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1、
本文的設(shè)計(jì)為六足爬蟲機(jī)器人,機(jī)器人以鋰電池為動力源,單片機(jī)為控制元件,伺服電機(jī)為執(zhí)行部件,機(jī)器人采用三足著地進(jìn)行運(yùn)動,通過單片機(jī)對伺服電機(jī)的控制,機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)前進(jìn)、后退等運(yùn)動方式,三足著地運(yùn)動方式保證了機(jī)器人能夠平穩(wěn)運(yùn)行。伺服電機(jī)具有力量大,扭矩大,體積小,重量輕等特點(diǎn)。單片機(jī)產(chǎn)生20ms 的PWM 波形,通過軟件改寫脈沖的占空比,從而達(dá)到改變伺服電機(jī)角度的目的。
1 機(jī)器人運(yùn)動分析
1.1 六足爬蟲式機(jī)器人運(yùn)動方案比較
方案一:六足爬蟲式機(jī)器人的每條腿都能單獨(dú)完成抬腿、前進(jìn)、后退運(yùn)動。
此方案的特點(diǎn):
每條腿都能自由活動,每條腿都能單獨(dú)進(jìn)行二自由度的運(yùn)動。每條腿的靈活性好
2、,更容易進(jìn)行仿生運(yùn)動,六足爬蟲機(jī)器人可以完成除要求外的很多動作,運(yùn)動的視覺效果更好。由于每條腿能單獨(dú)完成二自由度的運(yùn)動,所以每條腿上要安裝兩個舵機(jī),舵機(jī)使用數(shù)量大,舵機(jī)的安裝難度加大,機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的制作相對復(fù)雜,又由于每個舵機(jī)都要有單獨(dú)的信號控制,電路控制部分變得復(fù)雜了,控制程序也相應(yīng)的變得復(fù)雜。
方案二:六足爬蟲式機(jī)器人采取三腿為一組的運(yùn)動模式,且同一側(cè)的前腿、后腿的前后轉(zhuǎn)動由同一側(cè)的中腿進(jìn)行驅(qū)動。采用三腿為一組(一側(cè)的前足、后足與另一側(cè)的中足為一組)的運(yùn)動方式,各條腿能夠協(xié)調(diào)的進(jìn)行運(yùn)動,機(jī)器人的運(yùn)動相對平穩(wěn)。
此方案特點(diǎn):相比上述方案,個腿能夠協(xié)調(diào)運(yùn)動,在滿足運(yùn)動要求的情況下,舵機(jī)使用
3、數(shù)量少,節(jié)約成本。機(jī)器人運(yùn)動平穩(wěn),控制、驅(qū)動部分都得到相應(yīng)的簡化,控制簡單。選擇此方案,機(jī)器人還可進(jìn)行橫向運(yùn)動。
兩方案相比,選擇方案二更合適。
1.2 六足爬蟲式機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)分析
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1.2.1 機(jī)器人運(yùn)動步態(tài)分析
六足爬蟲式機(jī)器人的行走是以三條腿為一組進(jìn)行的,即一側(cè)的前、后足與另一側(cè)的中足為一組。這樣就形成了一個三角形支架結(jié)構(gòu),當(dāng)這三條腿放在地面并向后蹬時,另外三條腿即抬起向前準(zhǔn)備輪換。這種行走方式使六足爬蟲式機(jī)器人運(yùn)動相當(dāng)穩(wěn)定,任何時刻有三足著地,能夠保持良好的平衡,并可以隨時隨地停息下來,因?yàn)槠渲匦目偸锹湓谌侵Ъ苤畠?nèi)。
三角步態(tài)行走運(yùn)動原理:
步
4、行時把六條足分為兩組,以身體一側(cè)的前足、后足與另一側(cè)的中足作為一組,形成一個穩(wěn)定的三角架支撐蟲體,因此在同一時間內(nèi)只有一組的三條足起行走作用:前足用爪固定物體后拉動蟲體前進(jìn),中足用以支撐并舉起所屬一側(cè)的身體,后足則推動蟲體前進(jìn),同時使蟲體轉(zhuǎn)向,行走時蟲體向前并稍向外轉(zhuǎn),三條足同時行動,然后再與另一組的三條足交替進(jìn)行,兩組足如此交替地?cái)[動和支撐,從而實(shí)現(xiàn)昆蟲的快速運(yùn)動,其行走的軌跡線是一條鋸齒狀曲線。
圖2-1 運(yùn)動示意圖
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機(jī)器人開始運(yùn)
5、動時,左側(cè)的 2 號腿和右側(cè)的4、6 號腿抬起準(zhǔn)備向前擺動,另外 3 條腿1、3、5 處于支撐狀態(tài),支撐機(jī)器人本體確保機(jī)器人的原有重心位置處于 3 條支撐腿所構(gòu)成的三角形內(nèi),使機(jī)器人處于穩(wěn)定狀態(tài)不至于摔倒(見圖 2-1(a),擺動腿 2、4、6 向前跨步(見圖 2-1(b),支撐腿 1、3、5 一面支撐機(jī)器人本體,一面在驅(qū)動裝置作用下驅(qū)動機(jī)器人本體,使機(jī)器人機(jī)體向前運(yùn)動了半個步長!(見圖 2-1(c))。
在機(jī)器人機(jī)體移動到位時,擺動腿 2、4、6 立即放下,呈支撐態(tài),使機(jī)器人的重心位置處于 2、4、6 三條支撐腿所構(gòu)成的三角形穩(wěn)定區(qū)內(nèi),原來的支撐腿 1、3、5 已抬起并準(zhǔn)備向前跨步(見圖
6、2-1(d)),擺動腿 1、3、5 向前跨步(見圖 2-1(e)),支撐腿 2、4、6 此時一面支撐機(jī)器人本體,一面驅(qū)動機(jī)器人本體,使機(jī)器人機(jī)體又向前運(yùn)動了半個步長(見圖 2-1(f)),如此不斷從步態(tài)(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(a),循環(huán)往復(fù),周而復(fù)始實(shí)現(xiàn)機(jī)器人不斷向前運(yùn)動。這樣的六組爬蟲機(jī)器人每向前跨一步即行走一個步長的距離,也就是三角步態(tài)的的行走原理。
占空系數(shù)β又稱有荷因數(shù),占空系數(shù)(或負(fù)載因數(shù))是信號在一個周期內(nèi)觸發(fā)電平以下或以上的時間百分比。步態(tài)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)步行的關(guān)鍵之一,為達(dá)到較為理想的步行,本文所研究的六足機(jī)器人的步態(tài)是β=0.5時的狀態(tài);在其中的三條擺動
7、腿著地的同時,另外三支支撐腿立即抬起,即任意時刻同時只有支撐相或擺動相。這樣能夠使機(jī)器人的行進(jìn)過程比較連續(xù),而且比較穩(wěn)定。
在機(jī)器人遇到障礙物時,通過傳感器和電路控制裝置,可以控制電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向,使得兩側(cè)的電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相反,從而使機(jī)器人轉(zhuǎn)向。
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圖2-2 機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時的步態(tài)圖
具體的控制過程如下(向右偏轉(zhuǎn)):
1)使控制足1、足2和足3的電機(jī)反轉(zhuǎn),如圖2-2(a)所示(圖2-2中實(shí)線代表著地,虛線代表懸空);
2)這時足1、足3、足4和足6準(zhǔn)備懸空,只有足2、足5是準(zhǔn)備抓緊地面的,
3)在這一瞬間只有兩個足著地,機(jī)器人處于不穩(wěn)定狀態(tài),直到有四只足著地,使機(jī)
8、器人重新回到穩(wěn)定狀態(tài),由于該不穩(wěn)定狀態(tài)的時間非常短暫,并不影響機(jī)器人行走穩(wěn)定的性能。
向左偏轉(zhuǎn)的情況機(jī)理也是一樣的,只要使控制足4、足5、足6一側(cè)的電機(jī)反轉(zhuǎn)就可以了。
1.3 機(jī)器人平衡性分析
由于機(jī)器人在運(yùn)動過程中總有三足著地,其支撐作用的三足構(gòu)成了一個三角形支架機(jī)構(gòu),保證了機(jī)器人的重心總是落在三角形支架內(nèi)。在機(jī)器人運(yùn)動過程中的重心位置如下圖所示:
圖2-3 運(yùn)動過程重心位置示意圖
機(jī)器人采用三足支撐,在機(jī)器人的運(yùn)行過程中,任何時刻總有三足著地,構(gòu)成一個三角形支架,并通過對機(jī)器人整體尺寸、足部擺角的設(shè)定,可使得機(jī)器人的重心
9、總是落在三角形支架內(nèi),保證了機(jī)器人的平衡,三足三足交替支撐,保證了重心在水平面內(nèi)的平穩(wěn)運(yùn)動。
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1.4 微型六足仿生機(jī)器人的足端運(yùn)動軌跡曲線的確定
在進(jìn)行步行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真設(shè)計(jì)時,如果將腿直接連在軸上則足端軌跡為圓形。這樣機(jī)器人的運(yùn)動將會呈半圓狀起伏,如果能夠使得足端軌跡在觸地的部分保持平整就可以保持機(jī)器人的平穩(wěn)前進(jìn)。況且步行機(jī)器人要求有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力,它必須能夠在平面、臺階上穩(wěn)定地行走,又能夠跨越障礙,橫溝,不同的路面對軌跡曲線有不同的要求:對于平地路面要求有一定的速度,對于臺階要求能夠抬起并越過,對障礙物要求順利跨越,可見足端運(yùn)動軌跡的選擇對于步行機(jī)器人來說顯得
10、非常重要。選擇足端運(yùn)動軌跡曲線時應(yīng)主要考慮以下問題 :
(a)曲線的高寬比:曲線的高寬比直接反應(yīng)出曲線的運(yùn)動特性。該比值越大則足端運(yùn)動軌跡曲線越高,相應(yīng)的跨越臺階的能力就越強(qiáng)同時前進(jìn)特性(運(yùn)動速度)就越差。
(b)曲線弧長:在曲線寬度一定的情況下,曲線長度越長,在空中運(yùn)動的時間就越長,這將直接影響到擺動腿的速度,進(jìn)而影響到步行機(jī)的運(yùn)行速度。曲線弧長越短,運(yùn)動時間就越短,但相應(yīng)的跨越能力就越差。
根據(jù)步行機(jī)的行走要求,初步確定足端運(yùn)動曲線的高寬比和曲線弧長,采用半徑是6mm弧長的足端。
1.5 腿部力學(xué)分析
對六足爬蟲機(jī)器人的腿部受力進(jìn)行分析,通過大致計(jì)算可估算出機(jī)器人足部運(yùn)動時所需要
11、的扭矩大小,從而可以確定所需要的舵機(jī)的扭矩參數(shù)。支撐足上的舵機(jī)2 承受的力通過舵機(jī)轉(zhuǎn)軸軸心,支撐足上舵機(jī)在承載力時所受扭矩為零,對于支撐足上的舵機(jī)要求,只需抬起支撐足即可,可見一般舵機(jī)都能滿足工作要求。由于機(jī)器人由支撐足支撐而與地面無滑動摩擦,對舵機(jī)1 的要求,只需克服機(jī)械結(jié)構(gòu)間的摩擦即可。
1.6 機(jī)器人運(yùn)動速度計(jì)算
下圖所示:
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圖2-4 足部運(yùn)動范圍示意圖
機(jī)器人足部運(yùn)動示意圖,機(jī)器人足部運(yùn)動由舵機(jī)驅(qū)動,舵機(jī)的轉(zhuǎn)動角度為Ф=2×18o,在舵機(jī)的一個運(yùn)動周期內(nèi),機(jī)器人運(yùn)動的直線距離為4M,舵機(jī)運(yùn)動一個周期的用時為0.8s。M=L×sin18o=36
12、mm×sin18 o=11.12mm。機(jī)器人在0.8s 內(nèi)的運(yùn)行距離為:4M=4×11.12mm=44.48mm
機(jī)器人的運(yùn)行速度為:V=4M/0.8s=44.48mm/0.8s=55.6mm/s。
2 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)
機(jī)器人各部分結(jié)構(gòu),可以較清楚的判別構(gòu)件所處的位置,機(jī)器人由若干部件組合而成,各部件都是通過螺釘、螺母、螺栓而固定在一起的。機(jī)器人各側(cè)三足的運(yùn)動原理是相同的,故只需分析一側(cè)的三足即可。以上已對機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行了分析,機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)已經(jīng)確定。此時,由于機(jī)器人部分尺寸無法確定,所以無法進(jìn)行機(jī)器人的制作。為了方便的確定個機(jī)械部分的尺寸,并避免因試制而造成的成本、工作量的增加。首先通過Pro/E 軟件的三維實(shí)體功能,進(jìn)行機(jī)器人的實(shí)體設(shè)計(jì),通過三維實(shí)體的制作可以直觀、準(zhǔn)確的控制個機(jī)械部分的尺寸,可以使機(jī)器人的結(jié)構(gòu)性更加合理。
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