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多足机器人行走机构设计论文

摘要

本文旨在设计一种能够实现灵活、全方位运动的机器人的行走机构。

本文设计的多足步行机器人具有冗余驱动、运动拓扑的特点。

为实现其步行全方位机动性及作业多功能性，需要解决一系列的技术问题，而结构设计是其中的关键。

首先，对于国内外机器人的发展现状进行阐述和比较，并分析了多足机器人的研究趋势；接着，从机构自由度入手，明确设计思路，确定行走机构结构，对主要零件、构件进行设计，分析机构的受力情况，找出较危险的零件，并对其强度进行校核。

最后,初步研究了机器人的行动方式，拟定了简单的步态规划方案，规划了机器人直线行走步态、定点转弯步态。

关键词：

多足机器人；机构自由度；行走机构；机构设计

Abstract

Thispaperaimstodesignatravellingmechanismofaflexibleandomnibearingmotorialrobot.Themultipedwalkingrobotreferredtothispaperhasthecharacteristicsofredandantdriveandtopologicalmotion.Inordertoachieveitsomnibearingwalkingmobilityandworkingpolyfunctionality,aseriesoftechniquequestionsneedtoresolved,ofwhichthestructuraldesignisthekeypoint.

Firstly,thepaperstatesthecurrentsituationoftherobotsdevelopmentandcomparesthedifferencesoftherobotsbothdomesticandoverseas.Moreover,itanalysestheresearchtrendofmultipedrobots.Secondly,itmakeclearofthedesigningideasandconfirmthetravellingmechanismintermsofthestructuralvariance,aswellasdesigningthemajorpartsandconstuctionalelements.Besides,itanalysesthestressstateofthemechanism,tryingtofindouttheratherdangerouspartsandcheckingtheirintensity.Finally,itinitiallyresearchthewalkingpatternsoftherobotsandmakeoutasimpletreadprogram,whichplansouttherobottreadoflinearwalkingandfixedpointswerving.

Keyword：

Multipedrobot;Degreeoffreedom;travellingmechanism;Mechanicaldesign

第一章绪论……………………………………………………………1

1.1引言……………………………………………………………1

1.2国内外多足机器人发展概况………………………………1

1.3多足机器人研究发展趋势……………………………………3

第二章多足机器人行走机构的设计及校核…………………………5

2.1多足机器人行走机构结构的拟定……………………………5

2.2重要组件的设计及校核………………………………………6

2.2.1重要组件的选定………………………………………6

2.2.2圆柱凸轮的设计………………………………………7

2.2.3凸轮滚子轴的强度校核………………………………7

第三章其它部分设计…………………………………………………9

3.1电机和减速器的选用…………………………………………9

3.2机器人步态初步规划…………………………………………9

设计总结………………………………………………………………11

参考文献………………………………………………………………12

致谢……………………………………………………………………13

第一章绪论

1.1引言

步行机器人是模仿动物的运动形式，采用腿式结构来完成多种移动功能的一类特种机起人。

参照工业机器人的标准定义，可以把步行机器人理解为“一种由计算机控制的用足机构推进的地面移动装置”以区别于行走式机械玩具及固定行走模式的机械装置。

通常足数多于或等于四的步行机器人称为多足步行机器人，该类机器人能够在不平的路面上稳定地行走，可以取代轮式车完成在一些复杂环境中的运输作业，因此多足步行机器人在军事运输及探测、矿山开采、水下建筑、核工业、星球探测、农业及森林采伐、教育、艺术及娱乐等许多行业有着非常广阔的应用前景。

长期以来，多足步行机器人技术一直是国内外机器人领域研究的热点之一。

为了探索多足步行机器人技术的研究前沿，给我国多足步行机器人工程实用化开发提供关键技术的支持，开展多足步行机器人相关理论和技术的研究具有十分重要的科学意义和应用价值。

1.2国内外多足机器人发展概况

多足步行车最早可以追溯到中国古代的“木牛流马”。

Muybridge在1899年用连续摄影的方法研究动物的行走，则是人们研究多足机器人步态的开端。

二十世纪六十年代，机器人技术的研究进入了以机械和液压控制实现运动的发展阶段。

美国的Shigley（1960年）和Baldwin（1966年）就使用凸轮连杆机构设计出比轮式车或履带车更为灵活的步行机。

这一阶段比较典型的是美国的Mosher于1968年设计的四足车"WalkingTruck"（如图1所示）[1]，步行车的四条腿由液压伺服马达系统驱动，安装在驾驶员手臂和脚上的位置传感器完成位置检测功能。

虽然整机操作比较费力，但实现了步行及爬越障碍的功能，被视为是现代步行机发展史上的一个里程碑。

从步态规划及控制的角度来说，这种要人跟随操纵的步行机并没有体现步行机器人的实质性意义，只能算作是人操作的机械移动装置。

图1四足车"WalkingTruck"

第二阶段，由于计算机大计算量的复杂数据处理能力的提高，机器人技术进入了全面发展的阶段。

1987年，K.J.Waldron等研制成功了ASV六足步行机器人；1989年，W.Whittake等成功研制了用于外星探测的六足机器人AMBLER；1993年1月，八足步行机器人DANTE用于对南极的埃里伯斯火山的考察，而后，其改进型DANTE-II也在实际中得到使用。

在航空领域，美国NASA研制了爬行机器人“spider-bot”；英国在1993研制了六足步行机器人“MARV”（如图2所示）[2]；印度也于2002年研制了六足行走式机器人“舞王”，（如图3所示）[2]。

图2六足步行机器人“MARV”

图3六足行走式机器人“舞王”

第三阶段，多功能性和自主性的要求使得机器人技术进入新的发展阶段。

由于许多危险工作可以由机器人来完成，这就要求机器人不但要具备完成各种任务的功能，还必须有自适应的运动规划和控制性能。

所以，多足步行机器人的研究也进入了融合感知、规划和行动与交互的自主或与人共存的新一代机器人研究阶段。

在国内，中科院沈阳自动化研究所、清华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、国防科技大学等单位和院校都先后开展了机器人技术的研究，并在多足步行机器人技术的发展上也取得了较大的成果。

但与工业机器人相比，三十多年来步行机器人的研究进展缓慢，除很少几台投入实际试用外，大多数研究开发工作基本上没有走出实验室。

制约多足步行机器人技术进一步发展的基础理论问题并没有得到根本的解决。

1.3多足机器人研究发展趋势

随着对多足步行机器人的研究的日益深入和发展，多足步行机器人在速度、稳定性、机动性和对地面的适应能力等方面的性能都将不断提高，自主化和智能化也将逐步的实现，从而使其能够在更多特殊环境和场合中使用，因而具有广阔的应用前景。

[1]

纵览当前多足步行机器人的发展，多足步行机器人有以下几个值得关注的趋势：

（1）多足步行机器人群体协作

多个多足步行机器人协调合作共同完成某项任务。

与单个多足步行机器人相比，多个多足步行机器人的总负荷更大，可以携带的仪器和工具更多，功能性更强。

它们之间通过通信进行协调，也可以按照某种规则指定主机器人和从机器人，从而按照一定的队形和顺序对目标进行不同的测量和操作。

而当其中某一多足步行机器人出现故障时，其它机器人还可以照常工作，大大提高了工作效率和可靠性。

（2）多足步行机器人的智能化

传统步态规划的方法是在机器人逆运动学的基础上，并且己知步行环境，来计算机器人各驱动关节转角的。

这就提出了在机器人对未知环境的识别后，具有普遍实用意义的智能化的自主步态规划生成及控制的研究，以及对机器人实现步行空间精度定位问题的研究。

（3）多足步行机器人的模块化和可重组

针对不同的工作环境，机器人需要根据环境的变化对自己的姿态进行调整。

而模块化设计的多足步行机器人则可以根据环境的不同进行自重构。

自重构多足步行机器人比起固定结构的多足步行机器人对地形的适应性更强，可应用的场合更多。

因此，自重构机器人是多足步行机器人的发展方向之一。

第二章多足机器人行走机构的设计及校核

2.1多足机器人行走机构结构的拟定

步行机器人的机械部分是机器人所有控制及运动的载体，其结构特点直接决定了机器人的运动学特征，其性能的好坏也直接决定了功能可行性[4]。

多足步行机器人的机构系统主要包括机器人腿部件的布局、腿部件的结构形式、腿的数量等，而其中腿部件的结构形式是多足步行机器人机构的重要组成部分，是机械设计的关键之一。

因此，从某种意义上说，对多足步行机器人机构的分析主要集中在对其腿机构的分析。

一般地，从机器人结构设计要求看，腿机构不能过于复杂，杆件过多的腿机构形式会引起结构和传动的实现产生困难。

因此对多足步行机器人腿机构的基本要求可以归纳为：

（1）实现运动的要求；

（2）承载能力的要求；

（3）结构实现和方便控制的要求。

为了设计行走机构的结构，我们首先引入空间自由的的概念：

一个杆件（刚体），在空间上完全没有约束，那么它可以在3个正交方向上平动，还可以有三个正交方向的转动，那么就有6个自由度。

若在二维空间中有n个完全不受约束的物体，选其中的一个为固定参照物，因每个物体相对参照物都有6个运动自由度，则n个物体相对参照物共有6（n-1）个运动自由度，若在所有的物体之间用运动副联接起来，设第1个运动副的约束为ui如果所有n个物体之间的运动副数目为g，这时的运动自由度应减去所有的约束数的总和。

（1）

一般地，多足步行机器人能实现灵活的行走动作，其腿机构至少必须有两个自由度，即前后的摆动和上下的抬放运动。

构成两个自由度地方法可以都采用回转副，或是采用一个回转副和一个可伸缩的移动副，还有就是采用两个移动副，将前后的摆动变为前后滑移。

目前，这种两自由度的腿机构多足机器人的研究中以有了较多的应用，但是想利用腿的转动改变前进方向，或是在原地旋转，那腿部机构就至少三个自由度，即在两自由度腿上加一个水平旋转自由度。

也就是说机构空间自由度M=3。

基于空间三自由度机构，我们设计出如下结构，结构图如图4所示

图4行走机构结构简图

以A点实现第一个自由度，即控制机器人腿的上下抬放运动，B为摆动中心轴，A处上下循环运动，带动连杆机构周期性的上下抬放。

以C点实现第二个自由度，即处控制机器人腿的前后运动，C点前后循环运动带动连杆机构周期性前后摆动。

第三个自由度，机器人的转向无需在增加原动件，只需在步态控制上就能达到，简单地说如果左侧腿摆动比右侧慢，则机器人向左拐，反之亦然。

2.2重要组件的设计及校核

2.2.1重要组件的选定

行走机构的主体部分由连杆组成，这里不作赘述。

本文主要考虑图4所示A点和C点处控制行走机构分别做上下抬放运动和前后摆动的组件。

在整个机构中，此两处起到了传动和实现规定步态的重要作用，并且是受力比较复杂的组件之一，所以本文将其作为整个机构设计的基础。

本文选用圆柱凸轮来实现A、C处的运动，不但运动循环性好，而且凸轮机构使机器人足部落地静止时平衡自身整体重力所需的转矩无需有电机转动来实现，大大提高了机器人的承载能力和电机的使用寿命。

2.2.2圆柱凸轮的设计

A点、C点处控制机器人的抬放腿、前后摆腿选用圆柱凸轮来实现。

考虑到结构的紧凑，凸轮理论周长S0不宜过大；同时，为了保证凸轮和凸轮滚子的强度，理论周长S0也不能太小，经过多次设计选择，考虑结构和强度的关系最后确定理论周长S0取120mm，相应的理论直径d0约为38.2mm。

由于凸轮的槽深与凸轮的直径大小有直接关系，所以最后确定外径为46mm内径28mm槽深9mm。

（见附图一）

2.2.3凸轮滚子轴的强度校核

在整个机构中，凸轮滚子是力从电机传递到腿的中心零件（见附图二），而目由于其尺寸较小，属于比较危险的容易失效零件，所以对其进行校核非常必要。

而在分别负责上下摆动和前后摆动的两组凸轮中，又以负责上下摆动的凸轮起滚子轴受力最大，这是因为在腿的落地阶段，即凸轮的静止行程，机器人整体的重力是由凸轮轴承受的。

所以这里我们考虑图4中A点处负责机器人腿上下运动的凸轮的校核。

机器人自身的重力支反力由足传到A处滚子轴，以3+3六足机器人为例：

机器人自身估重30kg，由于三条腿在身体两侧同时着地，其中一侧只有一条腿着地，承受的力为机器人重力的一半。

（2）

——凸轮轴的支反力

——机器人重力的支反力，Fg=30g，g取10

（3）

——凸轮滚子轴的当量载荷，考虑冲击的影响，在

的基础上乘以系数1.33

轴的剪切弹性模量

（4）

d——轴的直径

循环应力的特性值分别为

（5）

=-74MPa

轴采用24Cr深渗碳淬火，疲劳极限为

安全系数

（6）

——有效应力集中系数，取2.7

——尺寸因数，取0.87

——表面质量因数，渗碳淬火取3

考虑到工作情况安全系数取n=3，小于计算得到的安全系数，所以满足强度条件。

第三章其它部分设计

3．1电机和减速器的选用

为了实现整体结构的紧凑和性能的良好，本文设计的机器人选用了瑞士FAULHABER集团生产的直流电动机和精密减速器作为机器人的心脏。

FAULHABER集团产品代表着当今世界微电机制造工艺和指标的最高标准。

FAULHABER产品与传统的直流电机相比，其优异性关键在于电机转子的不同上。

FAULHABER直流电机采用斜绕方式的空心杯转子，没有齿槽效应以及非常轻的重量，这使得转子转动惯量极小。

对小功率产品，FAULHABER电机采用精密合金换向器，因其接触电阻低而使性能优良。

选取抬落电机的型号为2224-006SR型精密减速电机，参数如下:

名义电压6V

最大输出功率4.55W

最大效率82%

输出转速100r/min

选取前后摆电机的型号为2232-O15SR精密减速电机，参数如下:

名义电压15V

最大输出功率8.41W

最大效率85%

输出转速120r/min

3.2机器人步态初步规划

本文以3+3型六足机器人为例，为了方便阐述，我们把左侧的三条腿分为A组，右侧的则分为B组。

[5,6,9,10]

（1）直线行走步态规划:

直线行走步态的摆腿顺序虽可分为A组-B组或B组-A组，但其步行的效果上是一致的，这单以A组-B组的摆腿顺序为例，规划机器人在一个步态周期中的步行。

阶段1:

机器人六条腿都着地，机身前移，重心前移；

阶段2:

A组腿作摆动腿，摆起；B组腿作支撑腿；重心继续前移；

阶段3:

机器人六条腿着地，做姿态调整，重心前移；

阶段4:

B组腿作摆动腿，摆起；A组腿作支撑腿；重心继续前移，完成一个步态周期。

（2）定点转弯步态规划:

定点转弯步态也将步态周期划分为4个执行阶段，其摆腿顺序也有两种:

A组-B组或B组-A组。

若A组腿先摆动，机器人右转，若B组腿先摆动，则左转。

这里机器人的摆腿顺序B-A，左传转动ψ个角度为例来规划。

阶段1:

机器人做姿态调整，六条腿站地支撑，站地点不变，机身转动；

阶段2:

B组腿摆起，转动，A组腿支撑；

阶段3:

机器人做姿态调整，六条腿站地支撑，支撑点不变，机身转动；

阶段4:

A组腿摆起，转动，B组腿支撑。

设计总结

本文针对自行设计的多足仿真机器人行走机构，完成了如下工作：

（1）综合分析了目前多足机器人的步行机构，理解所研制的六足步行机器人的结构特点，并进行运动学分析。

（2）设计了机器人的机械部分，并进行了校核。

（3）初步研究了机器人的行动方式，拟定了简单的步态规划方案。

在上述的工作中主要体现了如下几点创新:

（1）传动部分的凸轮机构使机器人足部落地静止时平衡自身整体重力所需的转矩无需由电机转动来实现，大大提高了机器人的承载能力和电机的使用寿命。

（2）凸轮滚子的轴承外置方式使凸轮的尺寸减小同时增加了滚子轴的强度。

在高技术发展的推动下，针对多功能的应用情况和复杂的工作环境，对机器人机械结构的设计和研究应该更加深入和全面，只有在良好的机械平台上，结合合理、有效地控制策略，才能更好的规划机器人的步行，体现其作为足式机器人的优点和特点。

参考文献

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[6]汪劲松，张伯鹏.全方位双二足步行机器人（H）——步行模式规划，清华大学学报（自然科学版）,1994,Vol34,No.5:

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[14]DominiekReynaerts,TanPeirs,HendrikVauBrussel.Sliapememorymicro-actuationforagastro-intestuialuitercentionsystem.SensorsandActuators771999157-166

致谢

本篇论文虽然凝聚着自己的汗水，但却不是个人智慧的产品，没有导师的指引和赠予，没有同学和朋友的帮助和支持，我在大学的学术成长肯定会大打折扣。

当我打完毕业论文的最后一个字符，涌上心头的不是长途跋涉后抵达终点的欣喜，而是源自心底的诚挚谢意。

我首先要感谢我的导师，对我的构思以及论文的内容不厌其烦的进行多次指导和悉心指点，使我在完成论文的同时也深受启发和教育。

此外，还要各位同学对我的帮助。

我也在努力的积蓄着力量，尽自己的微薄之力回报母校的培育之情，争取使自己的人生对社会产生些许积极的价值！

忽略此处..