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仿生六足机器人机构的设计设计说明书论文

湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生

毕业论文（设计）诚信声明

本人郑重声明：

所呈交的本科毕业论文是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。

同时，本论文的著作权由本人与湖南农业大学东方科技学院、指导教师共同拥有。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

毕业论文（设计）作者签名：

年月日

1.3仿生学原理分析…………………………………………………………4

2.1工作原理分析……………………………………………………………5

2.1.1三角步态原理分析………………………………………………6

2.1.2机器人走动步态分析……………………………………………6

2.4舵机驱动原理与控制方法………………………………………………12

2.4.1舵机原理…………………………………………………………12

2.4.2舵机控制方法……………………………………………………12

仿生六足机器人机构的设计

学生：

刘亮

指导老师：

***

（湖南农业大学东方科技学院，长沙410128）

摘要：

论文简述了课题的背景及目的，对仿生学机器人做了简单介绍。

本文通过对仿生六足机器人的步态规划的研究，确定了六足机器人的足的结构，采用3自由度分析了步态稳定性，实现六足机器人直线行走和转弯行走。

总体设计包含了六足机器人的装配图和零件图的绘制，并对相关零件做了校验，确保机构设计的可行性。

关键词：

仿生学；六足机器人；机构

DesignofBionicHexapodRobotMechanism

Student:

LiuLiang

Tutor:

SunSonglin

（OrientalScience＆TechnologyCollegeofHunanAgriculturalUniversity,Changsha410128）

Abstract:

Thepaperhassummarizedthebackgroundandthegoalofitstopicandhasmadethesimpleintroductionofthebionichexapodrobot.Throughtheresearchofthemotionofthesixfeetoftherobot,Thisdesignhasdeterminedthefootstructure，usingtheanalysisof3degreesoffreedomrealizestheforwardmotionandturningmotionoftherobot.Picturingofthecomponentandassemblymappingofthebionichexapodrobotaswellastheinspectionofrelatedpartswhichensuresthefeasibilityofthemachinerydesignarebothincludedinthetotaldesign.

Keywords:

bionics；hexapodrobot；machinery

1前言

1.1课题背景及目的

机器人是科技和社会的发展的必然产物，机器人的运用促进了生产力的发展，为人类社会文明的进步做出了巨大的贡献。

人工智能技术的研究使得机械向着智能化方向发展，因此机器人的研发已经成为了各国科技竞争的一个重要方面。

机器人的研制水平代表着一个国家的综合科技实力，新型机器人更是能代表一个国家的尖端科技成果。

如今，世界上机器人的应用已经非常普遍，机器人的种类更是繁多[1]。

机器人从传统的单一机构向着多元化转变，人类研究机器人也突破自身视的局限扩展到世间万物。

机器人的研究由结构环境的定点作业向着非结构环境下的自主作业转变，在军事侦查、宇航、抢险救灾、星球探索、抢险救灾等方向显示出广泛的前景。

机器人能在人类不能或难以到达的未知环境中工作，人们要求机器人不仅适应原来结构化的、已知的环境，更要适应未来发展中的非结构化的、未知的环境。

除了传统的设计方法，人们也把目光对准了生物界，寻求从大自然奇妙的生物身上获得灵感，将它们的运动机理和行为方式运用到对机器人的运动和控制中，从而使得机器人既具有感觉有具有某些思维功能，并由这些功能控制动作，具有与生物或者人类相类似的智能。

将仿生学原理应用到工程系统的研究与设计中，为机器人的发展指出了新的方向[2]。

仿生多足机器人是模仿多足动物运动形式的特种机器人。

据调查，地球上近一半的地面不能为传统的轮式或履带式车辆所到达，但很多足式动物却可以在这些地面上行走自如。

因此，仿生多足机器人的运动方式具有其他地面推进方式所不具有的独特优越性能，仿生多足机器人的运动方式具有较好的机动性，对不平整地面具有较好的适应能力。

多足步行机器人在不平地面和松软地面上的运动速度较快，而且能耗较少[2]。

基于仿生多足机器人的诸多的优点，为了充分利用这些优越的性能为人类服务，我们有必要对其进行深入的研究，使仿生多足机器人能在人类社会的发展历程中发挥它的作用。

1.2仿生机器人研究现状及发展趋势

仿生机器人就是通过对生物的性能和行为进行模仿，将其结构特征、运动理、行为方式等应用于机器人的设计中，研制具有某些生物的外形或机能的机器人系统。

仿生机器人的诞生是仿生技术与机器人技术融合的结果，涉及仿生学、力学、机构学、控制学、计算机科学、信息科学、微电子学、传感技术、人工智能等诸多学科，从而使机器人既拥有传统机器人所具有的优点，又将生物运动机理和行为方式作为理论模型运用于机器人的运动控制，借大自然千万年来“自然选择”的造化之手来提高机器人的运动能力和效率，使其突破原有理论的藩篱，大大提高了机器人的运动特性和工作效率。

仿生机器人大致可分为仿人机器人和仿非人生物机器人，仿人机器人是目前机器人技术的前沿课题和具有挑战性的技术难题之一，主要是研究多自由度的关节型机器人操作臂、多指灵巧手的组合既双足步行机器人机构；仿非人生物机器人主要是研究多足机器人、蛇形机器人、水下机器人及飞行机器人等。

当前，仿生机器人研究的热点主要涉及到运动机理仿生、控制机理仿生、信息感知仿生、能量代谢仿生和材料合成仿生。

目前，已经研制出了几款典型的仿生多足机器人，如仿壁虎四足机器人、仿竹节虫六足机器人、仿螳螂六足机器人、仿蜘蛛八足机器人、仿蝎八足机器人等[3]。

机器人的应用范围遍及工业、农业、娱乐、服务和国防各个领域，机器人的

应用朝着多元化、多领域、多用途的方向发展。

机器人正朝着智能化发展，将人

工智能与仿生学相结合制造出类生物机器人。

近年来随着日本仿生机器ASIMO\美国火星探测器等项目的研制成功，智能机器人的研究和发展，特别是能够代替人在危险、恶劣等环境中从事特殊任务的特种智能机器人的研究和发展，成了各国政府制定高技术计划的一个重要内容，支撑智能机器人的关键技术——感知与智能控制技术已成为机器人研究领域的热点之一[1]。

20世纪90年代初，美国麻省理工学院的教授布鲁克斯在学生的帮助下，制造出一批蚊型机器人，取名昆虫机器人，这些小东西的习惯和蟑螂十分相近。

它们不会思考，只能按照人编制的程序动作。

几年前，科技工作者为圣地亚哥市动物园制造电子机器鸟，它能模仿母兀鹰，准时给小兀鹰喂食；日本和俄罗斯制造了一种电子机器蟹，能进行深海控测，采集岩样，捕捉海底生物，进行海下电焊等作业。

美国研制出一条名叫查理的机器金枪鱼，长1.32米，由2843个零件组成。

通过摆动躯体和尾巴，能像真的鱼一样游动，速度为7.2千米/小时。

可以利用它在海下连续工作数个月，由它测绘海洋地图和检测水下污染，也可以用它来拍摄生物，因为它模仿金枪鱼惟妙惟肖。

在美国，科技人员研制设计的金枪鱼潜艇，其实就是金枪鱼机器人，行驶速度可达20节，是名副其实的水下游动机器。

它的灵活性远远高于现有的潜艇，几乎可以达到水下任何区域，由人遥控，它可轻而易举地进入海底深处的海沟和洞穴，悄悄地溜进敌方的港口，进行侦察而不被发觉。

作为军用侦察和科学探索工具，其发展和应用的前景十分广阔。

目前，中国科学院也已经研究出了类似仿生鱼机器人。

研究制造昆虫机器人，其前景也是非常美好的。

例如，有人研制一种有弹性腿的机器昆虫，大小只有一张信用卡的1/3左右，可以像蟋蟀一样轻松地跳过障碍，一小时几乎可前进37米。

美国科学家研制的蜜蜂机器人，在加装太阳能电池板和传感设备后可自主飞行相当长的时间。

这种机器昆虫最特殊的地方是突破了“牵动关节必须加发动机”的观念。

机器人正在向人工智能方向快速发展，仿生机器人的发展也非常快。

机器人的存在价值就在于它能够做很多人类不能完成的任务，人类是有生命体征的动物，对生存条件有很高的要求。

而机器人是一台机器，它没有生命体征，只有在极其恶劣的环境中工作时才会对它机体的材料有比较高的要求。

这样就可以让机器人代替人类去完成那些人类无法完成的任务。

随着人类研究领域的不断扩展，以及人类生活水平的不断提高，机器人的发展也显得越来越重要[3]。

自然界中的各种生物通过物竞天择和长期进化，已对外界环境产生了极强的适应性，在能量转化、运动控制、状态调节、信息处理和方位辨别等方面还表现出高度的合理性。

因此机器人朝着仿生方向发展是必然的。

曾经在IEEE机器人学与仿生学国际学术会议上，与会的机器人专家就指出：

“模仿生物的身体结构和功能，从事生物特点工作的仿生机器人，有望代替传统的工业机器人，成为成为未来机器人的发展方向[1]。

1.3仿生学原理分析

仿生式六足机器人，顾名思义，六足机器人在我们理想架构中，我们借鉴了自然界昆虫的运动原理。

足是昆虫的运动器官。

昆虫有3对足，在前胸、中胸和后胸各有一对，我们相应地称为前足、中足和后足。

每个足由基节、转节、腿节、胫节、跗节和前跗节几部分组成。

基节是足最基部的一节，多粗短。

转节常与腿节紧密相连而不活动。

腿节是最长最粗的一节。

第四节叫胫节，一般比较细长，长着成排的刺。

第五节叫跗节，一般由2-5节个亚节组成：

为的是便于行走。

在最末节的端部还长着两个又硬又尖的爪，可以用它来抓住物体。

行走是以三条腿为一组进行的，即一侧的前、后足与另一侧的中足为一组。

这样就形成了一个三角形支架结构，当这三条腿放在地面并向后蹬时，另外三条腿即抬起向前准备替换。

前足用爪固定物体后拉动虫体向前，中足用来支持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。

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。

并不是所有成虫都用六条腿来行走，有些昆虫由于前足发生了特化，有了其他功能用或者退化，行走就主要靠中、后足来完成了。

大家最为熟悉的要算是螳螂了，我们常看到螳螂一对钳子般的前足高举在胸前，而是由后四条足支撑地面行走[4]。

参考以上的昆虫足部结构，我想出了较简单的方式来表达。

一只脚的两个关节来主动运动，一个关节采用左右式移摆；另一个关节则是采用偏摆式，使得脚可以提高，当做上下运动的一种。

1.4仿生六足机器人的研究方法与思路

本次研究的仿生机器人采用六足设计，而机构设计是仿生六足机器人本次的任务，也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性能。

同时，仿生六足机器人机构的设计除了要满足系统的技术性能外，还要满足经济性能要求，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。

仿生六足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。

现有多组机器人的足数包括三足、四足、六足、八足甚至更多，足的数目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。

足数选择的因素主要有：

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，如腿在主平面内的几何构形和腿杆件的相对弯曲方向等。

此次设计腿的分布如图1所示。

图1仿生六足机器人腿的分布示意图

Fig1Bionicsixfootrobotlegdistributiondiagram

综合足数等因素，本设计的行走步态采用三角步态，这也是六足机器人步行方式通常采用的。

三角步态中，六足机器人身体的一侧的前足和后足与另一侧的中足共同组成一组。

其他三条足组成另外一组。

2整体设计方案

2.1工作原理分析

六足步行机器人的步态是多样的，其中三角步态是六足步行机器人实现步行的典型步态。

以下着重分析三角步态原理。

2.1.1三角步态原理分析

“六足纲”昆虫步行时，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。

目前，大部分六足机器人采用了仿昆虫的结构，6条腿分布在身体的两侧，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，依靠大腿前后划动实现支撑和摆动过程，这就是典型的三角步态行走法。

由于身体重心低，容易稳定，所以这种行走方案能得到广泛运用[5]。

2.1.2机器人走动步态分析

项目设计共使用18个舵机用于步态实现。

每条腿上有三个舵机，分别控制跟关节、膝关节和踝关节的运动，其中两个舵机安装呈正交，构成垂直和水平方向的自由度。

由于腿具有水平和垂直平面的运动自由度，所以考虑利用三角步态实现直线行走。

分别给18个舵机编号（1-18），如下图所示。

图2舵机安装示意图

Fig2Steeringgearinstalledscheme

（1）行走步态分析

由1、2、3、7、8、9、13、14、15号舵机控制的A、C、E腿所处的状态总保持一致（都是正在摆动，或者都在支撑）；同样，4、5、6、10、11、12、16、17、18号所控制的B、D、F腿的状态也保持一致。

当处在一个三角形内的3条腿在支撑时，另3条腿正在摆动。

支撑的3条腿使得身体前进，而摆动的腿对身体没有力和位移的作用，只是使得小腿向前运动，做好接下去支撑的准备。

步态函数的占空系数为0.5，支撑相和摆动相经过调整，达到满足平坦地形下的行走步态要求和稳定裕量要求[7]。

（2）转弯步态分析

项目设计的机器人采用以一中足为中心的原地转弯方式实现转弯，右转弯运动的过程如下：

首先A、C、E腿抬起，然后A、C腿向前摆动，E腿保持不动，B、D、F腿支撑。

然后A、C、E腿落地支撑，同时B、D、F腿抬起保持不动。

最后A、C腿向后摆动。

整个运动过程中B、D、E、F不做前后运动，只是上下运动[7]。

2.2机器人机构的整体设计

六足机器人在步行运动过程中将六条腿分为2组，以虫体的一侧的前足和后足及另一侧的中足为一组，其余的三条腿又为一组。

在运动过程中，会有一组腿抬起，一组腿着地，三只着地的腿不仅保持虫体的平稳性，而且在摆腿的时候产生推动力，使虫体能够完成直线或转弯运动。

本设计中采用的三角步态是将六足机器人的六条腿分为2组，1、3、5号腿为一组，2、4、6号腿为另一组。

六足机器人通过控制2组腿交替地抬起、摆动、放下来实现步行运动。

抬起得每条腿从躯体上看是开链结构，相当于串联手臂，而同时着地的3条腿或6条腿与躯体构成并联多闭链多自由度机构。

步行机器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，相当于机构学上的3自由度球面副，再加上跟关节、膝关节及踝关节（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。

假设步行机器人任一时刻处于支撑相的腿数为n，则此时模型为具有n个分支的空间多环并联机构，其自由度可由下式计算：

（1）

式中：

p----运动副数，p=4n；

----第i个运动副具有的自由度数，

=1（i=1~3n）,

=3（i=3n+1~4n）;

L----独立封闭环数，L=n-1；

----第i个独立封闭环所具有的封闭约束条件数，

=6；

----消极自由度数，

=0；

和

----分别为局部自由度数和重复约束数，

。

将以上参数代入式

（1），可得：

F=3n+3n-（n-1）

6=6

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分支并联机构，有时是6分支并联机构。

6足步行机这样行走，从机构学角度看就是3分支并联机构、6分支并联机构及串联开链机构之间不断变化的复合型机构。

同时，上式也说明，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。

仿生六足机器人腿分布示意图如图3所示。

图3仿生六足机器人腿分布示意图

Fig3Bionicsixfootrobotlegdistributiondiagram

仿生六足机器人的六支腿均布在圆盘状的机身上，根据设计要求：

单腿是具有三自由度的运动副，因此每条腿上装配三个电机以实现三个转动的自由度。

电机的装配位置为腿的跟关节、膝关节和踝关节部位。

基节与机身主板连接，跟关节、膝关节与踝关节每个都有相应的自由度来保证正常的运动。

胫节用于连接关节部位，以保证了良好的运动性，六足机器人的足部分大致采用了仿昆虫的足部设计，具有良好的通过性、优越的实用性以及较好的灵活性。

腿在行走过程中交替地支撑机体的质量，并在负重状态下推进机体向前运动，因此必须具备与整机质量相适应的刚性和承载能力。

项目设计的仿生六足机器人，采用相似的三自由度关节式腿机构，其中膝关节及踝关节分别由电机和锥齿轮共同驱动，以便用简单的机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多个自由度，能够实现机器人步行足在可达域内任意一点的自由定位。

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。

驱动系统在仿生六足机器人中的作用相当于生物的肌肉，它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、精准、灵敏、可靠且便于维护六足机器人的腿生物结构示意图4所示[8]。

图4仿生六足机器人腿的生物结构示意图

Fig4Bionicsixfootrobotlegbiologicalstructurediagram

2.3电机的选择

电机的选择需要考虑机器人的质量和最大扭矩。

则需要有腿的质量和尺寸，通过查阅及预算得出：

上腿（股节）的有效长度为34mm，中腿（胫节）有效长度为34mm,下腿（足）有效长度90mm。

上腿190克，中腿140克，下腿150克。

对腿部进行受力分析，做出受力简图5如下。

图5仿生六足机器人腿的受力简图

Fig5Bionicsixfootrobotlegforcediagram

仿生六足机器人以地面为xoy平面，仿生六足机器人的重心在xoy平面上的投影为坐标原点O，z轴与机身垂直。

仿生六足机器人的每条腿都有三个自由度，每条腿都由上腿、中腿和下腿通过舵机连接而成。

本设计中，上腿的长度为34mm，中腿的长度为34mm，下腿的长度为90mm。

机体和上腿由A舵机连接，上腿与中腿由B舵机连接，中腿和下腿由C舵机连接。

腿着地时，上腿与中腿间的夹角为135度，中腿与下腿间的夹角为135度，抬腿时，B舵机逆时针转动30度。

在仿生六足机器人行走过程中，未了避免腿与腿会碰到，腿摆动时需要选择合适的角度，本设计中运动控制时选择的摆动角度为30度。

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

表示质点系的广义坐标，即有

（2）

，

，

，

，

，

，

，

，

，则仿生六组机器人步行足的广义平衡方程为：

（3）

（4）

其中M2、M3为膝关节和踝关节所需扭矩，l2、l3、m2、m3为胫节、足的长度和质量。

假设仿生六足机器人按“三角步态”行走，支撑相三足均匀承受负荷，则足的反力为：

（5）

仿生六足机器人在实际运动中，存在的情况。

据此，可推算出各关节所需的扭矩为：

（6）

（7）

当θ2=90°，θ2-θ3=30°时，由公式得，关节需输出扭矩最大值为：

（8）

（9）

计算得出，电机的最大输出扭矩要大于1.58N

m。

根据数据选用的伺服马达为TowPro的，型号为SG303。

其主要技术参数如下：

转速：

0.23秒／30度。

力矩：

1.8N

m。

尺寸：

40.4mm×19.8mm×36mm。

重量：

37.2g。

5V电源供电。

舵机的结构如图6所示

图6舵机的内部结构图

Fig6Internalstructureoftheactuator

通过整体设计确定六足机器人的基本结构，通过电机的选择确定仿生六足机器人的质量和腿的尺寸，为后面的零件设计做了准备。

2.4舵机驱动原理

仿生六足机器人采用电动驱动的方式进行驱动，驱动器采用微型直流角位移伺服电动机（舵机）。

2.4.1舵机原理

舵机是一种结构简单的、集成化的直流伺服系统，其内部结构由直流电机、减速齿轮、电位计和控制电路组成。

舵机采用的驱动信号是脉冲比例调制信号（PWM），即在通常为20ms的周期内，输入以0.5-2.5ms变化的脉冲宽度，对应的转角范围从0度变化到180度，脉冲宽度与转角呈线性关系。

控制信号线提供一定脉宽的脉冲时，其输出轴保持在相应的角度上。

若舵机初始角度状态在0度位置，那么电机只能朝一个方向运动。

所以初始化的时候，应将所有电机的位置定在90

度的位置。

机器人跟关节连接的舵机转轴为水平转动，控制腿部前进和后退。

2.4.2舵机控制方法

标准的舵机有3条导线，分别是：

电源线、地线、控制线。

图7标准舵机

Fig7Standardsteeringgear

电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源，电压通常介于4-6V，这里取5V。

给舵机供电电源应能提供足够的功率。

控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20ms（即频率为50Hz）。

当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生变化，角度变化与脉冲宽度成正比。

从上述舵机转角的控制方法可看出，舵机的控制信号实质是一个可调宽度的方波信号（PWM）。

该方波信号可由FPGA、模拟电路或单片机来产生。

采用FPGA成本较高，用模拟电路来实现则电路较复杂，不适合多路输出。

所以一般采用单片机作为舵机的控制器。

这里主要对机构进行设计，单片机电子部分就暂不过多研究了。

图8舵机输出转角与输入信号脉冲宽度关系

Fig8Actuatoroutputangleandinputsignalpulsewidth

3零件的设计

3.1躯干的设计

仿生六组机器人的六条腿为均布在圆盘状得机身上，为了设计简洁，故将机身做成圆片形，直径为150mm。

上下各一个