机械维修及其检测技术教育.doc

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1、摘 要紧急救援空投机器人可以在地震后通信和道路中断、人员无法进入的极端环境下在第一时间空投进入灾难现场。通过机器人携带的各种传感器，如摄像头、语音交互系统、各种有毒气体传感器等来探测灾难现场的情况，对于营救和全局调度具有重要作用。设计的六足空投机器人，装有两台直流减速电动机。每一台直流减速电动机旋转带动四个链轮转动。四个链轮分成两组，把前足、中间足和后足连接起来。因为两腿间的初始位置差180，所以能够通过六个足实现三角步的不断循环，从而能使两个直流减速电动机控制的六个足做出较复杂的运动：前进、后退、左转、右转、爬坡等。本课题主要是分析和设计六足空投机器人的足，以及对六足空投机器人携带的电动机、

2、电池、听觉和视觉传感器进行选型。所设计的六足空投机器人将在异常危险与复杂灾难环境下进入灾区完成灾难环境下信息快速获取和实施紧急救援，是机器人学中的一个新兴研究领域。关键词：灾难环境；紧急救援；六足空投机器人；传感器ABSTRACTThe urgent rescue air-drop robot can drop into the disaster scene under the extreme environments of the communication difficulties ,the road disruption and frohibited from entering that

3、 caused by the earthquake in the first time.Each kind of sensor which carries through the robot, like the camera, the pronunciation interactive system, the noxious gas sensor reconnaissance disaster scenes birthplace matter, it has the influential role regarding the rescue and the overall situation

4、dispatch. The design six-feet airdrop robot, is loaded with two direct-current deceleration electric motor. Each direct-current deceleration electric motor revolving leads four chain wheels rotations. Four chain wheels wheels divide into two groups, the head foot, the middle foot and the latter foot

5、 are connected.Because initial point difference between two legs 180, six feet can realize a triangle step unceasing circulation fully.Two direct-current deceleration motor control six feet to make the complex movement: Advance, backlash, left-turn, right-turn, climbing up and so on. This topic is m

6、ainly analyzes and designs six-feet airdrop robots foot,and chooses six-feet airdrop robots electric motor, battery, sense of hearing and visual sensor model. The design six-feet airdrop robot will enter the disaster area under the abnormal risk and the complex disaster environment to complete the d

7、isaster environment collection information and Implements the emergency rescue service. Robotics is a new research area.Key words: Disaster environment; Emergency rescue; Six-foot airdrop robot; Sensor 39天津工程师范学院2009届本科生毕业设计目 录第一章 绪论11.1项目提出的背景11.2灾难救援机器人技术发展现状与趋势11.3设计的主要任务3第二章 设计方案的选择52.1 轮式机器人52.

8、2 履带式机器人62.3 足式机器人82.4方案的分析比较及确定92.4.1履带式机器人与轮式机器人的比较92.4.2步行式机器人与履带式机器人比较102.4.3方案的确定10第三章 六足空投机器人的设计113.1步态的原理设计113.1.1前进时的步态行走123.1.2转弯时的行走步态133.2腿部结构设计与分析143.2.1腿的结构参数确定143.2.2六足机器人的腿端运动轨迹曲线的轨迹分析143.3六足机器人身体部分机构设计163.4驱动电动机选型173.5电池的选型203.6传感器的选型21总 结24参考文献25英文资料26中文翻译34致 谢39第一章 绪论1.1项目提出的背景我国70

9、以上的城市、50%以上的人口分布在气象、地震、地质、海洋等自然灾害严重的地区。这些年来发生的重大自然灾害，更是给我国人民生命财产和经济社会发展造成了重大损失。2008年5月12日，我国四川汶川发生特大地震，给受灾地区群众生命财产和经济社会发展造成重大损失。所以在地震、化工厂爆炸等灾难发生后，往往道路、通信中断、有毒气体弥漫，救援人员难以进入灾难地区。并且由于雷雨等多变的天气和多次的余震，卫星成像的准确性极大下降，获取灾难信息非常困难。2008年6月23日，胡锦涛总书记在中国科学院第十四次院士大会和中国工程院第九次院士大会上指出：“要加快遥感、地理信息系统、全球定位系统、网络通信技术的应用以及防

10、灾减灾高技术成果转化和综合集成，建立国家综合减灾和风险管理信息共享平台，完善国家和地方灾情监测、预警、评估、应急救助指挥体系”。 在这种极端条件下，无人机虽然能够进行大面积的信息收集，但是价格昂贵，机载系统复杂易出故障，易受天气、烟雾、伪装和电子干扰的影响。而伞降救援险象环生，空投士兵具有极大的危险性。紧急救援空投机器人可以在灾难环境下克服复杂天气和多变环境的影响在第一时间空投进入灾难现场。通过机器人携带的各种传感器，如摄像头、语音交互系统、各种有毒气体传感器等，探测灾难现场的情况。这样空投机器人系统就可以及时探测灾区的第一手现场信息，对于营救和全局调度具有重要作用。总之，针对在异常危险与复杂

11、灾难环境下研制与开发用于搜寻灾难救援机器人，是机器人学中的一个新兴研究领域。因此，本项目研究课题具有重要的理论意义与实用价值。1.2灾难救援机器人技术发展现状与趋势1995年发生在日本神户大阪的大地震，及其之后发生在美国俄克拉荷马州的阿尔弗德联邦大楼爆炸案揭开了救援机器人技术研究的序幕，在救援机器人技术发展史上具有里程碑式的重要意义。尤其是机器人在911事件中的成功应用，引发了人们研究救援机器人的热潮，至今已经有大量的研究成果在各种期刊与杂志上发表，理论和实际应用都取得了很大的进步。目前，世界各国已经研制出了各式各样的救援机器人系统，并在实践方面积累了丰富的经验。日本是一个多核能、多地震的国家

12、，其在救援机器人方面开展了相对全面的工作。自1995年神户大阪地震发生后l0多年间，日本在灾难救援防护方面已经形成了完备的国家体系。日本东京工业大学的广濑是最早从事救援机器人研究的学者之一，他所领导的广濑研究室，在考虑到灾害现场的援助作业最重要的是确定受灾害者的位置，必须依靠能够在像瓦砾那样狭小的场所移动的机器人来探察，为此他们研制出了“SOURYU-I”和“SOURYU-II”型救援机器人。东京工业大学的KAMEGAWA等人提出了一种新的救援机器人平台，该机器人由多节履带车连接而成，能够进入狭窄的空间，具有很好的越障能力和地面适应能力。电气通信大学忪野文俊研究室研制出一种信息搜集用机器人“M

13、A-1”。神户大学高森年等研制的“UMRS”系列机器人，旨在将机器人用于废墟瓦砾中的探察作业。同时，日本的一些大公司也介入了救援机器人的研究和开发。SMERT-M是东芝公司研发的一种用于狭窄空间进行检测和危险现场搬运作业的机器人，可以搬运5kg左右的重物；“SWAN”是三菱重工研制出的一种具有地形适应能力，可以进行中等重载搬运作业的机器人，可以搬运10kg左右的重物；Tmsuk公司研发的一种巨型救援机器人“援龙”，它在发生火灾时可以进行清除瓦砾、完成推土机或铲车无法承担的精细作业。美国在“9.11”事件后，灾难救援机器人技术日益受到重视，尤其是“9.11”事件中的灾难现场救援被认为是灾难救援机

14、器人的第一次实际应用，投入使用的部分机器人。其中，Inuktun公司投入使用了“MicroVGTV”、“MicroTraces”和“Mini Traces”三种机器人，它们的体积小，重量轻，在废墟堆上用的最多，“Micro VGTV”和“Micro Traces”被证明更适宜于救援作业。Foster-Miller公司也使用了“Talon”，“SOLEM”和“Urbot”三种机器人系统：“SOLEM”被用于废墟堆中的作业，“Talon”和“Urbot”被用于建筑物的内部检测，它们具有更好的传感和承载能力，而且具有较快的移动速度。美国许多高校的研究中心、国家研究机构和公司也同时进行了救援机器人的研

15、究。南佛罗里达大学研制出安装有医学传感器的救援机器人“Bujold”，它能够在灾难现场获取幸存者的生理信息和环境信息，并将其传送到外界。其底部采用了可变形履带，使得驱动具有较高的运动和探测能力。明尼苏达州大学的STOETER等人研制出了一种特殊的机器人“SCOUT”，它具有简单的传感单元、运动单元和专门的作业工具，该机器人外表的弹性防护轮具有保护作用。南加利福尼亚大学SHEN等人研制出了一种模块化可重构的救援机器人“CONRO”。在美国，用于灾难救援和探测的无人自主直升机同样也得到众多研究者的重视。自主直升机具有高空探测和投掷等作业能力，非地面移动机器人所能够代替。救援机器人“Urbie”系列

16、能够用于城市灾难环境探测的救援作业，特别是采用轮、腿、履带复合式的移动机构使机器人具有更强的运动能力。CMU研制的无人自主直升机能够迅速和系统的大面积搜索，能够准确的判断灾情以及发生事故或灾后受灾者的位置，从而指导救援队伍的行动方向，特别适应于森林火灾、海难、污染地区和放射性地区的救援作业。在我国，一些专家学者也意识到了灾难救援等危险作业机器人技术研究的重要性，国内的许多高校和研究所在海难救援机器人、自主救援无人机和地面移动特种作业机器人等救援机器人技术方面也开展了广泛地研究。如为开采煤矿研制的履带式煤矿事故抢险探测机器人，采用履带加前后摆臂的运动方式，同时对机器人进行了防水、防爆、电磁兼容等

17、可靠性设计，并且该机器人本体携带了易爆气体、温度及风速等传感器；研制了可在各种地貌上行走，可翻越垂直障碍、沟壑、爬楼梯的变结构履带移动机器人；履带式可重构微小型机器人，能够自动散开进行环境侦测或执行其它任务。研制的轮足复合式移动机器人全面综合了轮式机器人运动速度快、足式机器人越障能力强等优点，可用于危险环境的检测。2002年由上海消防研究所、上海交通大学和上海消防局三家单位共同承担的国家863项目“履带式、轮式消防灭火机器人”研制成功并顺利通过验收。在国家863计划资助下，中科院沈阳自动化所研制了蛇形机器人、水面救援机器人、基于复合机构的非结构环境移动机器人等。2005年9月l2日，中科院沈阳

18、自动化研究所与日本国际灾难救援系统研究院联合成立了“中日救援及安全机器人技术研究中心”，实现了强强联合，有效推动了机器人技术在灾难救援中的应用。中国矿业大学于2006年6月成功研制了我国第一台用于煤矿救援的“CUMT-1”型矿井搜救机器人。西安邮电学院也成功研制出了一种可用于矿难救援的机器人。清华大学、北京航空航天大学、西安交通大学，上海交通大学等高等院校也开展了相关技术的研究。在其他国家9.11事件后，灾难救援机器人的研究同样得到其他国家的重视。意大利罗马大学系统学科与工程学院人工智能实验室启动了“救援工程”，加拿大国防部从国防安全的角度制定了救援机器人研究计划，英国、伊朗等过也涌现了许多救

19、援机器人研究者和救援机器人比赛的参与者，他们从机构、传感、控制和仿真等多个角度对救援机器人进行研究。救灾救援机器人的研发具有非常深远影响和现实意义，必将在救援工作中发挥不可替代的积极作用，产生良好的社会经济效益。同时，将机器人技术、营救行动技术、灾难学等多学科知识有机融合，研制与开发用于搜寻和营救的灾难救援机器人具有重要的意义，也是机器人学领域研究中的一个富有挑战性的新领域。1.3设计的主要任务本课题面向地震后通信、道路中断、人员无法进入的极端环境，研发空投机器人系统进入灾区完成灾难信息的收集和紧急救援，但由于在机构、控制、传感器、通信、系统可靠性、系统集成等各方面要求高，难度大，涉及学科范围

20、广，故在研究方法上采取宏观总体设计与各技术模块独立研究相结合的方法。设计的主要内容如下：1. 六足空投机器人的机构设计；2. 六足空投机器人携带的传感器的选型。第二章 设计方案的选择机器人的控制系统是整个设计的核心，选用什么控制，对整个系统的可靠性有着十分重要的意义。地面移动机器人的移动方式多种多样，主要的移动机构有：车轮式（轮式）、履带式、腿足式（步行机器人）等。2.1 轮式机器人车轮式移动是最常见的一种地面行进方式。车轮式移动的优点是：能高速稳定的移动，能量利用效率高，机构和控制简单，而且技术比较成熟。它的缺点是对路面要求较高，适于平整硬质路面。如图2-1所示，为轮式机器人。一般情况下轮式

21、机器人有两种类型：即常四轮驱动和二轮驱动。四轮驱动轮式机器人在平时使用两轮驱动，只有在必要的情况下才使用四轮驱动。在结构方面常四轮驱动比半四轮驱动多了一个中央差速器机构，从而避免了“急转弯制动现象”。图2-1 轮式机器人示意图四轮驱动的轮式机器人尤其是常四轮驱动的轮式机器人具有优越的行驶性能，其具体优点如下。 （1）、提高通过性：由于四轮驱动的四个车轮都传递动力，所以轮式机器人所获得的驱动力是两轮驱动的2倍。且前后轮相互支持，这样大大提高了在湿滑冰雪路面和凹凸不平路面的通过性。 （2）、提高爬坡性：同理，四轮驱动的轮式机器人可以爬上两轮的轮式机器人爬不上去的陡坡。 （3）、转弯性能极佳：轮胎的

22、附着力与传输至道路的动力大小有密切的关系，随动力的增大，轮胎的转弯力趋向减小。动力减小，转弯力升高，提高湿滑路面与变换车道时的性能。 （4）、启动和加速性能极佳：四轮驱动的的轮式机器人，发动机功率平均传递至所有四个车轮，四个车轮的附着力都可以被有效利用。所以即使猛然将加速踏板踩到底，车轮也不可能空转，从而提高了的机器人的启动和加速性能。 （5）、直线行驶稳定性：由于每个车轮的剩余附着力升高，所以车轮抗外界扰动的能力得到增强。因此常四轮驱动显示出优越的方向稳定性。 当然四轮驱动的的轮式机器人也并非十全十美，其缺点如下：结构复杂、重量增加、成本升高、震动和噪音略有升高、能耗增加。但显而易见四轮驱动

23、的优越性远远超过了其缺点。2.2 履带式机器人履带式移动机构实际是一种自己为自己铺路的轮式机构。它是将环状循环轨道履带卷绕在若干滚轮外，使车轮不直接与地面接触。坦克之所以能爬陡坡，越宽壕，涉深水，克垂壁，穿沼泽，过田野，驰骋战场无所阻挡，是因为它有两条特殊的履带，人们常称之为坦克的“无限轨道”或坦克“自带的路”。如图2-2所示，为履带式机器人。图2-2履带式机器人示意图履带是由主动轮驱动、围绕着主动轮、负重轮、诱导轮、托带轮的柔性链环、履带板和履带销等组成。履带销将各履带板连接起来构成履带链环。履带板的两端有孔，与主动轮啮合，中部有诱导齿，用来规正履带，并防止坦克转向或侧倾行驶时履带脱落，在与

24、地面接触的一面有加强防滑筋（简称花纹），以提高履带板的坚固性和履带与地面的附着力。主动轮是个主动件，它由轮毂、齿圈、带齿垫圈、锥齿杯、固定螺帽和止动螺栓组成。它通过齿轮和履带啮合，将侧减速器传来的动力传给履带而使坦克运动。诱导轮是个从动轮，用来诱导和支撑履带，并与履带调整器一起调整履带的松紧程度。它由轮毂、轮盘、滚珠轴承、轮轴盖、固定螺帽、双排滚珠轴承、支撑杯和回绕挡油盖等组成。托带轮主要用来托着上支履带，没有这种托带轮，履带就会发生撞击。托带轮轴的一端，牢固地固定在车体上。由于托带轮直径比负重轮小，其轴承的转速却高得多，然而它只支撑上支履带，即履带重量的1/3，以减少履带的振荡。履带调整器用

25、来调整履带的松紧度。它由支架、曲臂、轴套、蜗轮、蜗杆、螺杆、摩檫片和衬套等组成。履带的张紧程度对坦克行驶和履带寿命有较大影响。履带过紧或过松都不好。不同的使用环境要求履带有着不同的松紧度。如在坚硬路面上行驶，应将履带张得紧些；在沙漠地区行驶则应将履带张得松些。另外，随着履带销和销耳孔磨损的增加，履带也会变松。为了保持履带的适当张紧度，需要用履带调整器来调节履带的松紧。这是借助履带调整器改变诱导轮相对于主动轮的距离来改变履带的张紧度。履带调整器使诱导轮向后摆动到某一位置，诱导轮就远离主动轮，于是履带被张紧；履带调整器使诱导轮向前摆动到某一位置，履带就变得松些。负重轮用来承受坦克的重量和规正履带。

26、它由轮毂、轮盘、胶带、滚珠轴承、轮轴盖、固定螺母、回绕挡油盖等组成。负重轮数量多，可使每个轮子所承担的重量小，对地面的压力分布均匀，有利于提高坦克的通行性能。当发动机的动力传到主动轮上时，主动轮按顺时针方向拨动履带，于是接地履带和地面之间生产了相互作用力。根据力的作用与反作用原理，履带沿水平方向给地面一个作用力，而地面给履带一个反作用力，这个反作用力使履带运动，称为履带的牵引力。由此看来，履带能否运动，主要受到两个条件的限制；一是动力条件，二是地面条件。动力条件就是指发动机提供给坦克通过地面所必须的力量，没有这个力量，主动轮就转不动。地面条件则是指主动轮传给履带的力，必须由地面提供一个反作用力

27、（即使坦克运动的牵引力）才能实现。当牵引力和行驶阻力相等时，就作等速运动；当牵引力大于行驶阻力时，就加速行驶；当牵引力小于行驶阻力时，则减速行驶。发动机的动力不断地由主动轮传出来，主动轮就不断地拨动履带卷绕运动。于是在推进过程中，一方面从诱导轮卷下去的履带被铺在地上，并压在前进滚动的负重轮下面；另一方面则把最后一个负重轮滚过的履带由主动轮卷上来，如此周而复始，形成了一条履带铺设的轨道，而且是一条跑到哪里就铺到那里的“无限轨道”。在前进或后退时，两条履带就不断地向前或朝后运动。履带式的的优点是着地面积比车轮式大，所以着地压强小；另外与路面黏着力强，能吸收较小的凸凹不平，适于松软不平的地面。因此，

28、履带式广泛用在各类建筑机械及军用车辆上。2.3 足式机器人足式步行机器人的研究与设计来源于多足动物，而多足动物在自然界已有亿万年的演化史，并在复杂多变的环境中很好地生存下来。在多足机器人的步行过程中，每条腿根据一定得顺序和运动轨迹提起、放下，这一过程叫做步态。因此，借鉴足式多足动物控制行为方式，研究足式步行机器人仿生控制原理与方法，构建具有仿生特征的机器人体系结构，设计仿生式体系结构控制器，将极大地提高足式步行机器人对自然地适应能力。图2-3六足机器人示意图根据调查，地球近一半的地面不能为传统的轮式或履带式机器人所到达，但很多足式动物却可以在这些地面上行走自如。因此，在对一些六足昆虫的行走过程

29、进行观察和详细测量的基础上设计了一款新型六足仿生机器人。由仿生学而来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，主要表现在：（1）仿生六足机器人比传统的轮式机器人有更好的移动性，它采用类拟生物的爬行机构进行运动,自动化程度高，具有丰富的动力学特性。（2）仿生六足机器人的运动具有较好的机动性，它可以较易地跨过比较大的障碍（如沟、坎等），并且机器人足所具有的大量的自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凹凸不平的地形的适应能力更强；（3）仿生六足机器人的立足点是离散的，跟地面的接触面积较小，因而可以在可达到的地面上选择最优支撑点，即使在表面极度不规则的情况下，通过严格选择足的支撑点，也能够行

30、走自如。六足机器人的腿部驱动传动装置采用如：六足纲 昆虫（蟑螂，蚂蚁等）多以交替的三角步态运动进行直线行走，即行走时有3条腿同时着地，另外3条腿迈步，大腿向上提时小腿向前迈，大腿向下压时小腿向后曲，从而使躯体前进；并以一侧迈大步、另一侧迈小步的方式实现转向。如图2-3所示，六足机器人其行走原理：开始运动时，身体左侧的4号腿和右侧的1，5号腿抬起准备向前摆动，而身体左侧的2，6号腿和3号腿处于支撑状态，支撑本体，并确保机构重心位置处于三条支撑腿所构成的三角形内，使之处于稳定状态不至于摔倒。如此不断往复循环，使其不断向前运动。机器人的摆腿动作是依靠基节组件本身的内部转动实现的。该装置采用开链机构，

31、装置上的每个关节都能单独控制，具有承载力大、可达域广、结构紧凑、控制简单、步态稳定、运动灵活等特点，并且具有较好的柔性。仿生机器人的诞生时仿生技术与机器人技术融合的结构，涉及仿生学、力学、机构学、控制学、计算科学、信息科学、微电子学、传感技术、人工智能等诸多学科，从而使机器人既具有传统机器人所具有的有点，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，大大提高了机器人的运动特性和工作效率。目前，仿生多足式步行机器人的研究已成为机器人学中一个引人注目的研究领域。2.4方案的分析比较及确定2.4.1履带式机器人与轮式机器人的比较履带式移动机器人适合在未加工的天然路面上行走，它是轮式移

32、动机构的扩展，履带本身起着给车轮连续铺路的作用。履带式机构和轮式机构相比，具有以下特点:（1）、支撑面积大，接地比压小，适合于松软或泥泞场地工作，下陷度小，滚动阻力小，通过性能较好。（2）、越野机动性好，爬坡、越沟等性能均优于轮式移动机构。（3）、履带支撑面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能哈，有利于发挥较大的牵引力。（4）、结构复杂，重量大，运动惯性大，减震性能差，零件易损坏。2.4.2步行式机器人与履带式机器人比较步行机器人可以认为是“一种由计算机控制的用足机构推进的表面移动机械电子装置”，和传统的轮式、履带式移动机器人相比，步行机器人具有独特的性能。主要有以下方面：（1）足运动方式具有较好

33、的机动性，即具有较好的对不平地面的适应能力。足运动方式的立足点是离散的，可以再可能到达的地面上最优地选择支撑点。而轮式运载工具必须面临最坏地形上的几乎所有点。足式运动系统还可以通过松软地面（如沼泽、沙漠）以及跨越较大的障碍（如沟、坎和台阶等）。（2）足运动系统可以主动隔振，即允许机身运动轨迹与足运动轨迹解耦。尽管地面高低不平，机身运动仍可做到相当平稳。具体说来，步行系统对波长小于两倍腿行程的不平度没有相应，而对较大波长的地形变化的过滤作用决定于保持机体姿态的控制算法。（3）足运动系统在不平地面和松软地面上的运动速度较高，而能耗较少。2.4.3方案的确定从20世纪80年代开始陆续有轮式或履带式移

34、动机器人用于消防和营救，但由于这些机器人不能适应突发事故中的各种复杂环境（如地震、恐怖袭击等引发的事故环境），所以它们的使用受到极大地限制。而足式步行机器人能有效地弥补这些缺陷，因此，它具有轮式和履带式机器人所没有的优点。鉴于足式步行运动的特征，相对于轮式或履带式机器人而言，多足步行机器人在非结构化、存在不确定性的环境内工作具有绝对的优势。足式机器人是模仿人类或动物运动形式的特种机器人，是一种足式移动机构。该类机器人能够在复杂的非结构环境中稳定地行走，可以代替人完成很多危险作业。所以，足式机器人的研发具有非常深远影响和现实意义，必将在救援工作中（如地震、恐怖袭击）、在航空航天（登月，火星探测）

35、、工农业生产（物流自动化、西部大开发、机械设备的探测和检修）等领域发挥不可替代的积极作用，从而产生良好的社会经济效益。综合考虑以上三个方案，我们决定采用足式机器人为设计的方案。第三章 六足空投机器人的设计合理的机构设计是六足机器人得以实现的基本条件，机械结构式是机器人其他部分的载体和基础。生物的形态经过千百万年的进化，其结构极具合理性，而要用机械来完成仿制生物体几乎是不可能的，只有在充分研究生物体结构和运动特性的基础上提取其精髓进行简化，建立合理的机器人机构模型，并进而合理设计各个部分的结构细节，才能开发出功能强大、结构合理的机器人平台。如图3-1所示，为六足机器人系统结构图。设计的六足空投机

36、器人，装有两台直流减速电动机。每一台直流减速电动机旋转带动四个链轮转动。四个链轮分成两组，把前足、中间足和后足连接起来。因为两腿间的初始位置差180，所以能够通过六个足实现三角步的不断循环，从而能使两个直流减速电动机控制的六个足做出较复杂的运动：前进、后退、左转、右转、爬坡等。图3-1六足机器人系统结构图3.1步态的原理设计步行机构的行走方式分为静态行走和动态行走两类。静态行走方式是指步行机构在行走过程中始终有三只以上的足同时着地；动态行走方式是指除此以外的其他行走方式。更准确的说，静态行走时指步行机构在行走过程中，其重心总是处于稳定支撑平面内。支撑平面是指支撑足的之间所组成的多边形。为获得较

37、好的稳定性，本文设计将六个足分为两组，身体一侧的前足、后足及一侧的中间足作为一组，形成一个稳定的三角支撑。两组足交替地摆动和支撑，实现机构的移动。六足可供选择的步态较多，但也应该遵守一般的准则：所选步态应符合动物的行走习惯。经验和理论分析表明，动物的行走方式是自然界中最合理的，这些行走方式是自然界中最合理的，这些行走方式不仅能使步态机构平衡，而且能使所消耗的能量减少到最低程度。所选步态应使控制尽可能简单。和动物行走不同，步行机构的行走必须加以人为的控制，如果所选步态存在控制上的困难甚至难以实现，显然意义是不大的。综合考虑这两条准则以及机构的整体构成，对机构的行走步态作以下规划：3.1.1前进时

38、的步态行走图3-2六足机器人前进时的步态示意图六足机构前进时的行走步态如图3-2所示。六足机构开始运动时，左侧的1号腿和右侧的4、5号腿抬起准备向前摆动，另外3条腿2、3、6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3条支撑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3-2(a)）,摆动腿1、4、5向前跨步（见图3-2（b），支撑腿2、3、6一面支撑机器人本体，一面在驱动电机和四杆机构的作用下驱动机器人本体，使机器人机体向前运动了半个步长S（见图3-2（c）。在机器人机体移动到位时，摆动腿1、4、5立即放下，呈支撑态，使机器人的重心位置处于1、4、5三条支撑腿所构成的

39、三角形稳定区内，原来的支撑腿2、3、6已抬起并准备向前跨步（见图3-2（d），摆动腿2、3、6向前跨步（见图3-2（e），支撑腿2、3、6此时一面支撑机器人本体，一面驱动机器人本体，使机器人机体又向前运动了半个步长S（见图3-2（f），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。后退则依次类推。3.1.2转弯时的行走步态图3-3 六足机构右转时的行走步态示意图六足机构右转时时的行走步态如图3-3所示，六足机构开始右转运动时，左侧的2号腿和右侧的6号腿抬起准备向前摆动，另外3条腿1、4、5处于支撑状态，并形成一个三角形支撑区域（见

40、图3-3（a）；着地的足1和足5项对躯体向后摆动一定角度，实现躯体相对地面的第一步转动（见图3-3（b）；悬空的足2和足6相对躯体向后摆动一个角度（见图3-3（c）；足1的足5反方向摆动一个角度，使足3、足4悬空，足1、足2、足5足6着地（见图3-3（d）；着地足2和足6相对躯体向前摆动一个角度，实现躯体相对地面的第二步转动（见图3-3（e）；悬空的足4和足3相对躯体向前摆动一个角度（见图3-3（f）。如此（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）、（a）往复循环，便可实现六足机构向右转动。左转则依次类推。3.2腿部结构设计与分析3.2.1腿的结构参数确定腿部结构是六足机器人的重要组成部分

41、，也是六足空投机器人设计的关键之一。腿机构设计的基本要求如下：（1）实现运动的要求从六足机器人应当具有的行走性能出发，一方面要求机体能走出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，因此腿机构不应少于三个自由度空间机构，并且足端具备一个实体的工作空间。（2）承载能力的要求六足机器人的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。（3）机构实现和方便控制的要求从结构设计的要求看，六足机器人的腿部机构不能过于复杂，杆件过多会导致结构庞大和传动困难。如图3-4所示，六足机器人的腿结构尺寸。具体参数如下：连杆= 5cm；外环

42、半径=2cm；内环半径=1cm,弯腿角度=210,弯腿半径=10cm，。图3-4六足机器人的腿部设计图3.2.2六足机器人的腿端运动轨迹曲线的轨迹分析六足机器人在行走时必须考虑单足的路径规划、多足的步态规划以及各足之间的协调控制问题，从而保持躯体的平稳运动。还要研究合适的步态控制算法以使整个系统灵活运转。良好的步态规划与协调控制室机器人实现机动灵活的运动特性的基础。在进行步行机构的运动仿真设计时，如果将腿直接连在轴上则足端曲线为圆形。这样机器人的运动将会呈半圆状起伏，如果能够使的足端轨迹在触地的部分保持平整就可以保持机器人的平稳前进。况且步行机器人要求有很强的环境适应能力，它必须能够在平面、台

43、阶上稳定的行走，又能跨过障碍、横沟，不同的路面对轨迹曲线有不同的要求：对于平地路面要求有一定的速度，对于台阶要求能够抬起并通过，对障碍物要求顺利跨越，可见足端运动轨迹的选择度与步行机器人来说显得非常重要。选择足端运动轨迹曲线时应主要考虑以下问题：（1）曲线的高度比：曲线的高度比直接反应出曲线的运动特性。该比值越大则足端运动轨迹曲线越高，相应的跨越台阶的能力就越强同时前进特性（运动速度）就越差。（2）曲线弧长：在曲线宽度一定的情况下，曲线长度越长，在空中的运动时间就越长，这将直接影响到摆动腿的速度，进而影响到步行机的运行速度。曲线弧长越短，运动时间就越短，但相应的跨越能力就越差。图3-5六足机器

44、人腿位置分析图如图3-5所示，为六足机器人腿位置分析图。其腿的运动轨迹参数如下：步长：27.32cm；最低高度：9.33cm。要实现对六足机器人的精确控制，只了解其位置参数是不够的，还需要对其运动参数进行分析。运动分析室在已知机器人的机械结构和几何尺寸的条件下建立其运动参数之间的运动关系式，使机器人在运行时，前腿和后退之间不会发生相互干涉。图3-6六足机器人足端运动轨迹图如图3-6所示，为六足机器人足端运动轨迹图，其关于运动的参数如下：腿间距：44cm；各腿间隙：1.64cm；腿的运动轨迹：半径21.18cm的圆。3.3六足机器人身体部分机构设计图3-7六足机器人底盘架构示意图身体部分是一个载

45、体，它把机器人的各个部分连接起来。腿部模块通过螺钉连接到赚点轴上，轴跟同步轮通过键连接。舵机旋转带动三个同步带轮旋转。从而使六足机器人的腿做相对运动。如图3-7所示，为六足机器人底盘构架示意图。其躯体部分参数如下：躯体设计总长：100cm；躯体设计总宽：60cm；左右轴承间距：40cm。图3-8六足机器人链轮示意图如3-8图所示，为六足机器人链轮的示意图。采用08A链条和链轮，其安装主要尺寸如下：链轮半径：4cm；链轮安装高度：6cm；躯体设计总高：18cm；链轮中心距：44cm。3.4驱动电动机选型驱动系统在仿生六足机器人中的作用相当于生物的肌肉，将驱动元件安装在机器人上用以驱动车轮，就可以

46、使机器人移动起来。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。驱动机器人运动的部件，最常用的是电机了。当然还有液压，气动等别的驱动方式。一个机器人最主要的控制量就是控制机器人的移动，无论是自身的移动还是手臂等关节的移动，所以机器人驱动器中最根本和本质的问题就是控制电机，控制电机转的圈数，就可以控制机器人移动的距离和方向，机械手臂的弯曲的程度或者移动的距离等。所以，第一个要解决的问题就是如何让电机能根据自己的意图转动。一般来说，有专门的控制卡和控制芯片来进行控制的。有了这些控制卡和芯片，我们所要做的就是把微控制器和这些连接起来，然后

47、就可以用程序来控制电机了。第二个问题是控制电机的速度，在机器人上的实际表现就是机器人或者手臂的实际运动速度了，机器人走的快慢全靠电机的转速，这样，我们就要求控制卡对电机有速度控制。表3-1为各种电机的相对功率，下面将对几种电机进行介绍：表3-1各种电机的相对功率相对功率使用的电机适用重量范围最强齿轮减速电机任何重量的机器人中等伺服电机重至5磅的机器人最弱步进电机轻型机器人（1）直流电机：这是最最普通的电机了。直流电机最大的问题是你没法精确控制电机转的圈数，也就前面所说的位置控制。你必须加上一个编码盘，来进行反馈，来获得实际转的圈数。但是直流电机的速度控制相对就比较简单，用一种叫PWM（脉宽调速

48、）的调速方法可以很轻松的调节电机速度。现在也有很多控制芯片带调速功能的。选购时要考虑的参数是电机的输出力矩，电机的功率，电机的最高转速。（2）步进电机：看名字就知道了，它是一步一步前进的。也就是说，它可以一个角度一个角度旋转，不象直流电机，你可以很轻松的调节步进电机的转角位置，如果你发一个转10圈的指令，步进电机就不会转11圈，但是如果是直流电机，由于惯性作用，它可能转11圈半。步进电机的调速是通过控制电机的频率来获得的。一般控制信号频率越高，电机转的越快，频率越低，转的越慢。选购时要考虑的参数是电机的输出力矩，电机的功率，每个脉冲电机的最小转角。（3）伺服电机（舵机）：伺服电机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送