六足爬蟲機器人

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1、 本文的設(shè)計為六足爬蟲機器人，機器人以鋰電池為動力源，單片機為控制元件，伺服電機為執(zhí)行部件，機器人采用三足著地進行運動，通過單片機對伺服電機的控制，機器人能夠?qū)崿F(xiàn)前進、后退等運動方式，三足著地運動方式保證了機器人能夠平穩(wěn)運行。伺服電機具有力量大，扭矩大，體積小，重量輕等特點。單片機產(chǎn)生20ms 的PWM 波形，通過軟件改寫脈沖的占空比，從而達到改變伺服電機角度的目的。 1 機器人運動分析 1.1 六足爬蟲式機器人運動方案比較 方案一：六足爬蟲式機器人的每條腿都能單獨完成抬腿、前進、后退運動。 此方案的特點： 每條腿都能自由活動，每條腿都能單獨進行二自由度的運動。每條腿的靈活性好

2、，更容易進行仿生運動，六足爬蟲機器人可以完成除要求外的很多動作，運動的視覺效果更好。由于每條腿能單獨完成二自由度的運動，所以每條腿上要安裝兩個舵機，舵機使用數(shù)量大，舵機的安裝難度加大，機械結(jié)構(gòu)部分的制作相對復(fù)雜，又由于每個舵機都要有單獨的信號控制，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器人采取三腿為一組的運動模式，且同一側(cè)的前腿、后腿的前后轉(zhuǎn)動由同一側(cè)的中腿進行驅(qū)動。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)的運動方式，各條腿能夠協(xié)調(diào)的進行運動，機器人的運動相對平穩(wěn)。 此方案特點：相比上述方案，個腿能夠協(xié)調(diào)運動，在滿足運動要求的情況下，舵機使用

3、數(shù)量少，節(jié)約成本。機器人運動平穩(wěn)，控制、驅(qū)動部分都得到相應(yīng)的簡化，控制簡單。選擇此方案，機器人還可進行橫向運動。 兩方案相比，選擇方案二更合適。 1.2 六足爬蟲式機器人運動狀態(tài)分析 推薦精選 1.2.1 機器人運動步態(tài)分析 六足爬蟲式機器人的行走是以三條腿為一組進行的，即一側(cè)的前、后足與另一側(cè)的中足為一組。這樣就形成了一個三角形支架結(jié)構(gòu)，當(dāng)這三條腿放在地面并向后蹬時，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器人運動相當(dāng)穩(wěn)定，任何時刻有三足著地，能夠保持良好的平衡，并可以隨時隨地停息下來，因為其重心總是落在三角支架之內(nèi)。 三角步態(tài)行走運動原理： 步

4、行時把六條足分為兩組，以身體一側(cè)的前足、后足與另一側(cè)的中足作為一組，形成一個穩(wěn)定的三角架支撐蟲體，因此在同一時間內(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蟲體前進，中足用以支撐并舉起所屬一側(cè)的身體，后足則推動蟲體前進，同時使蟲體轉(zhuǎn)向，行走時蟲體向前并稍向外轉(zhuǎn)，三條足同時行動，然后再與另一組的三條足交替進行，兩組足如此交替地擺動和支撐，從而實現(xiàn)昆蟲的快速運動，其行走的軌跡線是一條鋸齒狀曲線。 圖2-1 運動示意圖 推薦精選 機器人開始運

5、動時，左側(cè)的 2 號腿和右側(cè)的4、6 號腿抬起準(zhǔn)備向前擺動，另外 3 條腿1、3、5 處于支撐狀態(tài)，支撐機器人本體確保機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)，使機器人處于穩(wěn)定狀態(tài)不至于摔倒（見圖 2-1（a)，擺動腿 2、4、6 向前跨步（見圖 2-1（b)，支撐腿 1、3、5 一面支撐機器人本體，一面在驅(qū)動裝置作用下驅(qū)動機器人本體，使機器人機體向前運動了半個步長!（見圖 2-1（c))。 在機器人機體移動到位時，擺動腿 2、4、6 立即放下，呈支撐態(tài)，使機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

6、2-1(d）），擺動腿 1、3、5 向前跨步（見圖 2-1（e）），支撐腿 2、4、6 此時一面支撐機器人本體，一面驅(qū)動機器人本體，使機器人機體又向前運動了半個步長（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)始實現(xiàn)機器人不斷向前運動。這樣的六組爬蟲機器人每向前跨一步即行走一個步長的距離，也就是三角步態(tài)的的行走原理。 占空系數(shù)β又稱有荷因數(shù)，占空系數(shù)(或負載因數(shù))是信號在一個周期內(nèi)觸發(fā)電平以下或以上的時間百分比。步態(tài)設(shè)計是實現(xiàn)步行的關(guān)鍵之一，為達到較為理想的步行，本文所研究的六足機器人的步態(tài)是β=0.5時的狀態(tài)；在其中的三條擺動

7、腿著地的同時，另外三支支撐腿立即抬起，即任意時刻同時只有支撐相或擺動相。這樣能夠使機器人的行進過程比較連續(xù)，而且比較穩(wěn)定。 在機器人遇到障礙物時，通過傳感器和電路控制裝置，可以控制電動機的旋轉(zhuǎn)方向，使得兩側(cè)的電機的旋轉(zhuǎn)方向相反，從而使機器人轉(zhuǎn)向。 推薦精選 圖2-2 機器人轉(zhuǎn)彎時的步態(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的電機反轉(zhuǎn)，如圖2-2(a)所示(圖2-2中實線代表著地，虛線代表懸空)； 2）這時足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足著地，機器人處于不穩(wěn)定狀態(tài)，直到有四只足著地，使機

8、器人重新回到穩(wěn)定狀態(tài)，由于該不穩(wěn)定狀態(tài)的時間非常短暫，并不影響機器人行走穩(wěn)定的性能。 向左偏轉(zhuǎn)的情況機理也是一樣的，只要使控制足4、足5、足6一側(cè)的電機反轉(zhuǎn)就可以了。 1.3 機器人平衡性分析 由于機器人在運動過程中總有三足著地，其支撐作用的三足構(gòu)成了一個三角形支架機構(gòu)，保證了機器人的重心總是落在三角形支架內(nèi)。在機器人運動過程中的重心位置如下圖所示： 圖2-3 運動過程重心位置示意圖 機器人采用三足支撐，在機器人的運行過程中，任何時刻總有三足著地，構(gòu)成一個三角形支架，并通過對機器人整體尺寸、足部擺角的設(shè)定，可使得機器人的重心

9、總是落在三角形支架內(nèi)，保證了機器人的平衡，三足三足交替支撐，保證了重心在水平面內(nèi)的平穩(wěn)運動。 推薦精選 1.4 微型六足仿生機器人的足端運動軌跡曲線的確定 在進行步行機構(gòu)的運動仿真設(shè)計時，如果將腿直接連在軸上則足端軌跡為圓形。這樣機器人的運動將會呈半圓狀起伏，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器人的平穩(wěn)前進。況且步行機器人要求有很強的環(huán)境適應(yīng)能力，它必須能夠在平面、臺階上穩(wěn)定地行走，又能夠跨越障礙，橫溝，不同的路面對軌跡曲線有不同的要求：對于平地路面要求有一定的速度，對于臺階要求能夠抬起并越過，對障礙物要求順利跨越，可見足端運動軌跡的選擇對于步行機器人來說顯得

10、非常重要。選擇足端運動軌跡曲線時應(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)出曲線的運動特性。該比值越大則足端運動軌跡曲線越高，相應(yīng)的跨越臺階的能力就越強同時前進特性（運動速度）就越差。 （b）曲線弧長：在曲線寬度一定的情況下，曲線長度越長，在空中運動的時間就越長，這將直接影響到擺動腿的速度，進而影響到步行機的運行速度。曲線弧長越短，運動時間就越短，但相應(yīng)的跨越能力就越差。 根據(jù)步行機的行走要求，初步確定足端運動曲線的高寬比和曲線弧長，采用半徑是6mm弧長的足端。 1.5 腿部力學(xué)分析 對六足爬蟲機器人的腿部受力進行分析，通過大致計算可估算出機器人足部運動時所需要

11、的扭矩大小，從而可以確定所需要的舵機的扭矩參數(shù)。支撐足上的舵機2 承受的力通過舵機轉(zhuǎn)軸軸心，支撐足上舵機在承載力時所受扭矩為零，對于支撐足上的舵機要求，只需抬起支撐足即可，可見一般舵機都能滿足工作要求。由于機器人由支撐足支撐而與地面無滑動摩擦，對舵機1 的要求，只需克服機械結(jié)構(gòu)間的摩擦即可。 1.6 機器人運動速度計算 下圖所示： 推薦精選 圖2-4 足部運動范圍示意圖 機器人足部運動示意圖，機器人足部運動由舵機驅(qū)動，舵機的轉(zhuǎn)動角度為Ф=2×18o,在舵機的一個運動周期內(nèi)，機器人運動的直線距離為4M，舵機運動一個周期的用時為0.8s。M=L×sin18o=36

12、mm×sin18 o=11.12mm。機器人在0.8s 內(nèi)的運行距離為:4M=4×11.12mm=44.48mm 機器人的運行速度為:V=4M/0.8s=44.48mm/0.8s=55.6mm/s。 2 機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1 機械結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計 機器人各部分結(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。機器人各側(cè)三足的運動原理是相同的，故只需分析一側(cè)的三足即可。以上已對機器人的運動狀態(tài)進行了分析，機器人的機械結(jié)構(gòu)、傳動機構(gòu)已經(jīng)確定。此時，由于機器人部分尺寸無法確定，所以無法進行機器人的制作。為了方便的確定個機械部分的尺寸，并避免因試制而造成的成本、工作量的增加。首先通過Pro/E 軟件的三維實體功能，進行機器人的實體設(shè)計，通過三維實體的制作可以直觀、準(zhǔn)確的控制個機械部分的尺寸，可以使機器人的結(jié)構(gòu)性更加合理。 推薦精選 （注：可編輯下載，若有不當(dāng)之處，請指正，謝謝!） 推薦精選