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含CAD图纸、说明书 四足机器人结构设计【 四足机器人结构设计 含有CAD图纸 CAD图纸】【 含CAD图纸 仿生四足机器人 机器人结构设计 cad图纸

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第三章 总体方案设计3 总体方案设计3.1 结构外形设计本课题作为一个创新设计课题，将仿生学中的翻滚运动引入到四足机器人运动方式中，达到用一套机构实现两种运动方式的目的。提出一种能够实现翻滚与站立自主变形的可变形四足机器人。机器人的结构外形有着至关重要的作用，它关系着机器人能否实现预定的功能，能否满足能量消耗的指标，以及能否满足机器人稳定运行条件。因而，可变形四足机器人的外形结构在设计时应当给予充分考虑。用一种机构实现翻滚与步行的良好结合，不增加任何转换设备。可以在机器人结构的外形上作出突破。拟将圆形滚动体引入到四足机器人结构当中，当机器人步行时以哺乳类动物的足式运动，当机器人以滚动方式前进时，则以圆形滚动体的形式运动。这种运动形式的改变是基于连接机器人构件的关节如旋转关节、移动关节的运动而引起机器人构形的相对变化，这种变化主要是自身的关节运动变形。它也属于可重构机器人之一。中科院沈阳自动化研究所机器人学重点实验室将可重构机器人自身构形的变化归纳为两种类型：（1）由组成机器人各个部件的连接方式重新组合而实现机器人数量和构形的相对变化, 这种变化可以是手动和自动的结构重构变形。（2）由连接机器人构件的关节如旋转关节、移动关节的运动而引起机器人构形的相对变化，这种变化主要是自身的关节运动变形。机器人的关节运动变形与机器人的结构重构变形相比, 前者在可靠性、能量消耗、时间消耗、机械系统和控制系统的复杂性等方面有优势, 更便于投入到实际应用当中；但后者具有更强的灵活性和应变能力。本文拟采用的机器人结构形式的概念图如2.1所示。其中(a)所示为可变形仿生翻滚四足机器人站立姿态；(b)所示为机器人以变形后的圆形滚动体在平坦路面的运动姿态。该四足机器人四条腿对称布置，大腿和小腿的长度相等，且约为机器人机体长度的一半。该机器人共12个自由度，各个关节处均装有驱动电机。机器人各个部件的外轮廓均设计为规则圆弧形，当机器人变形为图2.1(b)所示时，外轮廓为一个完整的平面圆形。这样机器人就能够以圆形滚动体的形式在平整路面滚动前进。 (a) (b)图3.1 可变形仿生翻滚四足机器人概念图32 仿生翻滚运动方案设计本课题要求机器人有两种运行模式，即四足机器人步行模式、滚动模式。对于两种运动模式之间转换的研究是很有必要的。自主转换运动方案不合理，则会影响机器人运动的平稳性，更甚于无法满足运动的要求。约定机器人从左往右运动，本课题所设计的机器人自主转化的运动方案如图2.2所示。图3.2 仿生翻滚运动规划33 结构基本参数拟定机器人基本结构参数如图2.3所示。机器人结构尺寸较小，若做成实体则质量较大，需要教大的扭矩，从而需要增加减速装置，则机器人系统的结构变的复杂。为了减轻机器人的重量，机器人的主要部件均设计为钣金件。图3.3 总体结构基本尺寸34 驱动方案选择在机器人控制中，控制电机有：步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机、液压伺服马达等四种常见的驱动控制方式。近年来有发展起了以伺服舵机进行机器人控制的方法。它们各自的优缺点如下：（1）步进电机 可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，成本低廉，通常无需反馈就能对位置和速度进行控制。但由于采用开环控制，没有误差校正能力，运动精度较差，负载和冲击震动过大会造成失步现象。（2）直流伺服电机 具有良好的调速特性，较大的启动力矩，相对功率大，响应快速，控制技术成熟。安装维修方便，成本低。（3）交流伺服电机 结构简单，运行可靠，比步进电机贵。（4）液压伺服马达 运动平稳，定位精度较高，负载能力大。但其费用较高，且液压系统常出现漏油现象，系统结构复杂。（5）舵机 效率高，稳定性好，灵敏度高，转速慢，其成本较低。由于舵机是将伺服驱动器内置，这样就大大减小了控制系统的成本和设计的难度。现代的数字式舵机将微处理器集成到舵机上，出来速度更快，更准。可变形仿生翻滚四足机器人的尺寸较小，所需功率比较小，所需转速也小，为了减少机械部件，也为了节约成本，故而在本课题全部采用舵机控制。这样，舵机直接驱动各个关节运动，而无需减少装置，降低了机械结构的复杂程度，在控制上，减少了电机的驱动部门，节约了成本。舵机也就是一种微型的直流伺服马达，内部包含了一个小型的直流马达，一组变速齿轮组，一个反馈可调电位器，以及一块电子控制板。其中高速转动的直流马达提供原始动力，带动变速齿轮组，使之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比越大，舵机的输出扭力也越大，亦即能承受更大重量，但转动的速度也越低。图3.4所示为舵机的结构示意图。图3.4 舵机结构舵机是一个典型的闭环反馈系统，其原理如图3.5所示。图3.5 舵机工作原理图减速齿轮组由马达驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转