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可变形仿生翻滚四足机器人结构设计摘要: 移动机器人是科学技术进步的产物，更是人类无限幻想和智慧的结晶。移动机器人在军事、生产、生活以及科学研究中还有着许多潜在的应用前景。移动机构决定了移动机器人的综合移动性能，是移动机器人能够在工作环境中实现快捷、平稳、精确、高效移动的关键。为了提高机器人的移动效率，同时也为了降低机器人结构的复杂性，本课题从现代仿生学原理出发，将自然界中的翻滚运动引入到四足机器人结构当中，并借鉴可重构机器人理论，首次提出一种具有翻滚模式和步行模式的可变形仿生翻滚四足机器人，达到用一种机构实现两种运动的目的。本文对可变形仿生翻滚四足机器人进行了总体方案设计，选定了结构参数，和驱动方式。详细地对机器人的本体结构进行了设计，并对机器人关键部位进行了校核。本课题提高了四足机器人的环境适应能力，拓展四足机器人的应用领域，而且丰富了移动机器人学科的理论和实践，对移动技术的发展和高机动性移动平台的开发具有一定的借鉴作用，具有重要的理论意义与实际应用价值。关键词：四足机器人；仿生翻滚；可重构机器人；设计校核Structural Design for a Reconfigurable Bionic Rolling Quadruped RobotAbstract : Mobile robot is the product by scientific and technological progress, and also the crystallization of human infinite fantasy and wisdom. Mobile robot have many potential application prospect in the military, production, living and scientific research. The move mechanism of the robot determines the comprehensive move performance, also its the key for robot to work smooth, accurate and quick, efficient in the surroundings.In order to improve the robot move efficiency, and also to reduce the complexity of the structure, this paper is based upon the modern bionics principle. The rolling style in nature is put into robot structure. Referencing reconfigurable robot theory, a reconfigurable bionic rolling quadruped robot is put forward, which has two move modes- walk model and rolling model. In this way, it can achieve the purpose of using a mechanism to get two movement models.General scheme design of the robot is made in this paper, structure parameters and drive mode are selected. Robot body structure is designed detailed, and the key parts of the robot are checked in this paper.This topic raised the ability for robot to adapt environment, expand the application field of robot, and also enriched the discipline theory and practice for robotics. It has a certain reference of the development of mobile technology and high mobility mobile platform. So this paper has an important theoretical significance and practical application value.Key words: quadruped robot; bionic rolling; reconfigurable robot; design and check致 谢本论文是在余联庆导师的悉心指导下完成的。导师渊博的知识、严谨的治学态度、严肃认真的学风、活跃的学术思想、孜孜不倦的开拓进取精神和强烈的敬业精神将成为我终生的楷模。借此学位论文完成之际，谨向老师致以衷心的感谢和崇高的敬意！美丽的武汉同样给我留下了美好的印象，四年的学习和生活，忘不了这一方风景秀丽的水土，忘不了给与我关怀和帮助的所有老师和同学！感谢将给与我论文评阅和将参加我的论文答辩的专家教授。最后深深我的父母和亲人，是他们的默默奉献及理解、支持和帮助使我顺利的完成了学业！杨超杰于武汉2011-4-25目录111.111.221.2.121.2.221.2.321.2.421.321.3.121.3.221.42242.142.242.342.3.142.3.24343.143.243.2.143.2.243.2.343.343.4123.4.1123.4.2133.5173.5.1173.5.2173.5.3173.5.4173.5.5183.5.6193.6224344.144.24参考文献35致谢36附录36第一章 绪论11 课题研究的目的与意义移动机器人是科学技术进步的产物，更是人类无限幻想和智慧的结晶。目前，移动机器人已广泛应用于星际探测、消防救险、军事反恐、农业生产等关系到国民经济和国防建设的重要行业。随着作业功能的不断开发，移动机器人在军事、生产、生活以及科学研究中还有着许多潜在的应用前景。广阔的市场需求使移动机器人的发展获得了源源不断的强大动力，也是与其相关的若干关键技术不断取得进步的根源所在。移动机构决定了移动机器人的综合移动性能，是移动机器人能够在工作环境中实现快捷、平稳、精确、高效移动的关键。三种传统的移动机构（轮式、足式和履带式）在本体结构的复杂程度、移动效率的高低以及控制的难易程度等方面都存在较大差别，环境适应能力上也各有所长。随着移动机器人所担负任务要求的不断提高，作业环境往往并不局限于单一特征，例如城市建筑平坦路面和楼梯台阶共存；又或者会应用于未知特征环境执行任务，例如火星表面。这种情况下，单一运动方式的移动机构将不再满足多重特征环境的任务需求。于是，兼具几种运动方式的移动机构正在成为研究的热点。本论文从自然界中的仿生翻滚研究中获得启发：将自然界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。课题的完成不但能够提高四足机器人的环境适应能力，拓展四足机器人的应用领域，而且丰富了移动机器人学科的理论和实践，对移动技术的发展和高机动性移动平台的开发具有一定的借鉴作用。因此，开展具有仿生翻滚运动方式的四足机器人结构设计具有重要的理论意义与实际应用价值。12 移动机器人的应用领域移动机器人是一种集传感器、遥控操作器和自动控制的移动载体组成的机器人系统。移动机器人具有移动功能，可代替人类从事危险、恶劣（如辐射、有毒等）环境下作业和人所不及的（如宇宙空间、水下等）环境作业方面，比一般机器人有更大的机动性、灵活性。因此，移动机器人的应用领域非常广泛，在各行业中均有不可忽视的作用。12.1 工业领域与传统的机器相比，移动机器人能够实现生产过程的完全自主化，对生产设备有高度的适应能力。制造工业部门应用机器人的主要目的在于削减人员编制和提高产品质量。汽车工业、机电工业、电讯工业、通用机械工业、建筑业、金属加工、铸造以及其它重型工业和轻工业部门都能看见机器人的身影。12.2 农业生产科学技术的飞速发展触使越来越多的科技工作者投入到农业机器人的研究当中。数字农业技术作为21世纪农业信息技术的重要标志之一，越来越受到科技的关注。移动机器人体积小，移动灵活，有一定的地形适应能力，因此可用于全面、实时地采集农田环境信息和作物的生长信息。将采集农田信息所需的传感器安装在移动机器人上，机器人在田间移动，实现农田信息的自动采集。国外对这方面的机器人都有很深入的研究。日本研制了利用关节腿式来适应复杂地形的六足机器人。美国伊利诺伊大学开发的“watching-dog robot”，采用柔性的联动悬架来适应复杂地形。AgAnt四足蚂蚁机器人群，通过无线蓝牙互相传递信息，可以在田间巡视。国内主要采用定点架设传感器或将传感器装载在拖拉机等大型农业设备上的方法，随着农机的移动来获取不同位置的信息。12.3 科技探索在一些环境恶劣或不适于人类工作的环境下，移动机器人可以进行作业或执行探索任务。在深海区域以及星际探测等领域，移动机器人称为至关重要的部分。美国于1997年发射于火星表面的轮式“Sojourner”火星探测车就是这移动机器人用于星际探测的典型代表，如图1.1所示。图1.1 Sojourner火星探测车12.4 医疗服务机器人研制用来为病人看病、护理病人和协助病残人员康复的机器人能够极大地改善伤残病人员的状态，以及改善瘫痪者和被截肢者的生活条件。医用机器人已在诊断、护理、康复等几个方面得到了应用。人类生活水平的提高，越来越多的机器人进入家庭和办公室，用来代替人从事清扫、洗刷、守卫、煮饭、照料小孩、接待等工作。13 国内外在该领域的研究现状13.1轮-足复合式移动机构现有的轮-足复合式移动机构在功能上虽然非常相近，但是结构上千差万别。综合它们的结构特点，大体可以划分为两类：第一类从结构上来看就是将“轮”安装在“腿”的末端，轮和腿成串联结构，是比较常见一类；第二类从结构上来看“轮”和“腿”完全分离，移动中两者或同时发挥作用以混合式移动，或采用单一方式移动。第一类 哈尔滨工业大学研制的轮-腿混合式移动机器人HITAN-I，如图1.2所示。移动系统由四套轮-腿混合式移动机构组成，每套移动机构四个自由度，车轮独立驱动，腿关节三个自由度，可实现轮式或腿式移动。轮式移动时，腿上各关节锁定，由车轮独立驱动；腿式移动时，轮上驱动锁定。 图1.2 HITAN-I 图1.3 Wheeleg 第二类 意大利卡塔尼亚大学研制了一种名为Wheeleg的轮-腿机器人，如图1.3所示。该机器人无论外观还是原理上都类似于人拉两轮车，它的移动系统由两条腿和两个车轮组成，每条腿有三个自由度，两个车轮分别由一台直流电机驱动。这种结构可以充分发挥轮式承载能力大的特点，载荷主要由轮式机构承受，腿式机构增大了路面附着力，可用于越障。1.3.2仿生翻滚与翻转移动平台自然界中存在许多以本体和四肢作为滚动体的运动方式。不同于轮子的定轴驱动滚动，我们可以将这类滚动称为翻滚运动。近年来，关于仿生翻滚与翻转机构及其应用的研究正在不断出现。球形机器人 1996年，芬兰赫尔辛基工业大学Halme等人共同研制了第一款球形机器人Rollo。此后，欧美日等国外研究人员研制了驱动形式各异的球形机器人。国内哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、西安电子科技大学、东北大学等高校分别提出了不同结构的球形机器人。北京邮电大学孙汉旭教授创新性的提出了BYQ-4球形机器人，如图1.4所示。该机器人增加可伸缩的机械臂执行机构，使球形机器人具有操作能力。它是对普通球形移动机器人功能的扩展，大大拓展了球形机器人的应用领域。闭链机构 目前，翻滚移动平台又多了新的成员，它们的外形不再是回转体形状，而是出现了整体闭链移动机构。北京航空航天大学机器人研究所发明了一种具有并联机构的四面体翻滚机器人，由六根伸缩臂和四个节点板组件构成，每个节点板组件由节点板和三个万向节组成，如图1.5所示。在运动过程中，六根伸缩臂按规律伸缩进行形状发生变化，当其重心超越稳定区域时，四面体机器人实现翻滚。该机器人能够再复杂地面环境下完成行进、避障和越障等动作。北京交通大学发明了一种滚动三角形机器人，其三条边结构及尺寸相同，如图1.6所示。图1.4 BYQ-4 图1.5 四面体机器人 图1.6 三角形机器人开链机构 近来也出现了开链式仿生翻转机构的研究。华南理工大学在“863”计划和国家自然科学基金的资助下开展了仿生攀爬机器人的研究。他们提出了一种具有攀爬和操作功能的双手爪式模块化仿生机器人，以期代替人们在高空复杂环境中从事危险工作。该机器人具有5个自由度，工作时可以运用3种不同的攀爬步态，即尺蠖模式、扭转模式和翻转模式，如图1.7所示。研究指出，该机器人可采用三种步态在倾斜角度大于60的直立杆上进行攀爬。 图1.7 仿生攀爬机器人及尺蠖模式、翻转模式美国犹他大学的M.A.Minor等人研制了一种可滚动圆盘形双足机器人RDBR（Rolling Disk Biped Robot），如图1.8所示。该机器人结构简单，通过其形状的改变，能够实现滚动、步行和攀爬等运动，还具有一定的越障和爬坡的能力。他们先对机器人进行了平地翻滚与越障实验，然后进行了步行实验。该机器人在步行实验时需要在地面铺设钢板，利用其足底的电磁铁与钢板的相互作用力来平衡重力矩，可采用尺蠖模式和翻转模式步行。图1.8 RDBR越障以及翻转模式、尺蠖模式步行14主要研究内容本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。首次提出一种具有翻滚功能的可变形四足机器人，使其既具有固有的步行方式，同时也具有翻滚运动方式。本论文的主要内容是针对该种可变形仿生翻滚的四足机器人进行本体设计， 拟采用的设计思路如图1.9所示。仿生翻滚足式机器人方案设计运动规划传动方案设计机械本体及零件设计课题确定及调研验算结束返回设计NY图1.9 设计思路图第三章 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，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动马达正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于零，从而达到使伺服马达精确定位的目的。第四章 机器人设计4.1 电机选择4.1.1 电机扭矩机器人在滚动过程中的动力学模型可以表示成如下形式，如图4.1所示。在该图中将足和小腿合并，对动力学模型进行了简化。机器人能够以滚动体的形式持续翻滚，就在于各关节驱动电机相对运动使机器人的质心相对于支撑点曲率圆中心有一个向前的偏置，此中心的偏置就叫做重心偏置矢量。重心偏置矢量决定了机器人滚动运行时的速度及加速度。本课题中机器人速度要求较低，即机器人以较低的速度滚动。由模型可知，当小腿作为支撑时，小腿关节处电机所需要的扭矩最大。图4.1 翻滚动力学模型本课题中机器人速度要求较低，即机器人以较低的速度滚动。由模型可知，当小腿作为支撑时，小腿关节处电机所需要的扭矩最大。机器人总共质量设为2.5Kg,可初步选取驱动电机的最大扭矩为24.7Kg.cm.4.1.2 确定电机型号选择的舵机型号为hitec HS-5805MG，其中MG表示金属齿轮（BB：滚珠轴承；TG：钛合金齿轮；TH：钛合金高电压齿轮；HB：带滚珠轴承，含碳尼龙齿轮），其基本参数如表2.1所示。表3.1 hitec HS-5805MG基本参数电机型号重量(g)拉力(kg.cm)转速(sec/600)尺寸(长*宽*高)操作温度轴承类型4.8V6.0V4.8V6.0V3极铁氧体15219.824.70.190.1466*30*58mm-200C-+600C双球轴承/item.htm?id=82509744214.1.3选择联轴器根据前面最小端直径的确定可以选择合适的联轴器。联轴器是一种常用的轴系部件，其功能是联接两轴，传递运动和转矩，机器运转时所联接的两轴不能分离，只有当机器停车并将联轴器拆开后，两轴才能分离。在选择标准联轴器时应根据使用要求和工作条件，如承载能力、转速、两轴相对位移、缓冲吸振以及装拆、维修更换易损元件等综合分析来确定。具体选择时可考虑以下因素：i原动机和工作机的机械特性原动机的类型不同，其输出功率和转速，有的是平稳恒定的，有的是波动不均匀的，而各种工作机的载荷性质差异更大，有的甚至是强烈冲击或振动，这将直接影响联轴器类型的选择，是选型的主要依据之一。对于载荷为平稳的，可选用刚性联轴器，否则宜选用挠性联轴器。ii联轴器连接的轴系及其运转情况对于连接轴系的质量大、转动惯量大，而又经常启动、变速或反转的，应考虑选用能承受较大瞬时过载，并能缓冲吸振的联轴器。iii工作机的转速高低对于需高速运转的两轴连接，应考虑选择联轴器的结构具有高平衡精度特性，以削除离心力产生的振动和噪声，避免相关元件因磨损和发热而降低传动质量和使用寿命。iv联轴器的对中和对保持程度保持良好的对中是正常运转的前提，可防止产生过大附加载荷及其他不良工况。选择的联轴器不但要补偿安装时难免存在的一定相对偏差，还应预计到能补偿两轴在运转中出现的相对位移。v联轴器的结构及工作特性联轴器的外形尺寸，安装、拆卸所需的空间大小和难易程度以及对维护的要求等都应与连接装置的具体配置和要求相适应。vi联轴器的可靠性、使用寿命和工作环境对于要求运转可靠，不允许运转工作临时中断的传动，最好选用不需润滑、无非金属弹性元件的联轴器。高温和含有腐蚀性介质的场所应避免使用橡胶弹性元件的联轴器。有灰尘、潮湿的环境应使用有罩壳的联轴器。vii联轴器的制造、安装和维护的成本。根据轴最小端装的为连轴器，所以联轴器的计算转矩为，查表并考虑到转矩变化很小，故取=1.3，则：=1.3180=234Nmm按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件，查标准GB/T5014-1985，选用HL1型弹性柱销联轴器，其公称转矩为300Nmm。半联轴器的d=19mm；半联轴器长度L=32mm,半联轴器与轴配合的毂孔长度=30mm。该联轴器标记为：4.2 机械结构设计4.2.1 材料选择可变形仿生翻滚四足机器人要求质量小，结构紧凑。使用舵机直接驱动，故而要求质量轻。将机器人的结构用板材来替代，可以大大降低机器人的质量。要求机器人的结构刚性好，便于加工，切能够尽量减少机器人制作的成本。在本课题中选择厚度为5mm的铝合金板材制作四足机器人。铝合金较之其它金属材料相比，具有以下一些优点：1、密度小。铝及铝合金的密度接近2.7g/,约为铁或铜的1/3。2、强度高。铝及铝合金的强度高。经过一定程度的冷加工可强化基体强度,部分牌号的铝合金还可以通过热处理进行强化处理。3、导电导热性好。铝的导电导热性能仅次于银、铜和金。4、耐蚀性好。铝的表面易自然生产一层致密牢固的AL2O3保护膜，能很好的保护基体不受腐蚀。通过人工阳极氧化和着色，可获得良好铸造性能的铸造铝合金或加工塑性好的变形铝合金。5、易加工。添加一定的合金元素后，可获得良好铸造性能的铸造铝合金或加工塑性好的变形铝合金。 4.2.2 机体设计可变形四足机器人要求机器人的外部轮廓曲线为圆弧形，故而作为机器人重要组成部分的本体也必须设计成圆弧外部轮廓。驱动电机安装圆弧直径为300mm,电机在水平方向的安装距离为280mm，机体最外沿的轮廓直径为360mm。机体的具体尺寸图详见图纸。由舵机外部安装特点，将舵机用螺栓固定在机体上。机体由图4.2所示的两块铝合金板所组成，中间用支撑架联接，支撑架的长度即机体的宽度为180mm。支撑架和电机联接螺栓的尺寸都取为直径6mm。图4.2 机体示意图电机联接螺栓的作用是固定电机，使电机与固定件间无相对运动。在连接装配时，螺母需要拧紧，在拧紧力矩作用下，螺栓除了受到预紧力的作用还受螺纹摩擦力矩，使螺栓处于拉伸与扭转的复合应力下。因此在进行强度设计时，应综合考虑拉伸应力和扭转应力的作用。螺栓危险截面的拉伸应力为：式中，d1为螺栓危险截面的直径。预紧螺栓时由螺纹力矩T产生的扭转剪切应力为：近似为由于螺栓材料为塑性材料，根据第四强度理论，求出螺栓在预紧状态下的计算应力为故而螺栓危险截面直径尺寸的计算公式为取铝合金的许用拉伸应力为420MPa. 螺栓组（4个螺栓组成）承受的力为舵机的重量，约为200g. 故而由上述计算可以看出电机联接螺栓的强度合格。同理，显然机体联接螺栓也合格。在以下部件的螺栓联接校核部分省略，因为取的是同样的直径，故而同样合格。4.2.3 大腿机构设计机器人大腿也同样采用外轮廓为圆弧形。其最大外轮廓直径为360mm，电机安装圆弧直径为300mm。图4.3 大腿机构示意图4.2.4 小腿机构设计小腿机构的设计与大腿略有不同，因为在机器人运动规划中有一个环节需要小腿内侧触地，支撑整个机器人完成翻滚动作。小腿机构示意图如图4.4.图4.4 大腿机构示意图4.2.5 足部设计如前所述，在小腿触地使机器人翻滚过程中，为了使小腿与地面的摩擦足够大，应使小腿内侧与地面完全接触，而非契形接触。这样有利于增加受力面积，改善其动力学性能。为了使小腿内侧边与地面完全接触，设计使足关节的高度与小腿电机安装中心点到内侧平面的距离相当。足部的示意图如图4.5所示。图4.5 足部结构图第四章 设计总结4.1主要内容小结随着计算机技术和人工智能的飞速发展，移动机器人技术得到了迅速的发展。广阔的市场需求使移动机器人的发展获得了源源不断的强大动力，也是与其相关的若干关键技术不断取得进步的根源所在。随着移动机器人所担负任务要求的不断提高，作业环境往往并不局限于单一特征，例如城市建筑平坦路面和楼梯台阶共存；又或者会应用于未知特征环境执行任务，例如火星表面。这种情况下，单一运动方式的移动机构将不再满足多重特征环境的任务需求。于是，兼具几种运动方式的移动机构正在成为研究的热点。本课题正是在这种背景下提出的，是一项具有重要理论意义和实践价值的课题。经过几个月的学习与努力，结合相关的理论知识，主要完成了以下工作：（1）进行了机器人总体运动方案设计。结合移动机器人技术的相关知识，并将仿生学的观点引入到机器人设计当中，使机器人能够以一种机构完成多种运动方式的自主互换。设计出了机器人的运动方案以及机器人的总体结构尺寸。（2）在机器人结构本体设计过程中，充分调查了各类移动机器人的本体结构特征，对它们的结构进行了分析。这使我对各类移动机器人结构有了更为充分的了解，以便于在结构设计中得到符合技术性能的结构，保证其运动精度。为使试验样机结构简单，控制方便，同时也为了降低成本，机器人各关节均采用舵机驱动。（3） 在对机器人关键部件的校核中，通过材料力学和理论力学等力学相关知识，对在运动过程中受力最大的部位进行了分析，最后运用强度和刚度设计理论对各个零部件进行了校核，对不满足设计要求的零部件进行了修正和优化，保证了强度和刚度的可靠性。这一过程加强了我的理论知识，并得到了实际运用的机会。（4） 最后是图纸的绘制，这一过程中结合设计和工艺要求，对各零部件进行了标准绘图，得到了的具体图纸，锻炼了AutoCAD绘图软件的运用能力。4.2 设计心得体会实践，是一面很亮的镜子，能够通过它看出我们自身的缺点，能够通过它查找出自身缺乏的知识。通过这次设计，我明显感觉到“书到用时方恨少”。大学四年的学习虽让我们具备了一定的机械设计基础知识，但总的来说我们的知识缺乏实践的检验，还是相当的零散，所进行的设计很粗糙，在以后的生活中我会不断地学习充实自己。另外，设计行业是一个需要时间积累的行业，工程师往往需要大量的时间去磨砺。成功等于99%的勤奋+1%的天赋。在今后的工作和学习中我会更加坚定自己的目标，勇往无前而奋斗！参考文献1 常勇,马书根,王洪光等. 轮式移动机器人运动学建模方法J. 机械工程学报,2010(05):30-36.2 胡娜,陈勇,王红星. 农田信息采集机器人机构设计与奇异性分析J. 机器人,2010(03):3 于涌川,原魁,邹伟. 全驱动轮式机器人越障过程模型及影响因素分析J.机器人,2008(01):4 Grollman,D.H. 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