仿蜘蛛機器人結構設計及運動學仿真

仿蜘蛛機器人結構設計及運動學仿真,蜘蛛,機器人,結構設計,運動學,仿真 1緒論 1.1論文的研究目的和意義 在我國仿生機器人可以幫助完成各種人類身體不能達到或是過于危險的任務，例如深海采集資源和外太空探測，甚至是軍事行業(yè)的部分應用。 隨著計算機、網(wǎng)絡、機械電子、信息、自動化等技術的飛速發(fā)展，仿生機器人的研究進入了一個嶄新的階段。同時，太空資源，海洋資源，甚至部分陸地資源的開發(fā)和利用為仿生機器人提供了廣闊的發(fā)展空間。 仿生機器人的制造和開發(fā)已經(jīng)成為當今社會不可阻擋的一股潮流，仿生機器人可以做到各種人類做不到的事，例如深海中人類很難出倉行動，這時便可以利用機器人做到人類想做卻做不到的事。 隨著仿生機器人在工業(yè)軍事等領域的廣泛應用以及不可替代性，機器人學已經(jīng)逐漸形成，并且獲得各行各業(yè)的人們關注和參與。機器人學是一個綜合性很強的學科，它涉及控制技術、傳感器技術、計算機系統(tǒng)、人工智能、傳動技術、材料選用、力學等多種知識。 現(xiàn)在設計仿生移動機器人，能夠為以后進入機器人設計行業(yè)大俠良好的基礎。 1.2研究背景 現(xiàn)代仿生機器人基本能按人的指令完成各種比較復雜的工作，如深海探測、作戰(zhàn)、偵察、搜集情報、搶險、服務等工作，模擬完成人類不能或不愿完成的任務，不僅能自主完成工作,而且能與人共同協(xié)作完成任務或在人的指導下完成任務，在不同領域有著廣泛的應用[1]。 在未來的軍事智能移動機器人中，還會有智能戰(zhàn)斗機器人、智能偵察機器人、智能警戒機器人、智能工兵機器人、智能運輸機器人等等，成為國防裝備中新的亮點[2]。 機器人設計有許多技術。這些關鍵技術主要有以下幾個方面：；路徑規(guī)劃技術，最優(yōu)路徑規(guī)劃就是依據(jù)某個或某些優(yōu)化準則，在機器人工作空間中找到一條從起始狀態(tài)到目標狀態(tài)、可以避開障礙物的最優(yōu)路徑；機器人視覺技術，機器人視覺系統(tǒng)的工作包括圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出和顯示,核心任務是特征提取、圖像分割和圖像辨識；智能控制技術，智能控制方法提高了機器人的速度及精度；人機接口技術，人機接口技術是研究如何使人方便自然地與計算機交流[3]。 1.3國內外研究成果 歐洲各國在智能移動機器人的研究和應用方面在世界上處于公認的領先地位[4]。中國起步較晚，而后進入了大力發(fā)展的時期，以期以機器人為媒介物推動整個制造業(yè)的改變，推動整個高技術產(chǎn)業(yè)的壯大[5]。 1.3.1國外研究成果 1990年，美國卡內基-梅隆大學研制出用于外星探測的六足步行機器人AMBLER[6]。1993年，美國卡內基-梅隆大學開發(fā)出有纜的八足步行機器人DANTE[7]。1996~2000年，美國羅克威爾公司在DARPA資助下，研制自主水下步行機ALUV[8]。 圖1 AMBLER 圖2DANTE-II 圖3ALUV步行機 1.3.2國內研究成果 1991年，上海交通大學馬培蓀等研制出JTUWM系列四足步行機器人[9]。2000年，上海交通大學馬培蓀等對第一代形狀記憶合金SMA驅動的微型六足機器人進行改進，開發(fā)出具有全方位運動能力的微型雙三足步行機器人MDTWR[10]。2002年，上海交通大學的顏國正、徐小云等進行微型六足仿生機器人的研究[11]。 圖4微型雙三足步行機器人MDTWR 圖5微型六足仿生機器人 2設計思路 2.1生物蜘蛛的生理結構分析 生物蜘蛛，如圖所示，是對節(jié)肢動物門(Arthropoda)蛛形綱(Arachnida)蜘蛛目(Araneida或Araneae)所有種的通稱。 圖6 生物蜘蛛 仿生式蜘蛛機器人，顧名思義，我們借鑒自然界當中昆蟲的運動原理。 腳是昆蟲的運動器官。昆蟲有3步行,在胸部,胸部和胸部都有一雙,我們反過來叫前面的腳,腳和背部的腳。每只腳髖,旋轉,股骨,脛骨,瞼板和前大數(shù)。髖是一天的基礎,比短。旋轉是沒有活動通常與腿部分緊密相連。腿部分最長最厚部分。第四季度叫做脛骨,往往是又細又長,一排排的荊棘。第五節(jié)叫做大數(shù),一般由2 - 5節(jié)和部分:為了方便走路。小結束還有兩個堅硬和鋒利的爪子,它可以用來把握對象。步行是一組三條腿,前后肢的一邊和另一邊的腳set.Thus托架結構,形成了一個三角形的三條腿在地上,往后推,另三條腿舉起來取代。前足后固定對象在它的爪子把昆蟲的身體向前,足以支持和提高身體的一邊,腳后促進蟲體之前,同時使蝸桿轉動。 這種運動方式使昆蟲可以在什么時候停止都可以，由因為中心遺址是不變的。還有一部分昆蟲不用全部的腿走路。他們的一些腿有了其他功能，產(chǎn)生了變化。行走就主要靠中和后足來完成。比如說刀螂。兩只前腿不會用來走路。而是自己的武器、依靠剩下的四條腿運動 參考上面的昆蟲腳結構,我想出了一個簡單的方式來表達。一只腳兩個關節(jié)的活動,聯(lián)合使用控制型轉變，另一個聯(lián)合使用偏擺,讓腳可以提高,作為一種上下。 2.2仿生蜘蛛機器人的研究方法及思路 決定這次研究的仿生蜘蛛機器人為六條腿的結構，要想完成設計首先得完成機構的設計。之后才可以進行系統(tǒng)的設計。整機機械結構、自由度、驅動方式，傳動機構，都會影響機器人的性能。而且，仿設計出來的機器人機構不僅得滿足技術條件。而且得滿足經(jīng)濟條件。必須在滿足機器人的預期技術指標的條件下，考慮用合理用材、便捷制造安裝、價格低廉和可靠性高等問題。 仿生蜘蛛機器人機制包括身體和腿兩部分、,首先得決定腿的數(shù)量。以及其他數(shù)據(jù)。現(xiàn)有計算多組機器人包括三、四、六尺、八尺以上,腳的數(shù)量大,重載和慢鏡頭,和青年的數(shù)量似乎更靈活的運動。數(shù)選擇的因素主要包括:穩(wěn)定、節(jié)能、冗余、聯(lián)合控制性能的要求,生產(chǎn)成本,質量,復雜的傳感器和可能的步態(tài),等等,腿配置指的是腳的行走機器人相對于身體的位置和姿態(tài)的安排,確定分布形式,還需要考慮一些細節(jié),比如腿在主平面幾何配置和相對彎曲腿的方向桿,等等。此次設計腿的分布如圖1所示。 圖 7仿生蜘蛛機器人腿的分布示意圖 綜合足的數(shù)量等因素，此次設計的行走步態(tài)決定用三角步態(tài)，這也是六足機器人步行方式通常采用的。三角步態(tài)中，六足機器人身體的一側的前足和后足與另一側的中足共同組成一組。其他三條足組成另外一組。 38 3整體設計方案 3.1工作原理分析 六足步行機器人的步態(tài)是多樣的，其中三角步態(tài)是仿生蜘蛛機器人實現(xiàn)步行的典型步態(tài)。以下主要分析三角步態(tài)原理。 3.1.1三角步態(tài)原理分析 六條腿的昆蟲行走時，一般不是六足同時直線前進，是把三對足分成兩組，以三角形支架結構，互相交替前行。目前，大部分仿生蜘蛛機器人采用了仿昆蟲的結構，六條腿分布在身體的兩側，身體左面的前、后足及右面的中足為一組，右面的前、后足和左面的中足為另一組，分別組成兩個三角形支架，靠大腿前后劃動來實現(xiàn)支撐以及擺動過程，這就是最典型的三角步態(tài)行走方式。但是因為身體重心比較低，容易穩(wěn)定，所以這種行走方案可以得到廣泛運用 3.1.2機器人走動步態(tài)分析 項目設計總共用18個舵機實現(xiàn)步態(tài)。每條腿三個舵機，分別控制跟關節(jié)和膝關節(jié)以及踝關節(jié)的運動，兩個舵機安裝呈正交，構成垂直以及水平方向的自由度。因為腿具有水平和垂直平面的運動自由度，所以需要考慮利用三角步態(tài)來實現(xiàn)直線行走。分別給18個舵機編號（1-18），如下圖所示。 3.2機器人機構總體設計 六條腿的機器人六條腿走路運動過程中分為兩組,昆蟲的身體一側的前足和后腿在另一邊的腳作為一組,剩下的三條腿和一群。在運動的過程中,會有一組腿,一組腳,三個降落腿不僅使昆蟲的身體穩(wěn)定,擺動和驅動力,昆蟲身體能完成直線或旋轉運動。本設計使用三角步態(tài)六英尺六條腿的機器人分為兩組,1、3、5條腿作為一個群體,2,4,6為另一組腿。六條腿的機器人通過控制兩腿交替提高擺動,實現(xiàn)步行運動。從身體的角度提升每條腿是開鏈結構,等效串聯(lián)的手臂,同時在三條腿或六條腿和身體成分較為封閉鏈自由度并聯(lián)機構。步行機器人行走在正常情況下,胎停止支持腿與地面接觸有摩擦,可以簡化為點接觸,相當于3自由度球面副的機制,加上與關節(jié),膝蓋和腳踝(對于單自由度,每個關節(jié)旋轉),每條腿有6對單自由度運動。假設任何時候步行機器人的腿支撐階段數(shù)n,然后用n模型空間多環(huán)并聯(lián)機構分支機構,它的自由度可以計算下一個類型: （1） 式中：p----運動副數(shù)，p=4n； ----第i個運動副具有的自由度數(shù)，=1（i=1~3n）,=3(i=3n+1~4n)， L----獨立封閉環(huán)數(shù)，L=n-1； ----第i個獨立封閉環(huán)所具有的封閉約束條件數(shù)，=6； ----消極自由度數(shù)，=0； 和----分別為局部自由度數(shù)和重復約束數(shù)，。 將以上參數(shù)代入式（1），可得： F=3n+3n-(n-1)6=6 由此可得到，不管步行機器人的幾條腿處于支撐相，不論是三足支撐還是六足支撐，整個機構都是具有六個自由度的空間多環(huán)的并聯(lián)機構，只是有時為三分支并聯(lián)機構，有時為六分支并聯(lián)機構。六足步行機是這樣行走，從機構學角度看就是三分支并聯(lián)機構，六分支并聯(lián)機構和串聯(lián)開鏈機構兩者之間不斷變的復合型機構。同時，上面的式子也說明，不管該步行機器人的步態(tài)和地面狀況怎樣，軀干在一定范圍內都可靈活的到達任意位置，而且呈現(xiàn)要求的姿態(tài)。 仿生蜘蛛機器人腿分布示意圖如圖3所示。 圖8仿生蜘蛛機器人腿分布示意圖 仿生機器人蜘蛛六腿機身的盤上均勻分布,根據(jù)設計要求:一條腿有三個自由度的運動,因此每條腿組裝三個電機實現(xiàn)三個轉動自由度。電機裝配位置腿和關節(jié),膝蓋和腳踝。機身連接到主板的基礎部分,關節(jié),膝蓋和腳踝,每個都有相應的自由度,以確保正常的運動。脛骨關節(jié)連接,以保證良好的能動性,六條腿的機器人腳后通常使用昆蟲腳設計的一部分,好的,優(yōu)越的實用性和良好的靈活性。腿交替來支持身體的質量在行走的過程中,和推動身體向前移動在負重條件,因此必須適應整個剛度和承載力的質量。項目設計的仿生機器人蜘蛛,三個自由度的腿在一個類似的機構,包括膝蓋和腳踝是由電機驅動和錐齒輪,為了使用簡單的機構來獲得更大的工作空間和靈活性。電機通過控制相應的關節(jié)運動使機器人具有多個自由度,可以實現(xiàn)機器人走在任何時候自由的領域。在結構上,以確保它可以更有效地模擬昆蟲走路的方式來完成相對復雜的運動。驅動系統(tǒng)在機器人仿生蜘蛛等效生物肌肉的作用,改變它,把腿關節(jié)機器人的姿態(tài)。驅動系統(tǒng)必須擁有足夠的功率對關節(jié)進行加、減速并帶動負載，而且自身必須輕便、經(jīng)濟、精準、靈敏、可靠且便于維護六足機器人的腿生物結構示意圖4所示。 圖9仿生蜘蛛機器人腿的生物結構示意圖 圖10舵機安裝示意圖 （1）行走步態(tài)分析 由13，14，15，1，2，3，7，8，9，號舵機所控制的E,C,,A腿所處的狀態(tài)一直保持一致；同樣，4、5、6、10、11、12、16、17、18號所控制的B、D、F腿的狀態(tài)也保持一致。當一個三角形內的三條腿支撐時，另三條腿正在擺動。支撐的三條腿使身體前進，擺動的腿對身體沒有力以及位移作用，只使小腿向前運動，做好接下來支撐的準備。步態(tài)函數(shù)，的占空系數(shù)為0.5，支撐相還有擺動相經(jīng)過調整，滿足平坦地形時行走步態(tài)要求以及穩(wěn)定裕量要求[7]。 （2）轉彎步態(tài)分析 項目設計的機器人使用原位將與一只腳為中心轉動,右旋轉運動過程如下：首先E,C,A,號腿先抬起，然后C,A號腿向前擺動，E腿保持不動。此時B、D、F腿支撐。然后A、C、E腿落地支撐，同時B、D、F腿抬起保持不動。最后A、C腿向后擺動。整個運動過程中B、D、E、F不做前后運動，只是上下運動。 3.3電機的選擇 選擇電機時需要考慮機器人地質量以及最大扭矩。必須要有機器人的腿的質量以及尺寸，通過查閱然后預算可以得出：上腿（股節(jié)）有效長度是 34mm，中腿（脛節(jié)）的有效長度是34mm,下腿（足）的有效長度是 90mm。上腿質量為 190 克，中腿為140克，下腿為 150 克。然后對腿部做受力分析，做出受力簡圖5如下 圖11 仿生蜘蛛機器人腿的受力簡圖 仿生蜘蛛機器人以地面做 xoy平面，仿生蜘蛛機器人地重心在 xoy平面上的投影為坐標原點O，z軸和機身垂直。 仿生蜘蛛機器人每條腿都會有3個自由度，每條腿都是由上腿和中腿以及下腿通過舵機連接形成。在本次設計中，上腿的長度是34mm，中腿地長度是34mm，下腿地長度為90mm。機體和上腿由A號舵機連接，上腿和中腿是B號舵機連接，中腿和下腿用C舵機連接。腿著地的時候，上腿和中腿間的夾角為135°，中腿與下腿間的夾角為135°，抬腿的時候，B舵機逆時針轉動30°。在仿生蜘蛛機器人行走的過程中，要避免腿與腿會碰到，所以腿擺動的時候需要選擇合適的角度，在本設計中運動控制的時候選擇的擺動角度為30°。 針對仿生蜘蛛機器人支撐腿的受力狀況，其虛位移平衡方程的分析如下： 首先用表示質點系的廣義坐標，即有 （2） ，，，，，，，，，則仿生仿生蜘蛛機器人步行足的廣義平衡方程為： （3） （4） 其中 M2、M3為膝關節(jié)和踝關節(jié)所需扭矩，l2、l3、 m2、 m3為脛節(jié)、足的長度和質量。 假設仿生蜘蛛機器人要按“三角步態(tài)”來行走，支撐相的三足均勻承受負荷，可以得到足的反力為： （5） 仿生蜘蛛機器人在實際運動中，存在 的情況。據(jù)此，可推算出各關節(jié)所需的扭矩為： （6） （7） 當q2=90°，q2-q3=30°時，由公式得，關節(jié)需輸出扭矩最大值為： （8） （9） 計算得出，電機的最大輸出扭矩要大于1.58 Nm。 根據(jù)得到的數(shù)據(jù)；來選用的伺服馬達是TowPro的，型號是 SG303。主要技術參數(shù)如下： 轉速：0.23秒／30度。 力矩：1.8Nm。 尺寸：40.4mm×19.8mm×36mm。 重量：37.2g。 5V電源供電。 舵機的結構如圖6所示 圖12 舵機的內部結構圖 通過整體的設計確定了仿生蜘蛛機器人的基本結構，通過電機的選擇而確定仿生蜘蛛機器人的質量以及腿部的尺寸，為后面的零件設計做了充分準備。 3.4舵機驅動原理 仿生蜘蛛機器人采用電動驅動的方式進行驅動，驅動器采用微型直流角位移伺服電動機（舵機） 3.4.1舵機原理 舵機是一種擁有的簡單的結構的、集成化的直流的的伺服系統(tǒng)，它的內部結構由直流電的機和減速齒輪和電位計和的制電路組成?？刂菩诺奶柧€提的的供一定脈寬地脈沖時，輸出軸保持在相應的角度。如果舵機初始角度狀態(tài)在0°位置，那電機只能朝著一個方向運動。舵機所采用地驅動信號為脈沖比例調制信號（PWM），就是在的通常為20ms的周的期之內，輸入（0.5-2.5ms）變化的脈沖寬度，所對應的轉角范圍由0°變化到18的0°，脈沖寬度和轉角為線性關系。所以在初始化時，應該把的所有電機的位置定在90°位置。機器人和關節(jié)連接的的舵機的轉軸是水平轉動，控制腿部的前進和后退。 4零件的設計 4.1軀干的設計 為了便于加工以及控制器等設備的安裝，多足步行機器人的機體常采用箱型剛體結構。 對機體為長方形和菱形的兩種步行機器人進行運動學分析(如圖）后發(fā)現(xiàn)，近似菱形的機器人結構本體具有以下三方面明顯優(yōu)勢:一、可以減少各個腿部之間的相互干涉碰撞;二、提高了機器人本體結構的穩(wěn)定性;三、增大了機器人腿部的轉動空間。綜合以上優(yōu)點，仿蜘蛛機器人采用近似橢圓形的框架結構，為了降低機器人質量，使用高強度的鋁合金材料。軀體上預留設備安裝孔，便于安裝控制器、傳感器、電池等及走線。同時，兼顧六條腿的根部與機體相連整體布局與安裝定位。 在本設計過程中，我選用長方形軀干本體。 4.2基節(jié)設計 基節(jié)是機器人的腿的安裝位置,應考慮舵機的安裝。這兩個表的部分是用來構成一個基本部分。節(jié)片分為上層節(jié)片和基地。圖10為上基節(jié)片 圖13 基節(jié)片 做髖生長板的安裝位置腿向前伸,使腿部空間增加,可以避免兩條腿受傷,它的長度是65毫米,前面是25毫米寬度后端基礎32 mm.Consists兩個街區(qū),基地節(jié)片上中心鉆一個直徑4毫米的洞,留給轉向齒輪軸。在圓的中心為中心的圓半徑7.5毫米統(tǒng)一四內螺紋孔直徑是3毫米。通過與固定在轉動軸上的圓片連接，當舵機轉動時，舵機的機身就會帶動與它緊固的部分轉動。這個位置可稱為仿生蜘蛛機器人的跟關節(jié)。 下基本節(jié)片舵機與聯(lián)合平臺,放置在前面的中心半圓的半徑10毫米晶片,晶片的中心舵機與聯(lián)合洞洞的相同位置的電影由一個圓柱銷的位置。圖11為下基節(jié)片 圖14 下基節(jié)片 下基節(jié)片和上基節(jié)片在其結構上只有一個直徑是4mm的通孔的區(qū)別，其基本尺與上基節(jié)片一樣，厚度都為 3mm。 4.3關節(jié)蓋的設計 聯(lián)合覆蓋函數(shù)是用來連接關節(jié)和膝關節(jié)。剪輯與關節(jié)舵機在后面,前面的膝關節(jié)操舵裝置,由于對兩個舵機負載這部分,考慮到穩(wěn)定性,所以長度不能太長。（圖12即關節(jié)蓋） 圖15 關節(jié)蓋 前端處理長42毫米寬21毫米方孔,方孔用于修復膝關節(jié)操舵裝置由聯(lián)合封面圖還需要兩個,后面操舵裝置的聯(lián)合,通過兩個螺絲。多在洞前略大于操舵裝置的大小與位置和大小,舵機方孔,之前和之后的每一個,兩個聯(lián)合覆蓋20毫米。操舵裝置本身的固定部分。所以成四個M4螺釘,通過兩個洞,和關節(jié)封面是固定的。 聯(lián)合覆蓋的基本尺寸85毫米長,60毫米,厚度3毫米寬。后面是40毫米寬。綜合兩個舵機安裝位置,膝關節(jié)的轉向齒輪軸和聯(lián)合轉向齒輪軸的距離是30 mm.The 30 mm的線段的長度,因為腿的長度30 mm的結束似乎太短?？紤]到短段可以避免兩條腿之間的碰撞,使每條腿可以鍛煉在一個安全的區(qū)域。便于操控與行走，確保了機構的可行性。 4.4脛節(jié)片的設計 脛骨連接部分的膝蓋和腳踝的腿。Shin節(jié)片直接與兩個舵機轉動軸。從頂部的腿,上部的柄節(jié)片和連接到膝關節(jié)的操舵裝置,當膝關節(jié)操舵裝置,驅動脛骨運動。在脛骨底部連接到腳踝和腳,可以促進腳,腳。從下往上,當腳腳踝舵機旋轉,地面接觸由于腳與地面接觸部分相當?shù)哪_是固定的,踝關節(jié)脛骨上轉向扭矩傳遞節(jié)片上升。傳遞上去的扭矩使仿生蜘蛛機器人的軀體運動。 在脛節(jié)兩個脛節(jié)片當中有一片需和兩個關節(jié)的舵機相連。所以有了傳動脛節(jié)片的設計。傳動的脛節(jié)片地結構圖如圖13所示 圖16 傳動脛節(jié)片 傳動脛節(jié)片的尺寸為長 75mm、寬 22mm、厚 3mm。在兩端的半圓的圓心位置加工直徑為 4mm的通孔用于與舵機相連接。在中間中心線兩邊分布有兩個直徑 2.2的通孔，加裝兩個連接桿用于兩塊脛節(jié)片的連接。連接桿的長度為 45mm。 圖17 脛節(jié)片 和傳動脛節(jié)片相對應地另一塊脛節(jié)片采用加強膝關節(jié)和踝關節(jié)的連結，結構為圖14所示 兩塊脛節(jié)片平行裝配連接，通過中間的兩根連接桿用螺釘緊固。從而組成中腿。 4.5足的設計 腳是機器人直接接觸地面的一部分，有裝在踝關節(jié)上的舵機來控制運動。為了可以減小與地面的摩擦，足前端做成了尖的圓頭狀。如圖15所示 圖18 足 足的后半部分做寬是想要能夠將舵機裝進來。由計算所得足的長度為 90mm，這個長度是從足尖到裝在足上地舵機的轉軸長度，實際足的零件的設計長度是108mm，要保證90mm后還需要有舵機的裝配空間。足寬為 30mm。 4.6連接桿的設計 為能夠把一些零件,需要添加支持。體積小和桿連接器質量成為首選的設計。首先,六條腿的機器人身體機身主板,兩塊板之間的距離需要推進的大小關節(jié)舵機來確定。寬度尺寸的操舵裝置的結構是舵機作為機身主板的基礎間距,結果表明連桿上的箱子應該是44毫米長。 通過兩頭的螺釘緊固。圖16即軀干上的連接桿。 圖19 軀干連接桿 在連接桿的兩端鉆孔攻絲加工內螺紋以便與螺釘配合。另一個是用于兩塊脛節(jié)片的連接，使得通過脛節(jié)把足和股節(jié)連接起來如：如圖17所示。 圖20 脛節(jié)連桿 4.7固定片的設計 如何使轉向軸轉矩效應的幾個關節(jié),腿需要相關和固定,以確保機器人走路腳穩(wěn)定和良好的靈活性。需要設計特殊的部分。鑒于前面設計部分設計一塊晶片固定。推動連接器與轉向齒輪軸直接連接,再由四個螺絲和節(jié)片或脛骨節(jié)片連接可以傳遞扭矩。 關節(jié)連接件通過中心孔和操舵裝置板固定圓柱銷連接,用于修復操舵裝置的位置,和機構,以確保穩(wěn)定的仿生蜘蛛機器人。另外連接片還通過四個螺釘與基節(jié)片或脛節(jié)片相連接。在跟關節(jié)與股節(jié)片相連的過程中以及在膝關節(jié)與脛關節(jié)的連接過程中，加上一條腿的過程中連接到腳踝關節(jié)和踝關節(jié)和足根的過程中需要連接定子和連接件,關鍵部分看似簡單,實際上在確保穩(wěn)定的機構行走的狀態(tài),它的作用。 通過尺寸計算可以確定零件的尺寸，根據(jù)需要設計的零件的結構，在零件設計時靈活運用如圖18和19 圖21 傳動連接片圖 圖 22 關節(jié)連接片 5.仿真圖文詳解 圖23 仿真蜘蛛初始狀態(tài) 第一步蜘蛛六足支撐站立。 圖24 蜘蛛仿真截圖 第二步綠、藍、黃三足同時抬起，其他三足保持不動，保持站立姿勢。 圖25 蜘蛛仿真截圖 第三步綠、藍兩足挺尸向前轉動，其他足不變。 圖26 蜘蛛仿真截圖 第四步綠、藍兩足落下，黃足收縮落下，紅、橙、紫三足抬起，由綠、藍、黃三足支撐站立。 圖27 蜘蛛仿真截圖 第五步綠、藍兩足向后擺動，黃足向后伸張，三足同時運動，使蜘蛛向前運動。同時紅、橙兩足向前擺動。 圖28 蜘蛛仿真截圖 第六步紅、橙、紫三足同時落下，藍、綠、黃三足同時升起。 圖29蜘蛛仿真截圖 第七步紅、黃兩足同時向后擺動，紫足向后收縮，三足同時用力使蜘蛛向前運動。綠、藍兩足向前擺動。之后從第二步開始重復運動。 結 論 感謝李蕊老師精心指導畢業(yè)設計,參考書籍和大量的機器人設計設計數(shù)據(jù),我成功完成了仿生蜘蛛機器人的設計和研究。主要工作包括:根據(jù)需求,確定仿生機器人的總體方案、結構設計。 這個畢業(yè)設計給了我一個獨立的分析問題,解決問題,同時進一步理解和鞏固理論知識,鍛煉自己的實踐能力,為未來的工作是極大的幫助。還發(fā)現(xiàn)了設計中的一些不足,仍有一些有待改進,總結如下: 1）. 目前我的設計,控制機器人的速度、方向,實現(xiàn)良好的控制,但在轉向步態(tài)變化大,轉換的步態(tài)是不夠敏感。因此需要進一步研究控制系統(tǒng),完美的數(shù)學模型。 2）. 為了實現(xiàn)仿生機器人的功能,如障礙、避障或障礙,傳感器就足夠了?？梢栽黾右恍┢渌膫鞲衅鳌⒓t外傳感器等觸摸傳感器,實現(xiàn)多傳感器的融合,共同完成的功能仿生機器人的性能,以便實現(xiàn)真正意義上的仿生機器人。 3）. 建立機器人的實體模型六邊連接連接牢固能力尚且不足 畢業(yè)設計是大學在一個大的知識培訓,為我們即將到來的工作做準備。通過這次設計,我看到自己的缺點,但是從最初的不知道如何開始主動發(fā)現(xiàn)問題在這個過程中,我不斷磨練自己。從一開始的主題選擇,感覺一個六足機器人非常有趣。規(guī)范畢業(yè)設計之后,我看見我懷疑這個選擇是否合適,是否適合我,我可以適應。通過自己的努力慢慢克服,找到樂趣。設計的進步提高。四個月的設計即將結束。在此期間他不斷反思補償不足,學會了如何做事如何提高自己。 結論要求精煉、準確地闡述作者的研究成果或新的見解及意義和作用，還可進一步提出需要討論的問題和建議。 參考文獻： [1] 朱玉章.未來智能機器人[J].軍事世界.2003.10.32 [2]Akhtaruzzaman,M.;Khirul Hasan,?S.K.;?Shafie,?A.A.?Design? and?development?of?an?intelligent?autonomous?mobile?robot for?a?soccer?game?competition[J],?Proceedings?of?the?2009 International?Conference?on?Mechanical?and?Electronics?Engineering, 2010, 167-71 [3]惲為民.中國機器人發(fā)展之我見[J].讀者之聲.1995.02.30 [4]賈玉贊.淺議智能機器人發(fā)展及應用[J].太原科技.2003.03.20 [5]孟慶春，齊勇，張淑軍，杜春俠，殷波，高云.智能機器人及其發(fā)展[J].中國海洋大學學報.2004.09.831-838 [6]Bares?J?E,Whittaker?W?L.Cfiguration?of?autonomous?walkers?for?extreme?terrain[J].The?International?Journal?of?Robotics?Research,1993,12(6):535-559. [7]Werrergreen?D,Pangels?H,Bares?J.Behavior-based?gait?execution?for?the?DANTE-II? walking?robot[C].IEEE/RJS?international?Conference,1995,3:274-279.? [8] Greiner?H,Shectman?A.Autonomous?legged?underwater?vechiles?for?near?land? warfare[J].Autonomous?Underwater?Vechile?Technology,1996(6):41-48.? [9] 馬培蓀,竇小紅,劉臻。全方位四足步行機器人的運動學研究[J].上海交通大學學報,1994,28(2):36-39.? [10]李明東,程君實,馬培蓀等.一種形狀記憶合金驅動的微小型六足機器人[J].上海交通大學學報,2000,34(10):1426–1429.? [11]徐小云,顏國正,丁國清.微型六足仿生機器人及其三角步態(tài)的研究[J].光學精密工程,2002,10(4):392-396.? 致謝 本畢業(yè)設計（論文）的工作是在李蕊老師的悉心指導下完成的，李蕊老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和科學的工作方法給了我極大的幫助和影響。在此衷心感謝四年來李蕊老師對我的關心和指導。 李蕊老師悉心指導我們完成了畢業(yè)設計（論文），在學習上和生活上都給予了我很大的關心和幫助，在此向李蕊老師表示衷心的謝意。 李蕊老師對于我的畢業(yè)設計（論文）都提出了許多的寶貴意見，在此表示衷心的感謝。 在撰寫畢業(yè)設計（論文）期間，陳超等同學對我畢業(yè)設計（論文）中的舵機選擇 研究工作給予了熱情幫助，在此向他們表達我的感激之情。 另外也感謝家人，他們的理解和支持使我能夠在學校專心完成我的學業(yè)?！? 設計一個聯(lián)合仿真為上肢外骨骼機器人協(xié)助康復 摘要：介紹了外骨骼的設計和仿真基于人類手臂的運動學，機器人用于上肢康復協(xié)助機器人。設計滿足人類手臂的運動學特征,這樣的外骨骼可以讓手臂的運動全方位的運動。我們使用聯(lián)合仿真設計的上肢外骨骼，考慮模型開發(fā)的Opensim,Solidworks設計機械結構和Matlab構建動態(tài)模型。系統(tǒng)運動在Simmechanics使用預測動態(tài)模擬計算獲得的獨立的關節(jié)軌跡造型外骨骼的幾個優(yōu)化問題與Tomlab SNOPT解決。使用虛擬工具的外骨骼的設計流程和模塊化的結構將允許使用3 d打印設備。外骨骼設計工作是獨立的聯(lián)合控制,以便系統(tǒng)能夠運行被動,輔助和active-assistive模式,記錄數(shù)據(jù)分析和支持康復運動的過程。 關鍵詞:外骨骼、robot-mediated聯(lián)合仿真、上肢、虛擬設計 1、介紹 上肢運動功能障礙是一種常見的障礙，可能影響卒中后的人。如拿起一個對象定期運動的執(zhí)行成為慢性【1】。患者卒中后可以驅動神經(jīng)重組腦復蘇和返回功能與任務特定的重復訓練[2]。傳統(tǒng)療法包括重復定位和活動度(ROM)運動,動員、補償技術,加強和耐力訓練。中風后,運動療法結合醫(yī)療實踐支持的電子設備(e-health)幫助病人的恢復利用虛擬環(huán)境旨在鼓勵個人執(zhí)行特定動作[3 - 5]。機器人輔助設備經(jīng)常用于e-health上肢康復由于其能力,以適應不同類型的療法。機械設備是用于促進早期恢復運動的肩膀,手肘、手腕和手指[6 - 9]。已經(jīng)表明,機器人的使用調節(jié)裝置來支持在上肢運動障礙康復治療中風患者,損傷措施可以顯著減少受影響的肢體[10]Robot-mediated為上肢康復包括各種形式如被動,被動和電阻。這些模式已經(jīng)被Basteris分類最近和他的同事們根據(jù)他們的特點實現(xiàn):活躍(Ac),輔助(如),被動(P),passive-mirrored(PM),active-assistive(AA),糾正(C),路徑指導(PG)和電阻(R)。主動模式是建立在完全的貢獻的用戶在執(zhí)行一個任務,在被動模式下的機器人負責運動,而在病人和機器人輔助模式導致任務執(zhí)行。被動反映模式中使用雙手的設備當主體執(zhí)行運動與健康的手臂復制的受損的手臂active-assistive模式機器人糾正用戶當他/她不正確執(zhí)行任務而在矯正模式下機器人停止用戶在同樣的條件下運動,這樣用戶可以奪回這個任務。在電阻模式下機器人抵抗用戶正在執(zhí)行的運動。在路徑指導模式下用戶執(zhí)行軌跡觸覺的指導下機器人[11]。 機器人外骨骼是可穿戴的機械結構是基于人類手臂的運動學產(chǎn)物。每個關節(jié)的運動可以通過控制驅動電機和位置傳感器位于關節(jié)的結構。這項工作集中在設計的8自由度(自由度)外骨骼,預計在被動執(zhí)行,輔助和active-assistive模式。在流行robot-mediated設備已經(jīng)在該領域的研究流行robot-mediated設備的過去的那些年里,執(zhí)行下一個多的模式,我們可以提到active-assistive手臂外骨骼的骨頭,在active-assistive KINARM混合動力外骨骼,輔助MAHI EXO-II L-Exos機器人外骨骼和活躍的仿生矯正法Neurorehabilitation肘部和肩膀骨頭氣動動力外骨骼的運動學設計復制人類手臂的運動的正常范圍。骨骼的控制系統(tǒng)可以通過編程所以援助算法可以根據(jù)用戶的需要添加[12]。KINARM外骨骼是一個商業(yè)設備使用的聯(lián)系,讓肘部和肩膀的運動在水平平面。KINARM記錄模式的控制系統(tǒng)的獨立運動和關節(jié)力矩為了復制任務或應用加載[13]。的MAHI EXO-II是一個自由度的機器人外骨骼內置兩個肘部和前臂轉動關節(jié),和一個球形關節(jié)的手腕與直流換向器電動機驅動。的設計MAHI EXO-II允許用戶記錄每個關節(jié)的運動獨立為一個精確的手臂和手腕運動的知識。(14、15)。L-Exo是一個自由度的外骨骼,力反饋擬人化的胳膊和四個關節(jié)驅動允許的肩部和肘部的ROM。系統(tǒng)也有一個被動關節(jié),讓手腕運動(16、17)。 在本文中,我們目前的設計和仿真外骨骼基于人類手臂的運動學，旨在用于上肢康復機器人協(xié)助。該設備是一個八自由度機械結構與獨立的轉動關節(jié),將允許用戶移動全羅的手臂外骨骼是肌肉骨骼的聯(lián)合仿真軟件開發(fā)的建模和仿真運動(Opensim),計算機輔助設計軟件(Solidworks)和機械系統(tǒng)仿真環(huán)境(MATLAB-Simmechanics)。圖1顯示了包含元素的流程圖中使用的發(fā)展系統(tǒng)。首先,我們使用的上肢Opensim中開發(fā)一個模型提供了一個人類手臂的運動學為基礎設計Solidworks的外骨骼結構。Solidworks結構提供了物理特性和慣性數(shù)據(jù)使用的外骨骼,后來在Matlab構建動態(tài)模型。自從上肢模型提供數(shù)據(jù)來模擬一個手肘旋轉,我們預測動態(tài)(PD)用于計算獨立的各關節(jié)軌跡外骨骼考慮人類手臂的ROM。我們建模外骨骼系統(tǒng)的優(yōu)化問題,基于動態(tài)模型使用從Tomlab SNOPT解決它們。最后,我們模擬了外骨骼在Simmechanics考慮聯(lián)合使用PD軌跡了。實驗部分給出了一個洞察力Solidworks的外骨骼的設計過程和仿真的外骨骼Simmechanics動態(tài)模型。最后兩個部分分析模擬的結果和討論外骨骼的針對性,根據(jù)設計的目標。 2、實驗部分 窗體底端 2.1、設計目標 外骨骼的設計考慮特定的特點,所以,一旦建成,機器人裝置可成功用于援助和恢復運動。主要objectiveof設計是滿足人類手臂的運動學特征考慮獨立的聯(lián)合控制,這樣的外骨骼允許運動解剖中心旋轉運動[18]。擬人化設計將允許完整的人類手臂的ROM的執(zhí)行一些運動和日常生活活動(ADL)[19]。外骨骼是為了支持卒中后患者的康復,能夠增加訓練強度,以允許用戶實踐運動任務本身的自然和直觀的交互[20]。設計必須考慮安全可靠性、簡單的耐磨性和可移植性和可用性/驗收(21、22)。最后,系統(tǒng)必須有能力記錄每個關節(jié)的運動,以監(jiān)視和分析孤立運動[14]。 2.2、生物力學的人類的手臂 上肢的運動學位于肩胛骨的運動的肩膀,前臂和手。完全的組合兩個或更多,或者通過執(zhí)行這些元素的獨立運動手臂負責定位空間。每個元素參與的運動學上肢有至少一個自由度有限的活動范圍如表1所示。在運動參與手定位任務:肩胛骨彎曲/擴展;肩膀彎曲/擴展,內收/綁架,中位數(shù)/橫向旋轉;屈肘/擴展,前臂旋后,手綁架/內收和彎曲/擴展[23]。 窗體頂端 ? 窗體底端 2.2.1、一只手臂運動的仿真 外骨骼的設計是基于一個精確的模型50百分位人體手臂的男性(170厘米高)由Holzbaur和同事。該模型定義了人類手臂的運動學為15自由度系統(tǒng),包括三個自由度的肩膀,兩肘景深,兩個自由度的手腕,食指和四個自由度的四自由度拇指[24]。模型被開發(fā)使用Opensim Delp開發(fā)的一個平臺和他的同事們在斯坦福大學的建模和仿真neuroskeletal系統(tǒng)[25]。我們使用了描述定義外骨骼的運動學模型。Opensim的手臂的模型包括彎頭的逆運動學仿真旋轉從0到90度。 表1。上肢的元素和他們的活動范圍 DOF 運動 t旋轉角度(度)下限/上里美 肩胛骨 1 彎曲度/ 伸展度 20/15 肩膀 1 彎曲度/ 伸展度 140-180/60 2 內側/外側 90/20 3 外展/內收 180/20 肘 1 彎曲度/ 伸展度 150/10 前臂 1 上翻/下翻 90/80 手腕 1 外展/內收 25-30/30-40 2 彎曲度/ 伸展度 60-80/60-90 2.3、設計規(guī)范 在Solidworks外骨骼機械結構的設計，外骨骼是一種基于上肢八自由度ROM表1所示。外骨骼元素的尺寸是基于人類手臂的尺寸模型50百分位男性[24]。圖2顯示了外骨骼機械結構的示意圖。圖2(一個)顯示外骨骼的八自由度的結構。:所有的關節(jié)為J1,J2,J3,閣下,J5,衛(wèi)星,J7和J8轉動。背面的外骨骼,圖2所示(b),作為支持外骨骼也認為電池。的側面的外骨骼initialpose圖2所示(c)。圖2(d)顯示了人類的手臂和肘部時的外骨骼是在一個90度的位置。 a b c d 圖1所示。外骨骼機械結構:1)示意圖和自由度,b)和c)人類手臂外骨骼的側面安裝模式,d)外骨骼和人類手臂的肘部時在一個90度的位置 2.3.1、聯(lián)合布局 結構由八個移動部件或鏈接顯示在圖3。圖3(一個)顯示元素負責肩胛骨彎曲/擴展運動。圖3中的元素(b),圖3(c)和圖3(d)允許綁架/內收,彎曲/擴展和內側/外側的肩膀。圖3中的元素(e)允許屈肘/擴展。圖3中的元素(f)允許前臂旋后運動。圖3中的元素(g)和圖3(h)允許手綁架/內收和彎曲/擴展,分別。 2.3.2、動態(tài)模型 外骨骼的動態(tài)模型表示為情商(1): 影響關節(jié)和代表執(zhí)行所需的扭矩所需的運動[26]。外骨骼的動態(tài)模型建立了考慮機械結構的物理特性,由于大量的自由度的系統(tǒng),我們使用遞歸動態(tài)基礎上的貢獻所有力量影響每個鏈接為了找到整個系統(tǒng)的動力。在構建和模型的仿真系統(tǒng)被認為是無摩擦。 2.3.3、預測動態(tài) 動態(tài)預測是用來預測人類運動造型系統(tǒng)作為一個優(yōu)化問題,以發(fā)現(xiàn)未知的關節(jié)角和未知的廣義力參與特定動作(27、28)。我們使用預測動態(tài)找到新軌跡,作為參考的外骨骼關節(jié)控制器系統(tǒng)的模擬。所需的旋轉接頭,問題是模型來確定關節(jié)關節(jié)角受到限制,運動方程和物理和其他約束,同時最小化代價函數(shù)。Eq。(2)顯示了優(yōu)化問題的考慮兩種不同的成本函數(shù):動態(tài)的努力表示為一體的廣場的所有關節(jié)扭矩()隨著時間的推移和最小關節(jié)旋轉時間();的約束 2.4、模擬的性能 外骨骼機械結構的開發(fā)Simmechanics為了模擬系統(tǒng)的性能。如前所述,手臂的模型包括彎頭的逆運動學仿真旋轉從0到90度,因此我們使用預測動態(tài)發(fā)現(xiàn)關節(jié)軌跡,將作為參考關節(jié)控制器。首先我們得到的關節(jié)角彎頭在Opensim旋轉,自定義的優(yōu)化問題是考慮兩個不同的成本函數(shù),我們使用SNOPT解算器從TOMLAB優(yōu)化環(huán)境在MATLAB解決PD問題為了找到成本函數(shù)將提供最接近真正的關節(jié)軌跡。PD的問題被認為是動態(tài)的努力和成本函數(shù)的執(zhí)行時間;約束所需的運動限制,所需的扭矩限制和所需的執(zhí)行時間。最小的時間是0.9秒的模擬肘部旋轉Opensim中執(zhí)行。最大的值所需的扭矩的重量,每個關節(jié)外骨骼的支持。:關節(jié)為J1 J2,J3和閣下支持整個手臂的重量,聯(lián)合J5支持下臂的重量和手,關節(jié),J7,J8支持的手。上臂的權重,較低的手臂和手被從50百分位maleaccording丘吉爾和他的同事們[29]。該模型的外骨骼Simmechanics建成的考慮實施提供的物理特性和慣性數(shù)據(jù)臂嗎模型和系統(tǒng)的機械結構。各關節(jié)的外骨骼控制獨立使用比例積分微分(PID)控制器。我們模擬了外骨骼的性能考慮不同角度的八個關節(jié)的基于低限制了人類的手臂外骨骼羅各關節(jié)的外骨骼搬一次使用關節(jié)軌跡通過預測動態(tài)擔任參考信號的獨立的關節(jié)控制器在模擬外骨骼的運動。 3、結果 逆運動學問題的肘部運動Opensim和執(zhí)行軌跡獲得PD的問題的解決方案在考慮轉矩平方和最小時間成本函數(shù)圖4所示。PD問題的兩種解決方案Opensim靠近肘部軌跡。然而,PD與最低的時間成本函數(shù)提出了一個更大的均方誤差(MSE)的解決方案時獲得的使用方無邊女帽作為一個成本函數(shù)。最短時間給了241.4879的平均誤差和扭矩10.2932平方給了一個錯誤,這意味著考慮動態(tài)工作作為一個成本函數(shù)解決優(yōu)化問題提供了一個最親密的方法計算旋轉肘0到90度。由于建議成本函數(shù)似乎提供良好的真正方法軌跡,我們解決了八PD問題找到外骨骼的關節(jié)軌跡考慮最小時間和轉矩廣場。解決方案被用作參考信號的每個關節(jié)PID控制器的外骨骼運動的模擬。從0到20度,關節(jié)1旋轉關節(jié)2從0到140度旋轉,旋轉關節(jié)3從0到90度,聯(lián)合4從0到180度旋轉,聯(lián)合5從0到150度旋轉,聯(lián)合6從0到90度旋轉,聯(lián)合7旋轉從0到25度,聯(lián)合8旋轉從0到60度。圖5顯示關節(jié)的關節(jié)軌跡測量的外骨骼。 4、討論 這項工作提出了外骨骼的設計旨在用于robot-mediated療法中風病人的上肢。利用Opensim的特點模擬人類手臂,可以設計一個外骨骼,允許的運動解剖的中心旋轉運動期間人類手臂的每個元素。Solidworks外骨骼的結構設計和提供精確的物理測量長度、質量、質量和慣性中心數(shù)據(jù),允許每個元素的結構建設的外骨骼MATLAB動態(tài)模型,并為仿真模型 運動在Simmechanics發(fā)達。動態(tài)模型有助于模型系統(tǒng)預測動力學問題,是用來預測的運動肘考慮轉矩廣場和旋轉所需的最小執(zhí)行時間成本函數(shù)。的解決優(yōu)化問題是準確的手肘旋轉相比一只手臂模型由Holzbaur Opensim和他的同事們。我們計算均方錯誤定義代價函數(shù)給最準確的方法。結果表明,預測動態(tài)轉矩平方作為一個成本函數(shù)有一個更小的均方誤差。的 模型實現(xiàn)的手臂Opensim肘關節(jié)的運動只提供數(shù)據(jù),我們使用預測動態(tài)預測幾個關節(jié)的旋轉軌跡模擬肩膀,手肘和手腕。進一步研究認為動作捕捉的實現(xiàn)系統(tǒng)分析上肢的運動關節(jié)旋轉模擬的執(zhí)行這項工作,成本函數(shù)的分析結果將顯示手臂運動提供了最好的方法在執(zhí)行特定的聯(lián)合旋轉。外骨骼滿足的運動學特征人類手臂考慮獨立的聯(lián)合控制,允許全面的運動執(zhí)行重復的練習和運動任務支持卒中后康復患者相比其他系統(tǒng)如KINARM只支持的康復肘部和肩膀在水平面;MAHI EXO-II的5自由度允許therehabilitation肘,前臂和手腕;L-EXO旨在恢復的肩膀和肘部。因為利用聯(lián)合仿真的虛擬工具可以設置相應的,可以構建個性化設備根據(jù)每個用戶的需求。模塊化的外骨骼的設計將允許其使用聚合物將建設3 d打印機為用戶降低設備的重量,有利于其耐磨性和可移植性。自外骨骼設計獨立的聯(lián)合控制,系統(tǒng)將有能力為協(xié)助編寫算法類似于骨頭外骨骼,使其工作被動,輔助和active-assistive模式。提出獨立的聯(lián)合 各關節(jié)運動的控制適用于記錄執(zhí)行期間所需的鍛煉或運動任務,外骨骼KINARM,MAHI EXO-II,L-EXO做。這特征將有助于康復過程的跟蹤,將允許用戶分析適當時手臂的關節(jié)軌跡移動的羅在具體的執(zhí)行任務,如挑選對象。這一特點也將有助于分析的準確性不同的關節(jié)軌跡計算使用預測動態(tài)確定針對性使用外骨骼負責運動時手臂的被動和active-assistive模式,創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)庫來測試未來個性化的外骨骼。未來工作包括外骨骼的建設和識別的摩擦動力學模型的驗證。