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2018 年 6 月i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iiABSTRACTThe 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 iii目 录摘 要 .iABSTRACT.ii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北京交通大学海滨学院毕业设计（论文）11 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。北京交通大学海滨学院毕业设计（论文）21.2 仿生机器人研究现状及发展趋势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。（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图 2.1 LAURON图 2.2 Hamlet机器人北京交通大学海滨学院毕业设计（论文）3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。(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 2.3 Lobstei 机器龙虾北京交通大学海滨学院毕业设计（论文）4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图 2.4 Hexplorer 2000北京交通大学海滨学院毕业设计（论文）5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。北京交通大学海滨学院毕业设计（论文）6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