的安裝難度加大，機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的制作相對(duì)復(fù)雜，又由于每個(gè)舵機(jī)都要有單獨(dú)的信號(hào)控制，電路控制部分變得復(fù)雜了，控制程序也相應(yīng)的變得復(fù)雜。方案二：六足爬蟲式機(jī)器人采取三腿為一組的運(yùn)動(dòng)模式，且同一側(cè)的前腿、后腿的前后轉(zhuǎn)動(dòng)由同一側(cè)的中腿進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。采用三腿為一組(一側(cè)的前足、后足與另一側(cè)的中足為一組)的運(yùn)動(dòng)方式，各條腿能夠協(xié)調(diào)的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)。此方案特點(diǎn)：相比上述方案，個(gè)腿能夠協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，在滿足運(yùn)動(dòng)要求的情況下，舵機(jī)使用數(shù)量少，節(jié)約成本。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，控制、驅(qū)動(dòng)部分都得到相應(yīng)的簡(jiǎn)化，控制簡(jiǎn)單。選擇此方案，機(jī)器人還可進(jìn)行橫向運(yùn)動(dòng)。 兩方案相比，選擇方案二更合適。1.2 六足爬蟲式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析1.2.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步態(tài)分析六足爬蟲式機(jī)器人的行走是以三條腿為一組進(jìn)行的，即一側(cè)的前、后足與另一側(cè)的中足為一組。這樣就形成了一個(gè)三角形支架結(jié)構(gòu)，當(dāng)這三條腿放在地面并向后蹬時(shí)，另外三條腿即抬起向前準(zhǔn)備輪換。這種行走方式使六足爬蟲式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)相當(dāng)穩(wěn)定，任何時(shí)刻有三足著地，能夠保持良好的平衡，并可以隨時(shí)隨地停息下來，因?yàn)槠渲匦目偸锹湓谌侵Ъ苤畠?nèi)。三角步態(tài)行走運(yùn)動(dòng)原理：步行時(shí)把六條足分為兩組，以身體一側(cè)的前足、后足與另一側(cè)的中足作為一組，形成一個(gè)穩(wěn)定的三角架支撐蟲體，因此在同一時(shí)間內(nèi)只有一組的三條足起行走作用：前足用爪固定物體后拉動(dòng)蟲體前進(jìn)，中足用以支撐并舉起所屬一側(cè)的身體，后足則推動(dòng)蟲體前進(jìn)，同時(shí)使蟲體轉(zhuǎn)向，行走時(shí)蟲體向前并稍向外轉(zhuǎn)，三條足同時(shí)行動(dòng)，然后再與另一組的三條足交替進(jìn)行，兩組足如此交替地?cái)[動(dòng)和支撐，從而實(shí)現(xiàn)昆蟲的快速運(yùn)動(dòng)，其行走的軌跡線是一條鋸齒狀曲線。 圖2-1 運(yùn)動(dòng)示意圖機(jī)器人開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，左側(cè)的 2 號(hào)腿和右側(cè)的4、6 號(hào)腿抬起準(zhǔn)備向前擺動(dòng)，另外 3 條腿1、3、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（見圖 2-1（a)，擺動(dòng)腿 2、4、6 向前跨步（見圖 2-1（b)，支撐腿 1、3、5 一面支撐機(jī)器人本體，一面在驅(qū)動(dòng)裝置作用下驅(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(zhǎng)!（見圖 2-1（c)。在機(jī)器人機(jī)體移動(dòng)到位時(shí)，擺動(dòng)腿 2、4、6 立即放下，呈支撐態(tài)，使機(jī)器人的重心位置處于 2、4、6 三條支撐腿所構(gòu)成的三角形穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，原來的支撐腿 1、3、5 已抬起并準(zhǔn)備向前跨步（見圖 2-1(d），擺動(dòng)腿 1、3、5 向前跨步（見圖 2-1（e），支撐腿 2、4、6 此時(shí)一面支撐機(jī)器人本體，一面驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體，使機(jī)器人機(jī)體又向前運(yùn)動(dòng)了半個(gè)步長(zhǎng)（見圖 2-1（f），如此不斷從步態(tài)（a）、（b）、（c）、（d)、（e)、（f）、（a），循環(huán)往復(fù)，周而復(fù)始實(shí)現(xiàn)機(jī)器人不斷向前運(yùn)動(dòng)。這樣的六組爬蟲機(jī)器人每向前跨一步即行走一個(gè)步長(zhǎng)的距離，也就是三角步態(tài)的的行走原理。占空系數(shù)又稱有荷因數(shù)，占空系數(shù)(或負(fù)載因數(shù))是信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)觸發(fā)電平以下或以上的時(shí)間百分比。步態(tài)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)步行的關(guān)鍵之一，為達(dá)到較為理想的步行，本文所研究的六足機(jī)器人的步態(tài)是=0.5時(shí)的狀態(tài)；在其中的三條擺動(dòng)腿著地的同時(shí)，另外三支支撐腿立即抬起，即任意時(shí)刻同時(shí)只有支撐相或擺動(dòng)相。這樣能夠使機(jī)器人的行進(jìn)過程比較連續(xù)，而且比較穩(wěn)定。在機(jī)器人遇到障礙物時(shí)，通過傳感器和電路控制裝置，可以控制電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，使得兩側(cè)的電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相反，從而使機(jī)器人轉(zhuǎn)向。圖2-2 機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)的步態(tài)圖具體的控制過程如下（向右偏轉(zhuǎn)）：1）使控制足1、足2和足3的電機(jī)反轉(zhuǎn)，如圖2-2(a)所示(圖2-2中實(shí)線代表著地，虛線代表懸空)；2）這時(shí)足1、足3、足4和足6準(zhǔn)備懸空，只有足2、足5是準(zhǔn)備抓緊地面的，3）在這一瞬間只有兩個(gè)足著地，機(jī)器人處于不穩(wěn)定狀態(tài)，直到有四只足著地，使機(jī)器人重新回到穩(wěn)定狀態(tài)，由于該不穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間非常短暫，并不影響機(jī)器人行走穩(wěn)定的性能。向左偏轉(zhuǎn)的情況機(jī)理也是一樣的，只要使控制足4、足5、足6一側(cè)的電機(jī)反轉(zhuǎn)就可以了。1.3 機(jī)器人平衡性分析由于機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中總有三足著地，其支撐作用的三足構(gòu)成了一個(gè)三角形支架機(jī)構(gòu)，保證了機(jī)器人的重心總是落在三角形支架內(nèi)。在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中的重心位置如下圖所示： 圖2-3 運(yùn)動(dòng)過程重心位置示意圖機(jī)器人采用三足支撐，在機(jī)器人的運(yùn)行過程中，任何時(shí)刻總有三足著地，構(gòu)成一個(gè)三角形支架，并通過對(duì)機(jī)器人整體尺寸、足部擺角的設(shè)定，可使得機(jī)器人的重心總是落在三角形支架內(nèi)，保證了機(jī)器人的平衡，三足三足交替支撐，保證了重心在水平面內(nèi)的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。1.4 微型六足仿生機(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軌跡為圓形。這樣機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)將會(huì)呈半圓狀起伏，如果能夠使得足端軌跡在觸地的部分保持平整就可以保持機(jī)器人的平穩(wěn)前進(jìn)。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)定地行走，又能夠跨越障礙，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)階要求能夠抬起并越過，對(duì)障礙物要求順利跨越，可見足端運(yùn)動(dòng)軌跡的選擇對(duì)于步行機(jī)器人來說顯得非常重要。選擇足端運(yùn)動(dòng)軌跡曲線時(shí)應(yīng)主要考慮以下問題 :（a）曲線的高寬比：曲線的高寬比直接反應(yīng)出曲線的運(yùn)動(dòng)特性。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。（b）曲線弧長(zhǎng)：在曲線寬度一定的情況下，曲線長(zhǎng)度越長(zhǎng)，在空中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間就越長(zhǎng)，這將直接影響到擺動(dòng)腿的速度，進(jìn)而影響到步行機(jī)的運(yùn)行速度。曲線弧長(zhǎng)越短，運(yùn)動(dòng)時(shí)間就越短，但相應(yīng)的跨越能力就越差。根據(jù)步行機(jī)的行走要求，初步確定足端運(yùn)動(dòng)曲線的高寬比和曲線弧長(zhǎng)，采用半徑是6mm弧長(zhǎng)的足端。1.5 腿部力學(xué)分析對(duì)六足爬蟲機(jī)器人的腿部受力進(jìn)行分析，通過大致計(jì)算可估算出機(jī)器人足部運(yùn)動(dòng)時(shí)所需要的扭矩大小，從而可以確定所需要的舵機(jī)的扭矩參數(shù)。支撐足上的舵機(jī)2 承受的力通過舵機(jī)轉(zhuǎn)軸軸心，支撐足上舵機(jī)在承載力時(shí)所受扭矩為零，對(duì)于支撐足上的舵機(jī)要求，只需抬起支撐足即可，可見一般舵機(jī)都能滿足工作要求。由于機(jī)器人由支撐足支撐而與地面無滑動(dòng)摩擦，對(duì)舵機(jī)1 的要求，只需克服機(jī)械結(jié)構(gòu)間的摩擦即可。1.6 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算下圖所示：圖2-4 足部運(yùn)動(dòng)范圍示意圖機(jī)器人足部運(yùn)動(dòng)示意圖，機(jī)器人足部運(yùn)動(dòng)由舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為=218,在舵機(jī)的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的直線距離為4M，舵機(jī)運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期的用時(shí)為0.8s。M=Lsin18=36mmsin18 =11.12mm。機(jī)器人在0.8s 內(nèi)的運(yùn)行距離為:4M=411.12mm=44.48mm機(jī)器人的運(yùn)行速度為:V=4M/0.8s=44.48mm/0.8s=55.6mm/s。2 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)機(jī)器人各部分結(jié)構(gòu)，可以較清楚的判別構(gòu)件所處的位置，機(jī)器人由若干部件組合而成，各部件都是通過螺釘、螺母、螺栓而固定在一起的。機(jī)器人各側(cè)三足的運(yùn)動(dòng)原理是相同的，故只需分析一側(cè)的三足即可。以上已對(duì)機(jī)