六足步行机器人的毕业设计说明书

本科毕业设计（论文）

六足步行机器人设计与仿真

燕 山 大 学

2012年6月

本科毕业设计（论文）

六足步行机器人设计与仿真

学院（系）： 里仁学院 专 业： 机械电子工程 学生 姓名： 牛智 学 号： 081101011184 指导 教师： 田行斌 答辩 日期： 20012.6.17

燕山大学毕业设计（论文）任务书

学院： 系级教学单位： 学 学生 专 业 号 姓名 班 级 题目名称 1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）； 题 目 题目性质 理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ） 2.管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ） 题目类型 1.毕业设计（ ） 2.论文（ ） 题目来源 科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主 要 内 容 基 本 要 求 参 考 资 料 周 次 第 ～ 周 应 完 成 的 内 容 第 ～ 周 第 ～ 周 第 ～ 周 第 ～ 周 指导教师： 职称： 年 月 日 系级教学单位审批： 年 月 日

摘要

摘要

基于仿生学原理，在分析六足昆虫运动机理的基础上，采用了仿哺乳类的腿部结构，并针对这种腿部结构设计了六足的行走方式，通过对18个直流伺服电机的控制，采用三角步态，实现了六足机器人的直行功能。仿真证明，这种结构能较好地维持六足机器人自身的平衡，并且对今后更深入地研究六足机器人抬腿行走姿态及可行性，具有较高的参考价值。

针对仿生六足步行机器人关节较多，其步态轨迹规划和关节控制量计算都较为复杂的现状，采用Solidworks软件与UG软件相结合的方式对六足仿生步行机器人的样机模型进行了运动学仿真与分析。通过仿真，验证了所设计的三角步态的适用性。

关键词 六足机器人；步行；三角步态；运动学仿真

I

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Abstract

A bionic leg structure which is similar to the legs of mammals was used， and a hexapod walking mode was designed according to this structure．By controlling 18 step motors straight walking function of the hexapod robot has been implemented with tripod gait movement．Simulation and experiment show that this structure can keep the hexapod robot balance better，providing high reference value to research the advantage and feasibility of leg raising walking gesture．

As there are many joints in the bionic hexapod walking robot and the calculation of its walking track and joints control unit are comparatively comp- licated，the kinematical simulation and analysis of the model of bionic hexapod walking robot have been done by using solidworks and UG．Through simulation，the applicability of designed tripod gait are validated．

Keywords Hexapod robot；Walking；Tripod gait；Kinematics simulation

II

目 录

摘要 ....................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................ II 第1章 绪论 ........................................................................................................ 1

1.1 课题背景 .............................................................................................. 1 1.1.1研究主要成果 ............................................................................... 2 1.1.2发展趋势 ....................................................................................... 4 1.2本章小结 ............................................................................................... 5 第2章 机器人学与仿生学介绍 ........................................................................ 6

2.1机器人学的基本理论 ........................................................................... 6 2.1.1机器人的基本定义 ....................................................................... 6 2.1.2机器人学的基本术语 ................................................................... 7 2.1.3机器人的规格 ............................................................................... 7 2.1.4机器人的分类 ............................................................................... 8 2.1.5本课题研究的意义 ................................... 9 2.2 仿生学概述 ........................................................................................ 10 2.2.1仿生学的研究方法与内容 ............................ 12 2.2.2仿生学的研究范围 .................................. 14 2.3本章小结 ............................................................................................. 15 第3章 仿生六足机器人的设计 ...................................................................... 16

3.1 六足仿生机器人的三角步态运动原理与设计 ................................ 16

3.1.1关于步态的参数描述 ................................ 16 3.1.2三角步态运动原理 .................................. 17 3.1.3步态设计 .......................................... 18 3.2仿生六足机器人机构建模 ................................................................. 19 3.3仿生六足机器人本体设计 ................................................................. 20 3.4 仿生六足机器人腿部设计 ................................................................ 22 3.4.1腿部参数确定原则 .................................. 22 3.4.2腿部驱动系统设计 .................................. 22 3.5本章小结 ............................................................................................. 28

III

结论 ..................................................................................................................... 29 参考文献 ............................................................................................................. 30 致谢 ..................................................................................................................... 32 附录1 .................................................................................................................. 33 附录2 .................................................................................................................. 38 附录3 .................................................................................................................. 44

IV

第1章 绪论

第1章 绪论

1.1 课题背景

机器人技术是在新技术革命中迅速发展起来的一门新兴学科，它在众多领域与生产部门得到了广泛的应用，并显示出强大的生命力。它使得传统的生产发生变革，并对人类社会的生活产生深远的影响，它正在成为工厂，企业进行产品生产，乃至整个国家进行经济和军事较量的重要手段。

从诸葛亮的“木牛流马”到阿西莫夫“的机器人三定律”，长久以来，人们从未停止对机器人的幻想，探索和研究。直到1961年，美国通用机械公司生产和销售了第一台工业机器人，取名为“尤尼梅特”。此后，各国对机器人的研究都给予了相当的重视，各种各样的机器人如雨后春笋般诞生。我国对机器人技术的研究从70年代末起步以来，经过“六五”，“七五”期间的发展，在机器人理论，样机设计，研制及机器人应用工程等方面取得了大批成果。高等学校作为培养高素质人才的基地，同样在机器人领域开展了广泛的研究，如长沙的国防科技大学，上海交通大学，北京航空航天大学，燕山大学等在步行机器人，精密装配机器人，7自由度机器人及并联机器人等前沿领域都取得了可喜的成绩，正在逐步缩小在机器人技术方面与世界先进水平的差距。

步行机器人（walking robot legged robot）或步行车辆（walking vehicle）简称步行机，是一种智能型机器人，它是涉及到生物科学、仿生学、机构学、传感技术及信息处理技术等的一门综合性高科技

[10]

。在崎岖

[1]

路面上，步行车辆优于轮式或履带式车辆。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，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

[1,9]

。

随着机器人的工作环境和工作任务的复杂化以及人们对于娱乐辅助等移动机器人的需求的增加，要求机器人具有更高的灵活性、智能性和环境适

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应性，足式仿生机器人的发展越来越受到重视。运动性能是足式机器人的一项重要的考查指标，在现有的机器人系统中，大多采用步态规划算法进行步态规划，此方法需要对机器人及环境精确建模，控制过程中进行大量计算和测量，较难满足实时性要求。基于生物节律运动控制机理的仿生机器人通过模拟自然界动物最常见的运动方式——节律运动来实现具有高度稳定性和环境适应性的运动，从而避免了大量的计算与规划，实时性与环境适应性较好

[16]

。

1.1.1研究主要成果

1、1990年，美国卡内基- 梅隆大学研制出用于外星探测的六足步行机器人AMBLER，该机器人采用了新型的腿机构，由一个在水平面内运动的旋转杆和在垂直平面内作直线运动的伸展杆组成，两杆正交。该机器人由一台32位的处理机来规划系统运动路线、控制运动和监视系统的状态，所用传感器包括激光测距扫描仪、彩色摄像机、惯性基准装置和触觉传感器。总质量为3180kg，由于体积和质量太大，最终没被用于行星探测计划

[7,17]

[2]

。

2、1994年，日本电气通信大学的木村浩（Hiroshi Kimura）等研制成功四足步行机器人Patrush-II，该机器人用两个微处理机控制，采用直流伺服电机驱动，每个关节安装了一个光电码盘，每只脚安装了两个微开关，采用基于神经振荡子模型CPG（Central Pattern Generator）的控制策略，能够实现不规则地面的自适应动态步行，显示了生物激励控制对未知的不规则地面有自适应能力的特点。

3、1995年，日本产业技术综合研究所的小谷内、安達等开始研究手脚统一型步行机器人MELMANTIS

[16,17]

，将手臂的操作机能和脚的移动机能统

一，可进行森林采伐作业、地雷探测及拆除作业等。

4、2005 年大阪大学的田窪明仁、新井健生等研制成功最新型的手脚统一型步行机器人ASTERISK

[10,11]

，该步行机器人在2005年4月爱知世博会上

展出，具有用脚移动及用手搬运物品或进行作业的双重机能。以机体为中心，呈放射状配置6条腿，表现为全方位均等的作业空间和全方向移动的机能，能在不平地面上移动或悬吊于天花板进行作业，宽816mm，高78mm，每条腿

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第2章 机器人学与仿生学介绍

中有创新。经过实践——认识——再实践的多次重复，才能使模拟出来的东西越来越符合生产的需要。这样模拟的结果，使最终建成的机器设备将与生物原型不同，在某些方面甚上超过生物原型的能力。例如今天的飞机在许多方面都超过了鸟类的飞行能力，电子计算机在复杂的计算中要比人的计算能力迅速而可靠。

仿生学的基本研究方法使它在生物学的研究中表现出一个突出的特点，就是整体性。从仿生学的整体来看，它把生物看成是一个能与内外环境进行联系和控制的复杂系统。它的任务就是研究复杂系统内各部分之间的相互关系以及整个系统的行为和状态。生物最基本的特征就是生物的自我更新和自我复制，它们与外界的联系是密不可分的。生物从环境中获得物质和能量，才能进行生长和繁殖；生物从环境中接受信息，不断地调整和综合，才能适应和进化。长期的进化过程使生物获得结构和功能的统一，局部与整体的协调与统一。仿生学要研究生物体与外界刺激（输入信息）之间的定量关系，即着重于数量关系的统一性，才能进行模拟。为达到此目的，采用任何局部的方法都不能获得满意的效果。因此，仿生学的研究方法必须着重于整体。 仿生学的研究内容是极其丰富多彩的，因为生物界本身就包含着成千上万的种类，它们具有各种优异的结构和功能供各行业来研究。自从仿生学问世以来的二十几年内，仿生学的研究得到迅速的发展，且取得了很大的成果。就其研究范围可包括电子仿生、机械仿生、建筑仿生、化学仿生等。随着现代工程技术的发展，学科分支繁多，在仿生学中相应地开展对口的技术仿生研究。例如：航海部门对水生动物运动的流体力学的研究；航空部门对鸟类、昆虫飞行的模拟、动物的定位与导航；工程建筑对生物力学的模拟；无线电技术部门对于人神经细胞、感觉器宫和神经网络的模拟；计算机技术对于脑的模拟似及人工智能的研究等。在第一届仿生学会议上发表的比较典型的课题有：“人造神经元有什么特点”、“设计生物计算机中的问题”、“用机器识别图像”、“学习的机器”等。从中可以看出以电子仿生的研究比较广泛。仿生学的研究课题多集中在以下三种生物原型的研究，即动物的感觉器官、神经元、神经系统的整体作用。以后在机械仿生和化学仿生方面的研究也随之开展起来，近些年又出现新的分支，如人体的仿生学、分子仿生学和宇宙仿

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生学等。

2.2.2仿生学的研究范围

仿生学的研究范围主要包括：力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与控制仿生等。

◇力学仿生，是研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静力学性质，以及生物体各组成部分在体内相对运动和生物体在环境中运动的动力学性质。例如，建筑上模仿贝壳修造的大跨度薄壳建筑，模仿股骨结构建造的立柱，既消除应力特别集中的区域，又可用最少的建材承受最大的载荷。军事上模仿海豚皮肤的沟槽结构，把人工海豚皮包敷在船舰外壳上，可减少航行揣流，提高航速；

◇分子仿生，是研究与模拟生物体中酶的催化作用、生物膜的选择性、通透性、生物大分子或其类似物的分析和合成等。例如，在搞清森林害虫舞毒蛾性引诱激素的化学结构后，合成了一种类似有机化合物，在田间捕虫笼中用千万分之一微克，便可诱杀雄虫；

◇能量仿生，是研究与模仿生物电器官生物发光、肌肉直接把化学能转换成机械能等生物体中的能量转换过程；

◇信息与控制仿生，是研究与模拟感觉器官、神经元与神经网络、以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过程。例如，根据象鼻虫视动反应制成的“自相关测速仪”可测定飞机着陆速度。根据鲎复眼视网膜侧 抑制网络的工作原理，研制成功可增强图像轮廓、提高反差、从而有助于模糊目标检测的—些装置。已建立的神经元模型达100种以上，并在此基础上构造出新型计算机。

模仿人类学习过程，制造出一种称为“感知机”的机器，它可以通过训练，改变元件之间联系的权重来进行学习，从而能实现模式识别。此外，它还研究与模拟体内稳态，运动控制、动物的定向与导航等生物系统中的控制机制，以及人－机系统的仿生学方面。

仿生学的范围很广，信息与控制仿生是一个主要领域。一方面由于自动化向智能控制发展的需要，另一方面是由于生物科学已发展到这样一个阶

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第2章 机器人学与仿生学介绍

段，使研究大脑已成为对神经科学最大的挑战。人工智能和智能机器人研究的仿生学方面——生物模式识别的研究，大脑学习记忆和思维过程的研究与模拟，生物体中控制的可靠性和协调问题等——是仿生学研究的主攻方面。 控制与信息仿生和生物控制论关系密切。两者都研究生物系统中的控制和信息过程，都运用生物系统的模型。但前者的目的主要是构造实用人造硬件系统；而生物控制论则从控制论的一般原理，从技术科学的理论出发，为生物行为寻求解释。

最广泛地运用类比、模拟和模型方法是仿生学研究方法的突出特点。其目的不在于直接复制每一个细节，而是要理解生物系统的工作原理，以实现特定功能为中心目的。—般认为，在仿生学研究中存在下列三个相关的方面：生物原型、数学模型和硬件模型。前者是基础，后者是目的，而数学模型则是两者之间必不可少的桥梁。

由于生物系统的复杂性，搞清某种生物系统的机制需要相当长的研究周期，而且解决实际问题需要多学科长时间的密切协作，这是限制仿生学发展速度的主要原因。

2.3本章小结

仿生学的研究内容，从模拟微观世界的分子仿生学到宏观的宇宙仿生学包括了更为广泛的内容。而当今的科学技术正是处于一个各种自然科学高度综合和互相交叉、渗透的新时代，仿生学通过模拟的方法把对生命的研究和实践结合起来，同时对生物学的发展也起了极大的促进作用。在其它学科的渗透和影响下，使生物科学的研究在方法上发生了根本的转变；在内容上也从描述和分析的水平向着精确和定量的方向深化。生物科学的发展又是以仿生学为渠道向各种自然科学和技术科学输送宝贵的资料和丰富的营养，加速科学的发展。因此，仿生学的科研显示出无穷的生命力，它的发展和成就将为促进世界整体科学技术的发展做出巨大的贡献。

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第3章 仿生六足机器人的设计

3.1 六足仿生机器人的三角步态运动原理与设计

3.1.1关于步态的参数描述

通俗的说，步态是行走系统抬腿和放腿的顺序。步行机器人的腿可以看作两状态器件。腿的悬空相（Transfer phase）指腿抬离地面的阶段，悬空相状态记为“1”。腿的支撑相（support phase） 指腿支撑在地并推动机体向前运动的阶段，支撑相的状态记为“0”。运动周期T 指周期步态中某一腿运动一个完整循环所需要的时间。周期步态指各腿的运动周期相同，且任一腿的运动周期不随时间而变化。有荷因数（duty factor）指腿i 支撑在地面上的时间占整个运动周期的比例:βi =腿i 的支撑相时间/腿i 的周期=t pi/T，若βi =β， i = 1 ， 2 ，?，2 k （2 k 为总足数） ，则步态称为规则步态（regular gait）。腿i 的相对相位，指第i 足的触地时刻相对于第一足的延时在一个运动周期中的比例: Φi=ti - t1/T，0 ≤Φi ≤1 。

步距（stride length），指一个完整的腿循环中机体重心移动的位置。 腿行程（leg stroke），指支撑相时足端相对于机体移动的距离。 腿节距（leg pitch），指横向运动步行机机体同一端上相邻腿运动主平面之间的距离。

行程节距（stroke pitch），指纵向运动步行机机体同一端上相邻腿行程中点的间距。行程间距，指横向运动步行机前后足对行程中点的间距。

推程时间，指腿在支撑相的持续时间;回程时间，指腿在悬空相的持续时间，平均速度，由此可以导出行程，步距和有荷因数之间的关系式是R λ·β。静态稳定六足步行机器人，由于要求β ≥1/2，所以t r ≤t p ，即平均速度上限取决于t r 。

行走系统采用波形步态时，机体每一侧上各腿的迈步动作形成一种由后向前的波形式。自然界六足昆虫在所有速度范围内都采用波形步态。

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第3章 仿生六足机器人的设计

3.1.2三角步态运动原理

三角步态（或交替三角步态），是β =1/2 时的波形步态，运动时六条腿成两组三角形交替支撑迈步前进。“六足纲”昆虫（蟑螂、蚂蚁等）步行时，一般不是六足同时直线前进，而是将三对足分成两组，以三角形支架结构交替前行。身体左侧的前、后足及右侧的中足为一组，右侧的前、后足和左侧的中足为另一组，分别组成两个三角形支架。当一组三角形支架中所有的足同时提起时，另一组三角形支架的三只足原地不动，支撑身体，并以其中足为支点，前足胫节的肌肉收缩，拉动身体向前，后足胫节的肌肉收缩，将虫体往前推，因此身体略作以中足为支点的转动，同时虫体的重心落在一另一组“三角形支架”的三足上，然后再重复前一组的动作，相互轮换周而复始。这种行走方式使昆虫可以随时随地停息下来，因为重心总是落在三角支架之内。这就是典型的三角步态行走法，其行走轨迹并非是直线，而是呈“之”字形的曲线前进。

机器人采用三角步态的运动示意如图1所示。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，另外三条腿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三条支腿所构成的三角形内，使机器人处于稳定状态不至于摔倒（见图1a），摆动腿2、4、6向前跨步（见图1b），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一个半步长S（见图1c）。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内，原来的支撑腿1、3、5 已抬起并准备向前跨步（见图1d），摆动腿1、3、5 向前跨步（见图1e），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，使机器人机体向前运动一个步长S（见图1f），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。

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▲图3-1 六足步行机器人步态示意图 图中·支撑腿 . 摆动腿 S 半步长

3.1.3步态设计

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摆动腿胯步迅速，腿部运动轨迹圆滑，关节速度与加速度轨迹无奇点；⑤占空系数β的合理取值。根据占空系数β的大小可分为3 种情况①β= 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；②β> 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；③β< 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，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。本次所研究的六足机器人的步态是β= 0. 5 时的状态。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。

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第3章 仿生六足机器人的设计

3.2仿生六足机器人机构建模

机构设计是仿生六足机器人系统设计的基础，整机机械结构、自由度数、驱动方式和传动机构等都会直接影响机器人的运动和动力功能。

仿生多足步行机器人的机构由躯体和腿两部分组成，腿的数量及其配置是整体设计的主要问题。现有多足机器人的足数包括三足、四足、六足、八足甚至更多，足的数量较多时适合重载和慢速运动，而足数少时似乎运动更加灵活。影响步行机器人足数选择的一些主要因素为：稳定性、节能性、冗余性、关节控制性能的要求、制造成本、质量、所需传感器的复杂性以及可能的步态等；腿的配置是指步行机器人的足相对于机体的位置和方位的安排，确定分布形式时，还需考虑一些细节问题，如腿在主平面的几何构形（哺乳动物形、爬行动物形、昆虫形）和腿杆件的相对弯曲方向等。

在对步行机器人足数与性能定性评价的基础上，我们所设计的步行机器人采用六足结构，既能保证高速静稳定行走能力和负载能力，又考虑了机械结构和控制系统的简单性。通过对蚂蚁、蟑螂的观察分析，发现昆虫具有出色的行走能力和负载能力，因此步行机器人腿的配置采用正向对称分布，并且腿在正主平面的几何构形采用昆虫形。仿生六足机器人的机构模型如图所示。

▲图2-2 六足步行机器人机构示意图

六足步行机器人的三角步态中，六足机器人身体一侧的前足、后足与另一侧的中足共同组成支撑相或摆动相，处于同相三条腿的动作完全一致，即三条腿支撑，三条腿抬起换步。抬起的每条腿从躯体上看是开链结构。步行机器

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人在正常行走条件下，各支撑腿与地面接触存在摩擦不打滑，可以简化为点接触，相当于结构学上的3自由度球面副，在加上踝关节、膝关节及髋关节（各关节为单自由度，相当于转动副），每条腿都有6个单自由度运动副。

假设步行机器人任意时刻处于支撑相的腿数为n（n≤6），则此时模型为具有n个分支的空间多环并联结构，其自由度可由下式计算：

F??i?1Pf???ii?1Li?fp?F1??0

式中：p——运动副数，p=4n；

fi——第i个运动副具有的自由度数，fi=1（i=1～3n），fi=3（i=3n+1～ L——独立封闭环数，L=n-1；

λi——第i个独立封闭环所具有的封闭约束条件数，λi=6； fp——消极自由度数，fp=0；

F1和λ0——分别为局部自由度数和重复约束数，F1=0，λ0=0. 将以上参数代入上式，可得

F?3n?3n?(n?1)?6?6

4n）；

由此可知，无论步行机器人有几条腿处于支撑相，不论是3足支撑或6足支撑，整个机构是具有6自由度的空间多环并联机构，只是有时是3分支并联结构，有时是6分并联结构及串联开链机构之间不断变化的复合型机构。同时，上式可说明，无论该步行机器人采取的步态及地面状况如何，躯体在一定范围内均可灵活地到达任意的位置，并呈现要求的姿态。

3.3仿生六足机器人本体设计

为了便于加工以及安装控制元器件，多足步行机器人的机体常采用箱型钢结构。通过对自然界多足动物的细心观察，仔细研究了机器人立足点在水

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第3章 仿生六足机器人的设计

平面上的铅垂投影点构成的支撑图形，以寻找其中的原因。为了行走稳定起见，仿生六足机器人在行走过程中，机体重心的投影必须落在三条支撑足的支撑点所构成的三角形区域内，其情况如图2－3所示。其中箭头表示重心的移动。因为重心靠近边界时会使机器人的稳定性急剧下降，在此，特地设定重心投影到支撑图形边界垂直距离的最小值为稳定裕度。现在的问题是如何如何设计机体形状才能保证其获得最大的稳定裕度，即获得最佳稳定性能。我们对机体为长方形和近似菱形的两种步行机器人进行了运动学仿真，结果表明近似菱形机体的步行机器人具有两反面明显的优势：一是减少了腿部之间的碰撞；二是增加了机体的稳定性。

因此，我在设计仿生六组机器人时，采用了近似椭圆形的框架结构，除了以上两方面优势外，还增加了机器人腿部的运动空间。制造时，机器人的机体使用高强度铝合金为原材料，以减轻机器人质量。躯体内部预留安装空间及安装孔，便于控制元器件、视觉系统、电源模块等的安装及走线。同时，因该机器人六条腿的根部与机体相连，还需考虑整体布局与安装定位。图为六足步行机器人机体的三维实体模型。

▲图3-3 机器人的机体

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3.4 仿生六足机器人腿部设计

3.4.1腿部参数确定原则

腿部机构是仿生六足机器人的重要组成部分，也是仿生六足机器人机械设计的关键之一。腿机构设计的基本要求可归纳如下： 1. 实现运动的要求

从仿生六足机器人应当具有的行走性能出发，一方面要求机体能直线运动轨迹或平面曲线轨迹，另一方面要求能够灵活转向，因此腿机构应为不少于三个自由度的空间机构，并且足端具备一个实体的工作空间。 2. 负载能力的要求

仿生六足机器人的腿在行走过程中交替的支撑机体的质量，并在负重的状态下推进机体向前运动，因此必须具备与整体质量相适应的刚性和承载能力。

3. 结构实现和方便控制的要求

从结构设计的要求看，仿生六足机器人的腿部结构不能过于复杂，杆件过多会导致机构庞大和传动困能。

自然界中，许多昆虫的腿部结构大致分为基节、股节、和胫节三部分分别绕着根关节、髋关节和膝关节做单自由度旋转运动，属于一个RRRS型开链结构。项目组所设计的仿生六足机器人，采用相似的三自由度关节腿机构，各关节要求由电机、减速箱和锥齿轮共同驱动，以便用简单的结构获得较大的工作空间和灵活度。通过控制相应关节电机的运动使机器人具备了18个自由度，能够实现机器人步行足在可达域内任意一点的自有定位。在结构上保证其能够更有效地模拟昆虫的行走方式以完成相对复杂的运动。

3.4.2腿部驱动系统设计

驱动系统在仿生六足机器人中的作用相当于生物的肌肉，他通过转动腿部各关节来改变机器人的姿态。驱动系统必须拥有足够的功率对关节进行加减速并带动负载，而且自身必须轻便、经济、精确、灵敏、可靠且便于维护。

1. 电机选择

目前，电机尤其是伺服电机已成为机器人最常用的驱动器。电机控制性

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第3章 仿生六足机器人的设计

能好，且有较高的柔性和可靠性，十分适用于高精度、高性能的机器人。伺服电机包括带有反馈的直流电机、交流电机、无刷电机等。其中，直流电机是最常见的和成本最低的小型电机，其特性使它成为调速系统最容易使用的电机，并且已广泛用于各领域。无刷直流电机以电子组件和传感器取代电刷，不存在整流子与电刷之间的摩擦，也不存在高速回转下杜绝整流火花而要求的转矩界限，因此不但可以延长电机寿命、减少维护成本，而且能提供更高的可靠性以及更低的噪声。基于这些特性，我设计的仿生六足机器人采用无刷直流电机作为驱动器。

为了满足仿生六足机器人作业使命的各项要求，其驱动电机的选择至关重要，它与机器人运动功能的实现、控制硬件的配置、电源能量的消耗、系统控制的效果都有很大关系。首先必须考虑电机能够提供负载所需的瞬时转矩和转速，从注重系统安全的角度出发，还要求电机具备能够克服峰值负载所需的功率。此外，其他方面的诸多因素也需要加以考虑。但在多种影响因素中，主要因素有以下几种：

（1） 质量和体积。在初拟设计方案时，机器人的总体质量往往是预先给定的，而在机器人的总体系统中，电机及其附件的质量和体积所占比例较为突出，因而选择体积小、质量轻的电机，能够有效达到减轻系统总体质量、缩小系统总体体积的目的。

（2） 驱动功率。仿生六足机器人在不同地形条件下行走时，各条腿的姿态不同，各关节所需的驱动力矩也不同，需要具体问题具体分析、不同问题不同处理。因此，电机的确定必须综合考虑系统的驱动效率、安全系数以及所需最大驱动力矩等多项要求。

（3） 转速。相对而言，仿生六组机器人的步行速度较慢，所有关节的转速都是从高速转动的电机轴上经过减速得到的，因此电机必须有足够的转速调节范围。

仿生六组机器人的受力状况非常复杂，需要对其进行仔细分析和科学研究才能为机器人驱动性能指标的合理确定提供依据，通过对机器人进行静力学分析来初步估算机器人腿部稳定工作条件下的受力情况，并得到一些有价值的结论。

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从机器人支撑腿受力简图2－4可知，跟关节回转轴线与其他关节轴线垂直，且与地面支撑反力P所在平面平行，所以支撑反力P对于跟关节施加的负载扭矩的矢量方向与跟关节转轴垂直，该转矩大部分由跟关节转动轴承承受，并作用于其他关节上，所以此处不对跟关节进行深入研究。

针对仿生六足机器人支撑腿的受力状况，其虚位移平衡方程的分析如下：

首先用q1，q2，?，qn表示质点系的广义坐标，既有

?x??xi?q??xi?i?q?q???xi12?qn1?q2?qn

xs2?12l2cos?2?xs2?q??l2sin?222?xs2?q?03x1s3?l2cos?2?2l3cos(?2??3)?xs31?q??l2sin?2?322l3sin(?2??)?xs3?1?q2l3sin(?2??3)3xp?l2cos?2?l3cos(?2??3)?xp?q??l2sin?2?l3sin(?2??3)2?xp?q?l3sin(?2??3)3则仿生六足机器人步行足的广义平衡方程为：

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，

，，，，，，，，第3章 仿生六足机器人的设计

??gsinm2m3?lM22??Pl2sin2?l3sin(2?3)?0?2gl2sin?12?????2??

1sin(2l3??2??)3??

M3?1gsin(?)?Pl3sin?(2??3)?0 2m3l3?2?3其中M2、M3为髋关节和膝关节所需扭矩，l2、l3、m2、m3为股节、胫节的长度和质量。

从保证机器人机械结构设计的合理性出发，希望知道机器人在运动过程中腿部处于何种姿态承受的负载力最大，腿上每个关节所需的驱动力矩有多少，需要多大的关节驱动力矩才能够满足机器人在复杂环境中的运动。要回答以上问题，就必须求得机器人腿部承受的最大负载和关节承受的最大力矩。假设仿生六足机器人按“三角步态”行走时，支撑相三足均匀承受负荷，则足部支反力为：

1P?mg3

经分析与比较，决定选用瑞士MAXON公司生产的maxon电机、减速器以及相应配套使用的编码器和制动器，电机+减速器+编码器+制动器总质量为304g，总长度为121.5mm。经测量可知，仿生六足机器人腿部各节质量和长度为：l2=160mm，m2=400g，l3=240mm，m3=450g，机器人总质量和有效负载为m=13kg。在仿生六足机器人实际运动中，存在45°≤?2≤135°，-30≤?2-?3≤30°。据此，可估算各关节所需扭矩为：

M

2?Pl2sin?1?sinm2l22?2??gsinm3?l22??l3sin(2?3)??????1?l3sin(22?2???)3??M3??1gl3sin(m32?2?3)?Pl3sin(?2??3)

当θ2=90°，θ2-θ2=30°时，关节所需输出扭矩最大值为：

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燕山大学本科生毕业设计（论文）

M2max?11??g?g?sin30????Pl2?l3sin30??9.8N?m2m2l2m3?l22l3???1gsin30??Pl3sin30??4N?m mM3max3l32通过计算可知，该仿生六足机器人的髋关节、膝关节驱动系统必须具有

??9.8N·m和4N·m的转矩。前面所选MAXON公司的EC-max22电机和GP32C减速器，其输出最大连续转矩MB为6 N·m，允许瞬间输出的转矩Mmax为7.5 N·m，已经满足膝关节驱动的基本要求，至于髋关节的驱动，虽然转矩有所不够，但可以通过齿轮传动副来增大转动比、提高驱动转矩，使之达到规定的要求。

2. 传动设计

仿生六足机器人跟关节的驱动装置为电机＋减速器，跟关节的转动由减速器主轴的旋转运动予以实现，而髋关节和膝关节的驱动装置中除采用电机＋减速器外，还增加了一级锥齿轮传动，将经减速器主轴传出的旋转运动改变方向，使转动的输出轴线和腿部中心线重合，以适应仿生六足机器人腿部细长的机构外形。机器人腿部三关节驱动器与减速器的选型及相关参数如下所示，其中总长、总重指电机+减速器+编码器+制动器的长度与质量。

由于仿生六足机器人髋关节驱动所需最大转矩为9.8 N·m，因此所加锥齿轮传动副的减速比应为：

igear?M??M2maxB?9.8?1.80.9?6

如果选取锥齿轮传动副小、大齿轮的齿数比为16：30，则减速比

30?n1igear?16?1.88 n2此时电机和减速器的选择都是可靠的。

下面根据仿生六足机器人预期运动目标，对减速器和传动比进行选择。为了实现仿生六足机器人巡航前进速度0.2m/s的要求，由一下校核公式可初步选取有关参数：步长S=200mm，步长周期T=0.6s，在占空系数β=0.5

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第3章 仿生六足机器人的设计

的情况下，估算关节转速大约为25r/min。所以总传动比i=8000/25=320，由于机器人膝关节处还采用了一级锥齿轮传动副减速，故与电机配套使用的减速器，其传动比应为

i 型号 GP?ii?gear320?1691.89

表3-1 驱动系统选型及相关参数列表

电机 标称 最大连 最大允 功率 续转矩 许转矩 减速器 型号 总长 备注 减速比 （mm） 齿轮 传动比 320：1 128.1 无 16：30 16：30 跟关节 EC-max 髋关节 22 膝关节

25W 20.2mNm 18000r/m GP-32C 190：1 121.5 190：1 121.5 需要指出，仿生六足机器人传动系统采用锥齿轮传动副主要出于两个考虑，一方面用于相互垂直的轴线间的运动传递，以改变电机输出运动的方向；另一方面，可将该锥齿轮传动副的传动比设置为大于1，以提高所在关节处的驱动力矩。

3. 轴承选择

仿生六足机器人的运动是靠运动副（关节）的正常工作来实现的，因此运动副的摩擦性能对机器人的工作性能影响很大。采用什么样的轴承，提供什么样的润滑，如何保持良好的工作条件，这些都对机器人的正常运动起着非常重要的作用。不同结构的轴承具有不同的工作特性，不同的适用场合和安装部位对轴承的结构和性能也有不同的要求。选择轴承时，通常都是从轴承的有效空间、承载能力、速度特性、摩擦特性、调心性质、运动精度和疲劳寿命等方面进行综合考虑。在为仿生六足机器人选择轴承时，还需要注意下面两个因素。

第一，由于微小型系统自身的能量十分有限，如关节电机的连续转矩只有6 N·m，如果能够通过选取合适的轴承来减小摩擦力矩、降低系统能耗，

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这对节省机器人总系统弥足珍贵的能量是十分有利的，同时也提高了机器人的工作效率。

第二，对仿生六足机器人的控制除需要完成预定运动以外，还要达到规定的定位精度，但加工、制造、安装及使用过程存在的种种偏差都会影响机器人各控制任务的精确执行。一般认为，影响机器人运动和姿态精度的主要因素有：机器人机构的参数误差，即各构件的尺寸误差；关节磨损后出现间隙等引起的动态误差；构件的弹性变形等重视不足，经常会把构件抽象成刚体，把各种误差都折算为结构误差在进行总体补偿，但这与机器人的实际情况相差较大。另外，轴承的旋转精度不仅要由各个相关零件本身而定，而且也由其运行的间隙而定。如果在轴承内座圈与轴或轴承外座圈与座孔之间存在过量间隙，即使高精度轴承也不能保持位置精度。因此，如何选择轴承防止因轴承本身的结构、间隙等影响旋转精度也是关键条件。

我们研制的仿生六足机器人中，轴承主要安装在腿部各关节处。安装在膝关节和髋关节处的轴承A、B，其内圈与驱动腿节的旋转轴相配合，外圈则与另一腿节座孔相配合，使关节连接的两个腿节可以做灵活的相对旋转运动。安装在跟关节上的轴承C，主要对电机轴的旋转起辅助作用，以减少外力对电机轴的径向作用力。

还要看到，机器人的膝关节和髋关节因为使用了锥齿轮传动副，将会在驱动轴上产生轴向载荷，因此轴承A、B可选用SN70000型角接触球轴承，其承载能力较大，可承受以径向载荷为主的径、轴向联合载荷，也适合于安装条件受限制的部位。跟关节轴承C仅承受径向载荷，故可选用深沟球轴承，其结构简单、使用方便、摩擦系数小、传动效率高，较为适合在跟关节处使用。

3.5本章小结

仿生六足机器人机构设计除了要满足系统的技术性能外，还需要满足经济性要求，即必须在满足机器人的预期技术指标的同时，考虑用材合理、制造安装便捷、价格低廉以及可靠性高等问题。

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结论 结论

本次设计的题目是六足步行机器人设计与仿真。以机器人的基本结构为原型，结合新技术对步行机器人进行了初步设计。并对机器人进行了运动学仿真，为该机器人在实际应用中打下了坚实的基础。

结合机器人理论，设计中首先通过计算得到了机构的自由度，然后通过分析六足昆虫运动机理的基础上，采用了仿哺乳类的腿部结构，并针对这种腿部结构设计了六足的行走方式，通过对18个直流伺服电机的控制，采用三角步态，实现了六足机器人的行走功能。而后通过对自然界六足生物的观察确定了近似椭圆形的机体和通过锥齿轮传动的腿部结构并通过计算选取了电机减速器以及一些连接紧固件。最后采用UG软件进行行走运动仿真，以避免干涉和保证结构的合理性。通过仿真，能很直观地观察到机器人动平台在空间运动的情况。验证了所设计的三角步态的适用性。

由于水平有限，难免会出现错误、漏洞和一些不合理的设计，请各位老师批评指正。

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燕山大学本科生毕业设计（论文）

致谢 在三个多月的毕业设计期间，得到了导师田行斌的悉心指导，使我学到了不少知识，老师严谨的态度、渊博的知识和追求真理、勇于创新的精神都给我留下了深刻的印象。田老师对我们要求严格，让我们合理分配时间，以便能够保质、保量地完成毕业设计任务。对于我们不明白的问题，田老师总是给我们耐心讲解，不厌其烦，使我们深受感动。并且还让我们到机器人实验室观察老师们研究的并联机器人实体，使我对机器人的组成有了初步的了解。并且田老师还让我向好多研究生学到了不少深层次的知识，使我体会到了老师们研究工作的繁重，同时也加强了自己的时间观念，抓紧时间做毕设，尽量赶在最前面。田老师每周都会关心地查看我们的进度，并帮助我们解决了设计中遇到的困难，使我们的设计能够顺利地进行下去。同时我也对机械电子工程系的其他老师的耐心指导，表示深深地感谢。还要感谢同组几位同学的帮助。

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