仿生蜘蛛机器人的设计与研究

.毕业设计（论文）仿生蜘蛛机器人的设计与研究姓 名：寇艳虎学 号：12151109专 业：机械工程及自动化系 别：机械与电气工程系指导教师：孔繁征2021年12月.摘 要本文总结了背景和目标,仿生蜘蛛机器人的简单介绍。通过研究机器人的六足仿生的运动,这种设计已确定脚结构,使用3自由度的分析实现向前运动,把运动的机器人。想象的组件和装配映射仿生蜘蛛机器人以及相关部件的检查,确保机械设计的可行性都包含在总设计。关键词：仿生；机器人；机构.ABSTRACTThe paper has summarized the background and the goal of its topic and has made the simple introduction of the bionic hexapod robot. Through the research of the motion of the six feet of the robot, This design has determined the foot structure，using the analysis of 3 degrees of freedom realizes the forward motion and turning motion of the robot . Picturing of the component and assembly mapping of the bionic hexapod robot as well as the inspection of related parts which ensures the feasibility of the machinery design are both included in the total design.KEYWORDS：bionics ；hexapod robot ；machinery .目 录摘 要iABSTRACTii目 录iii1绪 论11.1课题背景及目的11.2仿生机器人研究现状及发展趋势12设计思路72.1仿生学原理分析72.1.1仿生蜘蛛机器人的研究方法及思路73整体设计方案93.1工作原理分析93.1.1三角步态原理分析93.1.2机器人走动步态分析93.2机器人机构总体设计93.3电机的选择133.4舵机驱动原理153.4.1舵机原理163.4.2舵机控制方法164零件的设计184.1躯干的设计184.2基节设计194.3关节盖的设计204.4胫节片的设计204.5足的设计224.6连接杆的设计224.7固定片的设计23结 论24参考文献26致 谢28.1 绪 论1.1 课题背景及目的机器人的出现是科技不断发展的必然产物，随着,社会的不断发展,机器人的不断应用也将会推动生产力的发展,同时为也人类文明的进步做出了巨大贡献。人工智能技术的研究主要是智能机器方向,所以如今对智能机器人的科研程度已经是一个国家科学以及技术的竞争的一个重要方面。一个国家啊对智能机器人研发的程度体现出国家的综合的科技实力，新型机器人的研发更是表示出一个国家他的尖端科技。现在，世界上机器人在生活中的的应用是很普骗的，机器人更是有各种各样的种类 。机器人已经更加的多元化啊。不想以前那么单一。,研究机器人的结构环境定点操作的非结构化环境的转变,在军事侦察、太空探索、救灾、抢险救灾、行星等方向展示了广阔前景。一些我们人类无法达到的环境。机器人却可以在那里正常工作，人类研究出的机器人不仅仅只有动物的外行还有更多的其他的功能。更加多元化啊。除了传统的设计方法,人们也关注生物世界,寻找神奇的生物从自然中汲取灵感,他们采用了运动机制和行为的运动和控制机器人,使机器人不仅感到思维有一定的功能,这些功能控制行动,用生物或类似于人类的智慧利用仿生学的相关知识。与设计相结合。使得仿生机器人的研究更加多样化 。 仿生蜘蛛机器人是模仿多足的动物的运动的方式的特殊一种的机器人。经过调查显示,在地球上有大约二分之一的陆地那些常规的载具，像汽车火车履带式的载具都无法到达。自然界中却有很多生物却可以自由的活动在那里。因此,仿生机器人的运动方式更有着其他不具有的能力优势,仿生机器人运动方式流动性良好,能适应各种崎岖路面。仿生蜘蛛机器人在崎岖和路况极差的地面上的运动速度仍然很快，而且能耗较少2。 这些仿生机器人有着难以超越的优势，如果我们想在我们生活中推广。普及发挥这些仿生机器人的最大价值。让我们生活更加便捷，我们只能毫不松懈不停的对仿生机器人进行深入研究。1.2 仿生机器人研究现状及发展趋势图2.2 Hamlet机器人国外仿生机器人研究现状（1）LAURON系列六足机器人德国卡尔斯鲁厄大学是一个科研机构,有着悠久历史的学校机器人的开发团队有足够多的仿生机器人持续了数年的集中研究和开发。以下是他们的发现。团队领导是右侧的六足仿生机器人(如图2.1)是一种特定的六个同样的肉体,头和脚。整个身体机制设备不仅具有纳米微控制器,系统处理单元、电源开关和照相机,和所有组件都安装在它的身体,这样我们就能完全满足要求的自主权。的总重量是32公斤,宽度是0.7米,可以携带15公斤的重量,不影响其操作,运动速度最高可达0.5 M / s。不仅在它的小身体配备轴角编码器,压力传感器、倾角传感器、红外测距传感器和其他传感器和摄像机配备一个视觉传感器。六条腿的机器人主要是依靠各种传感器和对接收到的信号分析,反馈处理随意运动在凹凸的表面。图2.1 LAURON（2）哈姆雷特是一个由坎特伯雷大学的学生和教授的研究小组开发出了一个在2000年底模仿昆虫六条腿走路的机器人。它也是一种微型伺服机器人。哈姆雷特是基于竹节虫是一个全方位步态模仿,和正在开发的步行机器人(如图2.2)。它共有六十三关节行走的脚,每个关节运动控制。两端配备了一个机械腿框架结构,每个装有三维力传感器的结构和每只脚,受碳纤维保护膜保护。机器人使用两层分布式控制框架、硬件和两个综合控制板驱动信号和力信号,和态度的传感信号处理操作。机器人的大小是650 mmx500mmx400mm,总重量12.7公斤,可以在复杂的地面匀速运动的速度0.2米/秒。它有独立的行走和攀爬能力。(3)Lobstei机器龙虾在美国国防高级研究计划局部门支持的海上作战部队和波士顿在美国,一个东北大学联合开发了一种模仿龙虾八足步行机器人。(如图2.3)它能完成我的检测和引爆在海底作业。它有4 x 8英寸的壳,壳,由八3自由度的腿,可以完成浮动和爬行,头部设有两个钳,舵由液压控制,8英寸长尾与水流的控制拉伸,保持飞机的稳定性。龙虾肌肉类型驱动器,驱动机联合行动由形状记忆合金(秦力量可以人工肌肉)控制。控制器包括一套完整的关于龙虾的行为数据,数据库基本上囊括了所有组织的指令的龙虾步态。当然,它还可以消除的鱼雷传感器和installedSome炸药。图2.3 Lobstei机器龙虾(4) Hexplorer 2000六足步行机器人Hexplorer步行机器人的研究和开发加拿大大学(如图2.4),它有六英尺,分布在一个圆形的身体。每个机械腿是由三个独立的控制上面的三个关节。TI C2000系列DSP控制系统,该系统采用分级控制7块DSP芯片,每个控制三个腿的关节和其他中央控制器,其他6件发送和接收指令。每一条腿。都是独立的。存在的子系统。只要控制中心传输信号，就可以控制单独的腿。实现六条腿的步态规划，通信通过CAN总线接口和事件管理模式。图2.4 Hexplorer 2000国内仿生机器人研究现状对于仿生学的研究在我国起步较晚,我国从上个世纪的80代末和90年代初才开始设计这方面的研究。在上个世纪九十年代初,北京航空航天大学在中国开发了前四模仿动物机器人。这是一个重达两吨,采用液压驱动机器人。1989年3月,沈阳自动化研究所、长春光机合作进行的海蟹,是一个六英尺,25度极自由的六条腿的机器人,总重量约1500公斤,下降到500米。1980年,中国科学,用四边形和凸轮的理论发明了八脚蟹步行机,被广泛的应用在水下。涵虚博士1989年,已经进行了四足步行机器人的设计和研究,而且成功地开发了一种四足步行机,和步行测试，钱博士在地面,墙两栖机器人的爱是特殊的,和一个六足步行机器人的步态运动学的研究。等发达JTUWM系列91年pei-sun马四足步行机器人是由pei-sun妈,机器人采用两级分布式控制系统,计算机模拟电路JTUWM - III对角步态,配备了PVDF测力传感器。02,guo-zheng燕,徐小云和其他人在同一时间开始研究小型六足仿生机器人的设计,如图1所示,13日步行机器人的尺寸分别是:30毫米,40毫米,20毫米的重量只有6.3克,平均散步可以保持约3毫米/秒的速度,以一个恒定的速度移动。此外,清华大学DTWN框架发展的三个三脚机器人，华中科技大学“4 + 2”多个双腿行走机器人和MINIQUAD多足步行机器人如图1 - 15所示,多个机器人运动和控制计划的同时,此外,腿,墙相关模块功能的实现进行了详细的设计和研究。国家“863”的支持下,智能机器人主题,北京航空航天大学的发展更简单操作灵巧的手。BH4采用精密灵巧手齿轮结构,四个手指,有16个节点,每一个联合使用直流电机驱动,电机,安装在手指。主要控制系统多目标分层控制系统。理想的轨迹跟踪和协调层四个手指关节位置控制是完成四个电脑控制器。手指控制器都在相同的物理控制器内的每一个关节,为了提高控制精度的相互传递信息,使控制误差小。除了北航机器人微小型仿生机器鱼的研究团队(孩子)技术的研究已经取得了突破性的进展,仿生机器鱼”模型是成功的,同时控制机器鱼检测。哈尔滨工业大学开发的仿人手臂和仿人双足机器人柔性机器人。仿人手臂的空间大的特点,而没有奇异位置的关节,如结构紧凑，控制软件的整个过程可以爬,超越障碍等。除了附近的最优联合功率限制。仿生机器人通过生物拟态的性能和行为，将它的结构特点、运动和行为是应用在机器人的设计上。,开发了一些具有生物的外观或功能的机器人系统。仿生机器人的诞生是由于仿生技术和机器人技术的集成,在仿生学、信息科学、力学、微电子控制、计算机科学、组织、传感器技术、人工智能、和许多其他科目,所以机器人的优势传统的机器人,和生物运动机理和行为方式,应用于机器人的运动控制理论模型,本质上是对数以百万年来大自然的发展过程的“自然选择”来提高机械手的运动能力和效率,使其超越原始理论的障碍,大大提高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,和模仿人类的生物机器人，仿人机器人是机器人技术的前沿课题的一个具有挑战性的技术问题,主要是研究多自由度机器人机械臂关节,指的是结合两只脚行走机器人灵巧手的身体,模仿人类的生物机器人行走机器人,主要研究了蛇形机器人,水下机器人和机器人、飞行方向和热门话题的研究主要涉及到运动的仿生机理的仿生机器人,仿生控制机制、信息感知仿生、仿生能量代谢和合成的仿生材料。目前，我国已经研发了几款比较典型的仿生多足机器人，像仿壁虎四足机器人、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。机器人在农业。国防。娱乐和服务等行业都得到良好的应用，机器人正朝着智能化的方向发展，将人工智能与仿生学相结合制造出类生物机器人。近年来由于日本仿生机器ASIMO还有、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，最重要的是是能够代替人在危险、恶劣等环境中从事特殊工作的特种智能机器人的研究和发展，已经是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。在1990年代早期,美国麻省理工学院教授布鲁克斯的帮助下学生,产生一批蚊子机器人,名叫昆虫,这些小习惯非常相似和蟑螂。他们不没有自己的想法、,仅仅是根据编辑的程序。日本和俄罗斯创建了一个电子机器蟹,深海探测,收集样本,捕捉海洋生物,海底焊接等，几年之前。一些科技工作者送给圣地亚哥动物园一些鸟电子机器,它可以模仿女性秃鹫,喂小秃鹰，美国发明了一种机器名叫查理金枪鱼,长1.32米,是由2843个零件组成的。通过摇摆身体和尾巴,真的可以像鱼游泳,7.2公里每小时的速度。可以使用它在海上连续工作几个月,映射和探测水下海洋污染,您还可以使用它来拍摄,因为它模仿金枪鱼。作为一个军事侦察和科学探索的工具,它的发展和应用前景非常广泛。目前,中国科学院已经开发出类似的仿生机器鱼。研究制造昆虫机器人,其前景也非常好。例如,一些人开发一个灵活的机器昆虫的腿,大小只有1/3的信用卡,您可以轻松地跳过障碍像蟋蟀,几乎一个小时能向前。蜜蜂机器人开发的科学家在美国,后安装太阳能电池板和传感器可以自主飞行很长时间。这种机器昆虫是最特别的地方突破的概念“影响关节必须添加引擎”。机器人是人工智能的方向迅速发展,仿生机器人的发展非常快。机器人有价值是它可以做很多人类不能完成的任务,人是一个生命体征,动物,对生活环境有很高的要求。尽管机器人是一种机器,它没有生命体征,只有在恶劣的环境工作将身体材料有更高的要求。所以你可以让机器人来完成那些人类无法代替人工任务。与人类研究的扩大,以及人类生活水平的不断提高,机器人的发展也越来越重要3。所以机器人肯定会朝着仿生方向发展。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。.2 设计思路2.1 仿生学原理分析仿生式蜘蛛机器人，顾名思义，我们借鉴自然界当中昆虫的运动原理。脚是昆虫的运动器官。昆虫有3步行,在胸部,胸部和胸部都有一双,我们反过来叫前面的脚,脚和背部的脚。每只脚髋,旋转,股骨,胫骨,睑板和前大数。髋是一天的基础,比短。旋转是没有活动通常与腿部分紧密相连。腿部分最长最厚部分。第四季度叫做胫骨,往往是又细又长,一排排的荆棘。第五节叫做大数,一般由2 - 5节和部分:为了方便走路。小结束还有两个坚硬和锋利的爪子,它可以用来把握对象。步行是一组三条腿,前后肢的一边和另一边的脚set.Thus托架结构,形成了一个三角形的三条腿在地上,往后推,另三条腿举起来取代。前足后固定对象在它的爪子把昆虫的身体向前,足以支持和提高身体的一边,脚后促进虫体之前,同时使蜗杆转动。这种运动方式使昆虫可以在什么时候停止都可以，由因为中心遗址是不变的。还有一部分昆虫不用全部的腿走路。他们的一些腿有了其他功能，产生了变化。行走就主要靠中和后足来完成。比如说刀螂。两只前腿不会用来走路。而是自己的武器、依靠剩下的四条腿运动参考上面的昆虫脚结构,我想出了一个简单的方式来表达。一只脚两个关节的活动,联合使用控制型转变，另一个联合使用偏摆,让脚可以提高,作为一种上下。2.1.1 仿生蜘蛛机器人的研究方法及思路决定这次研究的仿生蜘蛛机器人为六条腿的结构，要想完成设计首先得完成机构的设计。之后才可以进行系统的设计。整机机械结构、自由度、驱动方式，传动机构，都会影响机器人的性能。而且，仿设计出来的机器人机构不仅得满足技术条件。而且得满足经济条件。必须在满足机器人的预期技术指标的条件下，考虑用合理用材、便捷制造安装、价格低廉和可靠性高等问题。仿生蜘蛛机器人机制包括身体和腿两部分、,首先得决定腿的数量。以及其他数据。现有计算多组机器人包括三、四、六尺、八尺以上,脚的数量大,重载和慢镜头,和青年的数量似乎更灵活的运动。数选择的因素主要包括:稳定、节能、冗余、联合控制性能的要求,生产成本,质量,复杂的传感器和可能的步态,等等,腿配置指的是脚的行走机器人相对于身体的位置和姿态的安排,确定分布形式,还需要考虑一些细节,比如腿在主平面几何配置和相对弯曲腿的方向杆,等等。此次设计腿的分布如图1所示。图 1 仿生蜘蛛机器人腿的分布示意图 Fig 1 Bionic six foot robot leg distribution diagram综合足的数量等因素，此次设计的行走步态决定用三角步态，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。3 整体设计方案3.1 工作原理分析六足步行机器人的步态是多样的，其中三角步态是仿生蜘蛛机器人实现步行的典型步态。以下主要分析三角步态原理。3.1.1 三角步态原理分析六条腿的昆虫行走时，一般不是六足同时直线前进，是把三对足分成两组，以三角形支架结构，互相交替前行。目前，大部分仿生蜘蛛机器人采用了仿昆虫的结构，六条腿分布在身体的两侧，身体左面的前、后足及右面的中足为一组，右面的前、后足和左面的中足为另一组，分别组成两个三角形支架，靠大腿前后划动来实现支撑以及摆动过程，这就是最典型的三角步态行走方式。但是因为身体重心比较低，容易稳定，所以这种行走方案可以得到广泛运用3.1.2 机器人走动步态分析项目设计总共用18个舵机实现步态。每条腿三个舵机，分别控制跟关节和膝关节以及踝关节的运动，两个舵机安装呈正交，构成垂直以及水平方向的自由度。因为腿具有水平和垂直平面的运动自由度，所以需要考虑利用三角步态来实现直线行走。分别给18个舵机编号（1-18），如下图所示。3.2 机器人机构总体设计六条腿的机器人六条腿走路运动过程中分为两组,昆虫的身体一侧的前足和后腿在另一边的脚作为一组,剩下的三条腿和一群。在运动的过程中,会有一组腿,一组脚,三个降落腿不仅使昆虫的身体稳定,摆动和驱动力,昆虫身体能完成直线或旋转运动。本设计使用三角步态六英尺六条腿的机器人分为两组,1、3、5条腿作为一个群体,2,4,6为另一组腿。六条腿的机器人通过控制两腿交替提高摆动,实现步行运动。从身体的角度提升每条腿是开链结构,等效串联的手臂,同时在三条腿或六条腿和身体成分较为封闭链自由度并联机构。步行机器人行走在正常情况下,胎停止支持腿与地面接触有摩擦,可以简化为点接触,相当于3自由度球面副的机制,加上与关节,膝盖和脚踝(对于单自由度,每个关节旋转),每条腿有6对单自由度运动。假设任何时候步行机器人的腿支撑阶段数n,然后用n模型空间多环并联机构分支机构,它的自由度可以计算下一个类型: （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=13n）,=3(i=3n+14n)，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由此可得到，不管步行机器人的几条腿处于支撑相，不论是三足支撑还是六足支撑，整个机构都是具有六个自由度的空间多环的并联机构，只是有时为三分支并联机构，有时为六分支并联机构。六足步行机是这样行走，从机构学角度看就是三分支并联机构，六分支并联机构和串联开链机构两者之间不断变的复合型机构。同时，上面的式子也说明，不管该步行机器人的步态和地面状况怎样，躯干在一定范围内都可灵活的到达任意位置，而且呈现要求的姿态。仿生蜘蛛机器人腿分布示意图如图3所示。 图3 仿生蜘蛛机器人腿分布示意图 Fig 3 Bionic six foot robot leg distribution diagram仿生机器人蜘蛛六腿机身的盘上均匀分布,根据设计要求:一条腿有三个自由度的运动,因此每条腿组装三个电机实现三个转动自由度。电机装配位置腿和关节,膝盖和脚踝。机身连接到主板的基础部分,关节,膝盖和脚踝,每个都有相应的自由度,以确保正常的运动。胫骨关节连接,以保证良好的能动性,六条腿的机器人脚后通常使用昆虫脚设计的一部分,好的,优越的实用性和良好的灵活性。腿交替来支持身体的质量在行走的过程中,和推动身体向前移动在负重条件,因此必须适应整个刚度和承载力的质量。项目设计的仿生机器人蜘蛛,三个自由度的腿在一个类似的机构,包括膝盖和脚踝是由电机驱动和锥齿轮,为了使用简单的机构来获得更大的工作空间和灵活性。电机通过控制相应的关节运动使机器人具有多个自由度,可以实现机器人走在任何时候自由的领域。在结构上,以确保它可以更有效地模拟昆虫走路的方式来完成相对复杂的运动。驱动系统在机器人仿生蜘蛛等效生物肌肉的作用,改变它,把腿关节机器人的姿态。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 仿生蜘蛛机器人腿的生物结构示意图 Fig 4 Bionic six foot robot leg biological structure diagram 图2 舵机安装示意图 Fig 2 Steering gear installed scheme（1）行走步态分析由13，14，15，1，2，3，7，8，9，号舵机所控制的E,C,A腿所处的状态一直保持一致；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。当一个三角形内的三条腿支撑时，另三条腿正在摆动。支撑的三条腿使身体前进，摆动的腿对身体没有力以及位移作用，只使小腿向前运动，做好接下来支撑的准备。步态函数，的占空系数为0.5，支撑相还有摆动相经过调整，满足平坦地形时行走步态要求以及稳定裕量要求7。（2）转弯步态分析 项目设计的机器人使用原位将与一只脚为中心转动,右旋转运动过程如下：首先E,C,A,号腿先抬起，然后C,A号腿向前摆动，E腿保持不动。此时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。3.3 电机的选择选择电机时需要考虑机器人地质量以及最大扭矩。必须要有机器人的腿的质量以及尺寸，通过查阅然后预算可以得出：上腿（股节）有效长度是 34mm，中腿（胫节）的有效长度是 34mm,下腿（足）的有效长度是 90mm。上腿质量为 190 克，中腿 为140克，下腿为 150 克。然后对腿部做受力分析，做出受力简图5如下 图5 仿生蜘蛛机器人腿的受力简图 Fig 5 Bionic six foot robot leg force diagram仿生蜘蛛机器人以地面做 xoy 平面，仿生蜘蛛机器人地重心在 xoy 平面上的投影为坐标原点 O，z 轴和机身垂直。仿生蜘蛛机器人每条腿都会有3个自由度，每条腿都是由上腿和中腿以及下腿通过舵机连接形成。在本次设计中，上腿的长度是34mm，中腿地长度是34mm，下腿地长度为90mm。机体和上腿由A号舵机连接，上腿和中腿是B号舵机连接，中腿和下腿用C舵机连接。腿着地的时候，上腿和中腿间的夹角为135，中腿与下腿间的夹角为135，抬腿的时候，B舵机逆时针转动30。在仿生蜘蛛机器人行走的过程中，要避免腿与腿会碰到，所以腿摆动的时候需要选择合适的角度，在本设计中运动控制的时候选择的摆动角度为30。针对仿生蜘蛛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），则仿生仿生蜘蛛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。假设仿生蜘蛛机器人要按“三角步态”来行走，支撑相的三足均匀承受负荷，可以得到足的反力为： （5） 仿生蜘蛛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q2=90，q2-q3=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1.58 Nm。根据得到的数据；来选用的伺服马达是TowPro的，型号是 SG303。主要技术参数如下： 转速：0.23 秒30 度。 力矩：1.8Nm。 尺寸：40.4mm19.8mm36mm。 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 Fig 6 Internal structure of the actuator通过整体的设计确定了仿生蜘蛛机器人的基本结构，通过电机的选择而确定仿生蜘蛛机器人的质量以及腿部的尺寸，为后面的零件设计做了充分准备。3.4 舵机驱动原理仿生蜘蛛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）3.4.1 舵机原理舵机是一种拥有的简单的结构的、集成化的直流的的伺服系统，它的内部结构由直流电的机和减速齿轮和电位计和的制电路组成。控制信的号线提的的供一定脉宽地脉冲时，输出轴保持在相应的角度。如果舵机初始角度状态在0位置，那电机只能朝着一个方向运动。舵机所采用地驱动信号为脉冲比例调制信号（PWM），就是在的通常为20ms的周的期之内，输入（0.5-2.5ms）变化的脉冲宽度，所对应的转角范围由0变化到18的0，脉冲宽度和转角为线性关系。所以在初始化时，应该把的所有电机的位置定在90位置。机器人和关节连接的的舵机的转轴是水平转动，控制腿部的前进和后退。3.4.2 舵机控制方法最标准舵机是有3条导线，分别为：地线，电源线，控制线。输出转轴电源线Vcc地线GND控制线 图7 标准舵机 Fig 7 Standard steering gear电源和地线用开阳于提供内部直流伺服电开阳动机和能量所需的控制电路,电压之间通常是4到6 v,这里用5 v。操舵装制置的电开阳源应该能够提供足够的电力。行输入是一个开阳周期的宽度可调方波脉冲信号,方波脉冲信号的周期20(即女士。,频率50赫兹)。方波脉冲制宽度变化时,改变转向齿轮轴的开阳角度,角度改变脉冲宽度成正比。你可以看到从舵机控制方法的角度,舵机的控制信号在本质上是一个可调宽度的方波信号(PWM)。方波信号可以由FPGA控制,模拟电路,或生产。使用FPGA成本较高,实现电路与模拟电路相对复杂,不适合多通道输出。所以一般使用单片机作为控制舵机。这是主要机构的设计,单片机电子零件暂时不去做更多的研究。舵机输出轴转角 输入信号脉冲宽度（周期为20ms）0.5ms1ms1.5ms 图8 舵机输入信号脉冲宽度和输出转角的关系Fig 8 Actuator output angle and input signal pulse width .4 零件的设计4.1 躯干的设计Ada仿生仿生蜘蛛机器人的六条腿均布在圆盘形状得机身上，为设计简洁，所以把机身做成了圆片形状，直径：150mm。上下各有一个，中间又通过加工的内螺纹地金属圆柱做支撑，从上到下用螺钉把它固定。在主板上钻出六组通孔，每组两个，以用来安装仿生蜘蛛机器人的腿。通孔的直径因大于 M3 的开槽圆柱头螺钉的大径，以便螺钉能穿过通孔。孔分布在半径为65mm 的圆上，同组两个孔相距为 25mm。因为要减轻重量，在不会影响结构的安全的情况下，对圆片做钻孔，十二个孔都均布在半径为 50mm 的圆上面，中心也同样去一个半径为 40mm 的圆形。这样以来就可大幅降低零件的质量。机身主板是整个机构最中心的地方，它承载了6只足的负荷，设计要达到满足的载荷、强度要求以及适合的尺寸。此上追求了轻便化地设计还得要强调它本身及部件可靠性和便于维护的特点。机身主板如图9。 图9 机身主板 Fig 9 Motherboard4.2 基节设计基节是机器人的腿的安装位置,应考虑舵机的安装。这两个表的部分是用来构成一个基本部分。节片分为上层节片和基地。图10为上基节片 图10 基节片 Fig 10 Coxal plate做髋生长板的安装位置腿向前伸,使腿部空间增加,可以避免两条腿受伤,它的长度是65毫米,前面是25毫米宽度后端基础32 mm.Consists两个街区,基地节片上中心钻一个直径4毫米的洞,留给转向齿轮轴。在圆的中心为中心的圆半径7.5毫米统一四内螺纹孔直径是3毫米。通过与固定在转动轴上的圆片连接，当舵机转动时，舵机的机身就会带动与它紧固的部分转动。这个位置可称为仿生蜘蛛机器人的跟关节。下基本节片舵机与联合平台,放置在前面的中心半圆的半径10毫米晶片,晶片的中心舵机与联合洞洞的相同位置的电影由一个圆柱销的位置。图11为下基节片 图11 下基节片 Fig 11 Base segment下基节片和上基节片在其结构上只有一个直径是4mm 的通孔的区别，其基本尺与上基节片一样，厚度都为 3mm。4.3 关节盖的设计联合覆盖函数是用来连接关节和膝关节。剪辑与关节舵机在后面,前面的膝关节操舵装置,由于对两个舵机负载这部分,考虑到稳定性,所以长度不能太长。（图12即关节盖） 图12 关节盖Fig 12 Joint cover前端处理长42毫米宽21毫米方孔,方孔用于修复膝关节操舵装置由联合封面图还需要两个,后面操舵装置的联合,通过两个螺丝。多在洞前略大于操舵装置的大小与位置和大小,舵机方孔,之前和之后的每一个,两个联合覆盖20毫米。操舵装置本身的固定部分。所以成四个M4螺钉,通过两个洞,和关节封面是固定的。联合覆盖的基本尺寸85毫米长,60毫米,厚度3毫米宽。后面是40毫米宽。综合两个舵机安装位置,膝关节的转向齿轮轴和联合转向齿轮轴的距离是30 mm.The 30 mm的线段的长度,因为腿的长度30 mm的结束似乎太短。考虑到短段可以避免两条腿之间的碰撞,使每条腿可以锻炼在一个安全的区域。便于操控与行走，确保了机构的可行性。4.4 胫节片的设计胫骨连接部分的膝盖和脚踝的腿。Shin节片直接与两个舵机转动轴。从顶部的腿,上部的柄节片和连接到膝关节的操舵装置,当膝关节操舵装置,驱动胫骨运动。在胫骨底部连接到脚踝和脚,可以促进脚,脚。从下往上,当脚脚踝舵机旋转,地面接触由于脚与地面接触部分相当的脚是固定的,踝关节胫骨上转向扭矩传递节片上升。传递上去的扭矩使仿生蜘蛛机器人的躯体运动。在胫节两个胫节片当中有一片需和两个关节的舵机相连。所以有了传动胫节片的设计。传动的胫节片地结构图如图13所示 图13 传动胫节片 Fig 13 Femur plate transmission传动胫节片的尺寸为长 75mm、宽 22mm、厚 3mm。在两端的半圆的圆心位置加工直径为 4mm 的通孔用于与舵机相连接。在中间中心线两边分布有两个直径 2.2 的通孔，加装两个连接杆用于两块胫节片的连接。连接杆的长度为 45mm。 图14 胫节片 Fig 14 Tibia plate和传动胫节片相对应地另一块胫节片采用加强膝关节和踝关节的连结，结构为图14所示两块胫节片平行装配连接，通过中间的两根连接杆用螺钉紧固。从而组成中腿。4.5 足的设计脚是机器人直接接触地面的一部分，有装在踝关节上的舵机来控制运动。为了可以减小与地面的摩擦，足前端做成了尖的圆头状。如图15所示 图15 足 Fig 15 Foot足的后半部分做宽是想要能够将舵机装进来。由计算所得足的长度为 90mm，这个长度是从足尖到装在足上地舵机的转轴长度，实际足的零件的设计长度是108mm，要保证90mm 后还需要有舵机的装配空间。足宽为 30mm。4.6 连接杆的设计为能够把一些零件,需要添加支持。体积小和杆连接器质量成为首选的设计。首先,六条腿的机器人身体机身主板,两块板之间的距离需要推进的大小关节舵机来确定。宽度尺寸的操舵装置的结构是舵机作为机身主板的基础间距,结果表明连杆上的箱子应该是44毫米长。通过两头的螺钉紧固。图16即躯干上的连接杆。 图16 躯干连接杆 Fig 16 Trunk connecting rod在连接杆的两端钻孔攻丝加工内螺纹以便与螺钉配合。另一个是用于两块胫节片的连接，使得通过胫节把足和股节连接起来如：如图17所示。 图17 胫节连杆 Fig 17 Femur rod4.7 固定片的设计如何使转向轴转矩效应的几个关节,腿需要相关和固定,以确保机器人走路脚稳定和良好的灵活性。需要设计特殊的部分。鉴于前面设计部分设计一块晶片固定。推动连接器与转向齿轮轴直接连接,再由四个螺丝和节片或胫骨节片连接可以传递扭矩。关节连接件通过中心孔和操舵装置板固定圆柱销连接,用于修复操舵装置的位置,和机构,以确保稳定的仿生蜘蛛机器人。另外连接片还通过四个螺钉与基节片或胫节片相连接。在跟关节与股节片相连的过程中以及在膝关节与胫关节的连接过程中，加上一条腿的过程中连接到脚踝关节和踝关节和足根的过程中需要连接定子和连接件,关键部分看似简单,实际上在确保稳定的机构行走的状态,它的作用。通过尺寸计算可以确定零件的尺寸，根据需要设计的零件的结构，在零件设计时灵活运用如图18和19 图18 传动连接片 图19 关节连接片 Fig 18 Driving connecting piece Fig 19 Joint connecting piece结 论感谢荀致远老师精心指导毕业设计,参考书籍和大量的机器人设计设计数据,我成功完成了仿生蜘蛛机器人的设计和研究。主要工作包括:根据需求,确定仿生机器人的总体方案、结构设计、软件设计和编程。这个毕业设计给了我一个独立的分析问题,解决问题,同时进一步理解和巩固理论知识,锻炼自己的实践能力,为未来的工作是极大的帮助。还发现了设计中的一些不足,仍有一些有待改进,总结如下:1）. 目前我的设计,控制机器人的速度、方向,实现良好的控制,但在转向步态变化大,转换的步态是不够敏感。因此需要进一步研究控制系统,完美的数学模型。2）. 为了实现仿生机器人的功能,如障碍、避障或障碍,传感器就足够了。可以增加一些其他的传感器、红外传感器等触摸传感器,实现多传感器的融合,共同完成的功能仿生机器人的性能,以便实现真正意义上的仿生机器人。3）. 建立机器人的实体模型六边连接连接牢固能力尚且不足部分我通过这次毕业设计,材料,加工、装配、单片机及接口技术有更深入的理解、建模、映射到进一步提高水平,最重要的是我的设计的毕业设计发展的想法,我受益匪浅! 毕业设计是大学在一个大的知识培训,为我们即将到来的工作做准备。通过这次设计,我看到自己的缺点,但是从最初的不知道如何开始主动发现问题在这个过程中,我不断磨练自己。从一开始的主题选择,感觉一个六足机器人非常有趣。规范毕业设计之后,我看见我怀疑这个选择是否合适,是否适合我,我可以适应。通过自己的努力慢慢克服,找到乐趣。设计的进步提高。四个月的设计即将结束。在此期间他不断反思补偿不足,学会了如何做事如何提高自己。结论要求精炼、准确地阐述作者的研究成果或新的见解及意义和作用，还可进一步提出需要讨论的问题和建议。参考文献1 陈恳 等.机器人技术与应用M .北京：清华大学出版社，20062 林良明.仿生机械学M。上海：上海交通大学出版社，1991，4：21-233 王坤兴.机器人技术的发展趋势J,机器人技术与应用，2001,3：42-454 马惠钦.昆虫与仿生学浅谈J.昆虫知识.2003，03：12-135 苏军，陈学东，田文罡.六足机器人全方位步态的研究J .机械与电子，2004，（3）：48-52.6 Volker D，Josef S，Holk C. 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