变形机器人设计说明书

西北“火隐人者”

设计说明书

设计人：专

指导老师：学校：日

期：

2012年4月

仿生机械是模仿生物的形态、结构和控制原理设计制造出仿生机械的功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械。研究仿生机械的学科称为仿生机械学，它是20世纪60年代末期由生物学、生物力学、医学、机械工程、控制论和电子技术等学科相互渗透、结合而形成的一门边缘学科，它既把工程技术应用于医学、生物学，又把医学、生物学的知识应用于工程技术。

在自然界中,生物通过物竞天择和长期的自身进化,已对

自然环境具有高度的适应性。它们的感知、决策、指令、反馈、运动等机能和器官结构远比人类所曾经制造的机械更为完善。

如果把传统的机械称之为一般机械的话，仿生机械应该是指添加有人类智能的一类机械。在物理和机械机能方面，一般机械要比人类的能力要强许多，但在智能方面却比人类要低劣的多。因此，若把人——机结合起来，就有可能使一般机械进化为仿生机械。从这一角度出发，可以认为仿生机械应该是既具有像生物的运动器官一样精密的条件，又具有优异的智能系统，可以进行巧妙的控制，执行复杂的动作。

从习惯上说，可把仿生机械学的各个研究动向归纳如下：（1）生物材料力学和机械力学（2）生物流体力学（3）生物运动学（4）生物运动能量学（5）康复工程学（6）机器人的工程学

在自然界或人类社会中，存在人类无法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场合，如工地、防灾救援等许多领域，对这些复杂环境不断的探索和研究往往需要有机器人的介入。腿式系统有很大的优越性，较好的机动性、崎岖路面上乘坐的舒适性及对地形的适应能力强。所以这类机器人在军事运输、海底探测、矿山开采、星球探测、残疾人的轮椅、教育及娱乐等众多行业，有非常广阔的应用前景，多足步行机器人技术一直是国内外机器人领域的研究热点之一。总之，不论仿生机械学的研究方向如何划分，它的主要任务都是运用人类智慧把

人体智能和机械系统结合起来使其实现人类预想的智能化功能。

1.

背景调研……………………………………………………………………………………41.11.21.32.

火灾现场情况…………………………………………………………………………4地震抢险救援的意义…………………………………………………………………4军事探测技术的意义…………………………………………………………………5

西北“火隐人者”设计理念………………………………………………………………62.12.22.3

西北“火隐人者”六足仿生机械虫的目的…………………………………………6西北“火隐人者”六足仿生机械虫的功能及完成相应功能的机械系统…………6西北“火隐人者”六足仿生机械虫的主要创新点…………………………………6

3.西北“火隐人者”机构设计………………………………………………………………83.13.2

西北“火隐人者”六足仿生机械虫方案简介………………………………………8行走机构的设计及优化………………………………………………………………93.2.1

行走机构的设计……………………………………………………………9

3.2.1.1方案优化设计…………………………………………………………93.2.1.2机构设计计算3.2.23.2.33.33.4

创新设计点设计

………………………………………………………11

…………………………………………………………14

17

应力分析报告及参数……………………………………………………

奔跑跳跃及避障机构的设计………………………………………………………33攀爬机构的设计……………………………………………………………………343.4.13.4.2

气动回路设计……………………………………………………………34气动元件的确定

…………………………………………………………35

3.53.6

机械臂机械爪的设计……………………………………………………………37

机械虫附件的选择和设计…………………………………………………………393.6.13.6.2

切割钻孔等特殊功能方案的设计………………………………………39分体机构的设计与特色…………………………………………………40

4.5.

设计心得和体会……………………………………………………………………………43参考文献

…………………………………………………………………………………44

1.背景调研

1.1火灾现场的调研1.1.1

着火源分七类

火焰、高温物体、电火花、绝热压缩作用、撞击与摩擦作用、光线照射与聚焦作用、化学反应放热。1.1.2

点火源有四个类型八个种类

化学点火源（明火、自然发热）；高温点火源（高温表面、热辐射）；电气点火源（电火花、静电火花）；冲击点火源（冲击与摩擦、绝热压缩）。1.1.3

灾探测器按所探测的火灾参数分为五类

感烟型、感温型、感光型、气体、复合式。1.1.4火灾现场对人体的伤害

提起火灾，人们常用“烧死烧伤”多少来统计火灾伤亡人数。其实火灾对受害者的危害是综合性的。火灾现场对人体的危害有四种即缺氧、高温、毒性气体、烟尘。这也是烟雾高温对人体的综合危害。

由于火灾中的种种不安全因素造成了灭火人员难以接近火灾现场，为了最大限度的缩短灭火时间减少财产损失和人员伤亡，一种可以代替人力执行灭火任务的高效灭火设备一直是我们多年探索的方向。1.2地震抢险救援的调研

地震，又称地动、地振动，是地球上经常发生的一种自然现象。由于地壳运动引起的地球表层的快速振动，地壳快速释放能量过程中造成的振动，期间会产生地震波。也是地壳运动的一种特殊表现形式。

地震对自然界景观也有很大影响。最主要的后果是地面出现断层和地震裂缝。大地震的地表断层常绵延几十至几百千米，往往具有较明显的垂直错距和水平错距，能反映出震源处的构造变动特征（见浓尾大地震，旧金山大地震）。

地震中由于地壳的大幅度运动造成路面开裂，房屋倒塌，使灾后的抢救任务异常艰难。在崎岖不平且时时坍塌的灾后现场实施救灾措施不免会造成救灾人员的伤亡，一些危险地带人员无法到达等各种灾后险情，迫使人们不得不放弃抢救工作的进行，为了保证抢救工作的顺利进行，机器设备在灾后的抢救工作中就起到了不可估量的作用。

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1.3

军事探测技术的调研

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在军事作战过程中有大量的危险地带抢救，地形勘察等任务。机器设备在军事上的应用在一定程度上有效地提高了作战效率。一种能适应恶劣作战环境的全自动多功能机器设备一直是各国不停研究的方向。“火隐人者”机器人就是一种对作战环境有极强适应性的机器人。

（1）对人体温度的感知系统能正确指导其救出被控人员；（2）自身机构灵活行动快捷，方便地形勘察等任务的执行；

（3）各种高强度耐高温材料的应用使其对作战现场有极好的适应性。

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2.西北“火隐人者”设计理念

2.1

西北“火隐人者”六足仿生机械虫的目的

伴随着社会的发展和地壳自身的变化,各种各样的社会灾难和自然灾害不断涌现。例如：世界各地不断出现的煤窑坍塌.瓦斯爆炸.森林火灾.地震等。任何的科技发展都是根据社会需求不断提升的，西北“火隐人者”机器人就是迎合社会需求而设计的科技智能化机械产品。它的主要设计目的是代替人力解决大量的危险工作，例如：小范围的火灾处理和火灾被控人员的解救，地震被控人员解救，军事地形勘查和在作战现场伤员的解救等。2.2

西北“火隐人者”六足仿生机械虫的功能及完成相应功能的机械系统

2.2.1能实现的功能：

(1)可以实现行走，奔跑，跳跃等基本动作并可越过障碍；(2)可以实现楼梯及墙壁攀爬等高难度动作到达高层建筑；

(3)可以分体，实现六足动物与双足仿人的变形，增大多种危险场合的适应性；(4)通过头部特殊机构可以实现破门、击碎玻璃等功能，在危险情况下解救被困人员；(5)机体内部装有灭火气体，能够在火源猛烈的情况下分体并大范围高效灭火；(6)实现无线摄像功能，能够将一定范围内所观察的情况经过图像处理进行反馈。

2.2.2

完成相应功能的机械系统：

（1）机体组合机构：用于将三体双足机器人组合成六足整体灭火虫；

（2）双足独立仿形机构：当六足机器虫变形为双足机器人时，进行独立运行传动机

构；

（3）机械手臂机构：用于抓取、行走、攀爬控制；（4）头部独立机构：用于不同场合锁闭物体的分裂打开；（5）动力传动行走系统：转轮、减震装置；（6）数据源分析系统：无线摄像头信号采集装置。2.3

西北“火隐人者”六足仿生机械虫的主要创新点

（1）可以实现六足虫形与双足仿人体的变形，增多各种危险场合的劳动力，减少危险伤亡，提高救援效率；

（2）墙面攀爬技术采用吸盘装置，并通过凸轮连杆机构进行吸、松转换控制，并在机体中部采用弹性连接体，达到快速攀爬效果；

（3）西北“火隐人者”体内装有灭火气体，可以接近救援人员不可到达的危险场合，

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并通过信号采集系统将危险地带信息传达于工作人员；

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（4）西北“火隐人者”头部采用多功能切割装置，可以将紧锁难开的门窗打开，及时解救被困人员；

（5）西北“火隐人者”六足虫形与双足仿人体运行机构既关联又相互独立，未变形前通过独立机构并联组合，提高整体行程速度和灵活性；机体变形后，三体二足机器人各自提供动力并单独运行，互不干涉。

（6）支撑脚机构可根据路面时间情况来调节步幅。

（7

）异步机构可通过特殊结构变为同步机构，从而实现步行与跳跃的转换。

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3.西北“火隐人者”机构设计

3.1

西北“火隐人者”六足仿生机械虫方案简介

西北“火隐人者”是一种由三体双足仿形机器人组合于一体的六足机械灭火虫。首先，通过机体设计，当高层建筑发生火灾时，此灭火虫可以通过攀爬楼梯或以爬墙破窗的方式进入室内；其次，在进入火灾等危险地带前，为方便行走，以整体机体进行。功能设计灵感主

要来源于生活中各种动物，例如：壁虎，蝗虫。

图3.1

表3.1机械虫基本性能参数：项目：1.体积2.质量3.面积

4.驱动电机额定功率：6.水平步幅7.垂直越障能力：8.最大爬坡迎角：

六足仿生机械虫

参数：1765609.921mm2.471kg1103887.951mm

23

4.5kw（1.5kw×3）29mm--45mm10mm--27mm35°

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3.2

行走机构方案的设计及优化

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多足昆虫以其复杂精妙的肢体结构、简易灵巧的运动控制策略，成为重要的仿生资源。以多足昆虫为仿生原型开发六足步行机器人，来进行结构、运动及控制仿生，成为机器人技术的重要研究方向。六足机器人多模仿昆虫的走路型式，具有较高的稳定度，可在崎岖不平的地形中活动。这种设计具有较高的稳定性，但由于足的数量与自由度太多，控制上随着复杂，行进的速度相对变慢。

一般足行机器人的足部设计可分为串列式与并列式两种。串列式机器足是单零件以单马达控制的形式，此种机器人以型态控制为主，例如二足人型机器人与机器宠物等。因为在每个关节上均有动力的存在，所以在定位的自由度较佳，但在程序与电路上的控制相较的复杂。并列式足行机器人，是多零件以单马达控制的形式。此类型机器人以机构型态为主体，利用连杆的方式可达到近似动物行走的规律与循环，以减少动力源的数目，所以在程序设计与电路控制较容易，但多为单纯的反覆跨步机构，在步长控制上受到限制。行走机构的设计3.2.1.1方案优化设计

方案一：并联式机器脚

并联式机器脚的设计，如图3.2是以六连杆机构的设计配合滑行对，运用于六足机器动物，并结合滑动机构来变换跨距，再配合髋部的旋转机构使每只脚具有三个自由度。应用步态分析与机构动作控制，让六足机器动物具有直线运动、原地转向及圆弧转弯的移动能力。

图3.2六连杆机构足部设计

并联机构是一种并行的三连杆机构，它由3个驱动器直接驱动机器人腿的3个自由度（大腿、小腿的抬放和侧向转动）。该机构可以实现全方位运动，但因为每条腿上有三个自由度，需要三个驱动器分别直接驱动，控制系统较为复杂。优点是利用较少的连杆，

达到一良好的

封闭曲线。而5连杆连分别为：大腿(L1)、小腿(L4)、腱(L3)，曲柄(L2)及固定底座(L0)等5个杆件所组成。在大腿上有滑动键结，供曲柄与腱的接触点滑行，而拉动小腿，使形成一封闭曲线的移动。方案二

空间缩放机构

如图3.3为空间缩放机构，该机构具有3个自由度，可用作全方位空间多足步行机器人腿机构。该机构在运动注平面内具有解耦性、易于控制、具有较高的能效性等优点，因而被广泛用作步行机器人腿机构。

图3.3

方案三

缓冲腿机构

空间缩放机构设计

图3.4为缓冲机构设计，利用弹簧把刚性连接变为柔性连接，减缓机器人在动态行走是的冲击以及由此产生的振动，可以实现机器人行走的稳定性和高效性。

图3.4

方案四

单自由度连杆机构

缓冲机构设计

图3.5为单自由度机构设计，该机构可实现固定步态步行，采用一个自由度，由若干个刚性构件通过低副（转动副、移动副）)联接，且各构件上各点的运动平面均相互平行的机

构，又称平面低副机构。低副具有压强小、磨损轻、易于加工和几何形状能保证本身封闭等优点，故平面连杆机构广泛用于各种机械和仪器中。与高副机构相比，它难以准确实现预期运动，设计计算复杂。

图3.5(a)单自由度连杆机构设计

图3.5（b）单自由度连杆机构设计

综上所述，腿机构的可控自由度越多，它的灵活性越好，但每一个可控自由度要配备一个驱动电机和一套传动机构，所以每增加一个自由度其质量相应要增加许多，控制也越麻烦。而且低副面接触的结构使连杆机构具有以下一些优点：运动副单位面积所受压力较小，且面接触便于润滑，故磨损减小；制造方便，易获得较高的精度；两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，它不象凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触。因此，步行腿机构的自由度在满足运动条件前提下，越少越好。综上作述，我们选用方案五的单自由度连杆机构。

而在这个方案中，我们又提出了两种单自由度连杆机构，经过我们深入的研究发现，虽然同为连杆机构，但从机构稳定性、可变性和创新性等方面来看，前者远远优于后者。例如图四（a）中可通过改变原动件（曲柄杆）的长度来改变脚的运动轨迹，从而实现改变该足部机构的步幅和高度。3.2.1.2表3.2

机构设计计算支撑腿杆件参数如下：部件名称

曲柄杆机架

BC

参数

8.45mm——12.45mm

33mm

兰州理工大学杆AG=杆AD杆CD=杆CE=杆CG=杆GF

杆DE杆GH杆FH

45mm22.5mm35.5mm37.5mm45

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图3.6支撑腿杆件参数

。

在曲柄摇杆机构ABCD、ABCG中，极位夹角为20，所以机构存在急回运动，行程速度

180o+20o

变化系数k=，即D、G点的空回行程平均速度是工作行程平均速度的1.25倍。oo

180 20

在曲柄杆的带动下，支撑脚可实现的运动轨迹，如图3-1所示。

ABCD为工作行程，DEFA为空回行程，该机构较好的利用了曲柄摇杆机构的急回特性，实现了支撑脚的快速平稳运动。在连杆机构中，传动角的大小及其变化很大程度影响了机构传力性能的好坏。通过分析该机构最小传动角出现的位置情况，解得最小传动角为：

γmin

AD2+CD2 (BC AB)2452+22.52 (33

8.45)2

=arccos=arccos=17.75o

2*AD*CD2*45*22.5

保障了机构的传力性能良好，进而说明了该机构的设计合理性。

在曲柄摇杆机构中，当机构曲柄与连杆在一条直线上，出现了传动角γ=0°的情况及死点位置。该机构采用两组机构组合起来，使左右两侧的机构的死点位置相互错开，因此本设计能够顺利的通过死点位置。图3.6为支撑腿运动轨迹分析图，图3.7支撑腿运动参数分析图。

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图3.6

支撑腿运动轨迹分析图

图3.7支撑腿运动参数分析图

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3.2.2

创新设计点设计

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在研究该机构轨迹时，我们了解到从仿生学的角度给出足部理想轨迹的要求：1.轨迹曲线必须唯一封闭且不交叉的曲线，以避免产生无效的轨迹曲线；2.轨迹曲线中的支撑段曲线应为直线段，以避免机构的重心产生起伏；3.轨迹曲线的跨高尽量高，以提高机构跨越障碍的能力；4.轨迹曲线的跨距尽量远，以增加机构跨步的前进距离。

为了使轨迹曲线的跨高和跨距尽可能的高和远，我们在支撑腿机构杆件做了各种改进方案，最终发现当适当的改变原动件（曲柄杆）的长度是，轨迹的曲线的跨高和跨距会发生相应的变化。所以，我们在原动件中镶嵌了一个液压装置，使其能在一定范围内滑动从而达到调节步幅的大小。图是对原动件（曲柄杆）长度分别8.45mm、9.45mm、10.45mm、11.45mm、12.45mm

时，支撑腿机构的运动轨迹分析图和相应位置，速度，加速度的分析图。

图3.8支撑腿机构的运动轨迹分析图

图3.9

支撑腿机构的位置分析图

图3.10支撑腿机构的速度分析图

图3.11支撑腿机构的加速度分析图

总结时间段原动件长度

跨高跨距

0-3(s)8.45mm10mm29mm

3-6(s)9.45mm14mm32mm

6-9(s)10.45mm17mm36mm

9-12(s)11.45mm21mm41mm

12-15(s)12.45mm27mm45mm

应力分析报告及参数

应力分析报告及参数的内容如表3.3所示。

3.2.3

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表 3.3表 3.3.2

应力分析报告及参数表分析参数

常规目标和设置:设计目标分析类型上次修改日期驱动尺寸静态分析 2012-3-9, 11:29

检测并消除刚体模态是

高级设置平均元素大小(模型直径的分数) 0.1最小元素大小(平均大小的分数) 0.2分级系数最大转角创建弯曲网格元素 1.5 60 deg是

材料名称合金钢质量密度常规屈服强度 7.85 g/cm^3 250 MPa

极限拉伸强度 0 MPa杨氏模量应力泊松比切变模量膨胀系数应力热膨胀热传导率比热零件名称 4-3 205 GPa 0.3 ul 78.8462 GPa 0.000012 ul/c 44.5 W/( m K ) 475 J/( kg c )

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表 3.3应力分析报告及参数表 3.3.3运行状态

力:1载荷类型力大小 25.000 N

选择的面

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