六足横行机器人设计方案.doc

六足横行机器人设计方案一、基本原理本项目还是利用连杆结构把减速电机的转动转换为往复的摆动以实现爬行运动，不过为了让运动的效果更为自然和流畅，在具体的机械结构设计上就更复杂一些。从仿生爬行运动的步态控制来说，本项目机器人与前面的PVCBOT-15号六足机械昆虫比较类似，但是从连杆结构的传动方式来说，本项目机器人又与PVCBOT-19号漫舞者机器人更为接近。1、运动方式本项目机器人采用的是六足爬行方式驱动，这一点与实际八足的螃蟹是有点出入的，少了两足。既然是六足，其实基本的运动步态就是和15号的六足机械昆虫比较类似，即：两组处于对称位置的脚，每组是三只脚，利用“三点决定一个平面、三脚能够保持平衡稳定”的原理，同一时间都有其中一组三只脚支撑住身体，两组脚交替离地迈步。仅从步态来说，这里本项目的机械螃蟹和15号的机械昆虫的区别也只是前者是横向运动而后者是直线前行而已。以下是当前六足横行机器人爬行步态的分解，以前进方向为例进行说明：1、静止时六条腿都是同时着地;2、前进时，先迈出第1组三条腿(左中、右上、右下)，第2组三条腿着地(左上、左下、右中);3、第1组三条腿(左中、右上、右下)往前迈出着地后保持不动，然后换第2组三条腿(左上、左下、右中)往前迈出;4、第2组三条腿(左上、左下、右中)往前迈出着地后保持不动，再换第1组如此循环往复，同一时间都保证有一组三条腿着地以保持身体的平衡，并不断往前进。2、驱动机理本项目机器人在动力传动结构上主要是利用“摆动曲柄滑块机构”这种特殊的连杆机构把减速电机的转动变为往复摆动，而在腿部的姿态传动结构上主要还是利用多个基本连杆机构的组合实现控制。总体来看这与19号漫舞者有点类似，从本质来说19号其实就是每组两只脚共两组交替运动，而这里的20号则是每组三只脚共两组交替运动。本项目机器人的曲柄连杆结构比较特殊同一轴上有三个曲柄，其中最左和最右的曲柄的弯曲方向是相同的，而中间的曲柄是与前两者是相反的，每个曲柄同时安装身体两侧的一对脚：1、身体左右两侧对应的两只脚的动作正好是相反的;2、身体同侧的三只脚中，两侧脚的动作与中间脚的动作正好是相反的;这样的就能实现在上一节“运动方式”所说的，以三角形对称所组成的两组脚，每组内的三只脚是同步动作的。以下为本项目机器人的连杆机械结构图。本项目连杆组合的具体效果，可以查看项目视频后面部分的内容。我们利用曲柄连杆的结构，结合多个连杆组合，可以控制六个支撑脚分成对称的两组分别在“固定/移动”连个状态间切换。下图列出这个运动步态中各环节的连杆状态，其中左边一列为独立单只脚的整个状态变化过程;右边一列后面灰色的代表中间的脚，而最外面和最里面的脚由于都同步保持一致，所以只是显示最外面的脚。3、电路原理本项目机器人的重点在于机械结构，电路则是采用最简单的电路，就是直接电池连接一个电机，中间通过一个拨动开关来控制电路的通断。以下为电路原理图。为方便初学者这里还提供实物焊接示意图。二、准备工作本项目需要的器材主要包括：PVC线槽、电机(带减速齿轮箱)、螺丝/螺帽、垫片等。本项目采用宽度为2.5CM的PVC线槽，另外还有微型锂电池。选项名称规格数量备注1必选PVC线槽宽度2.5CM长度15CM2个单位2必选微能锂电套装1电1充1套以下列出本项目的其他主要器件：名称规格数量用途1减速电机带齿轮减速箱的微型马达1个 动力2拨动开关 小拨动开关1个 电源开关3插座PH2.0，2P，间距2mm1个接锂电池4电路导线 红/绿若干 电路连接5曲别针文具回形针1个 曲柄轴6曲别针文具回形针2个限位杆7M1.2*5螺丝/螺母 直径1.2mm，长5mm2对 固定电机8M2*6螺丝/螺母 直径2mm，长6mm 6对固定支架9M2*6螺丝/螺母 直径2mm，长6mm 18对关节铰链10M2垫片直径2mm18片 铰链垫片11M3垫片直径3mm2片 装饰(眼睛)本项目套件的淘宝地址：/item.htm?id、制作过程以下将按照制作的顺序，全程介绍本项目机器人的制作过程。3.1、机械结构（1）外壳剪两片长3.5CM、宽2.5CM左右的PVC方块，作为外壳的侧板。在如下图所示的位置用锥子(或小电钻)给两片外壳侧板打孔，其中：1)在一侧，距离边界大约2MM左右的地方，等距打上4个直径1MM左右的小孔，这是限位杆的安装孔;2)在同一侧，距离边界15MM左右的地方，中心位置打上一个直径1MM左右的小孔，这是曲柄轴的孔;3)在另一侧，距离边界5MM左右的地方，中心位置打上两个直径2MM左右的小孔，其中两个小孔之间间距10MM左右，这是侧板的固定孔。特别：打孔的时候，先是在其中一片侧板上量好距离打好孔，然后再把两片侧板叠在一起，对这已经打好孔的侧板给另外一块作标记打孔，这样能够确保两片侧板的小孔位置是完全对称的。用宽度为2.5CM左右的PVC线槽，截取凹槽部分大约长1.5CM的一段，作为外壳的支架。剪掉凹槽支架边上的卡口部分，然后把支架对着之前打好孔的两片侧板，对应侧板上的两个2MM的孔，在支架两侧也各打上两个2MM的安装孔。把凹槽支架和两片侧板用M2*6的螺丝/螺母如下图所示安装固定起来，完成外壳的安装。（2）传动找三个曲别针。把曲别针都拉直，其中两个曲别针对半截成两段共得到四根小钢丝作为限位杆，另外一个曲别针如图所示在中央位置用尖嘴钳扭出凹型状做成曲柄轴。把曲柄轴套入外壳侧板中下部的中心的小孔。特别：由于曲柄轴中间做成凹型，为了能否顺利套入外壳侧板上的小孔，可以先把外壳其中的一片侧板拆下来，套入曲柄轴后再重新安装外壳侧板。把四根限位杆也套入外壳侧板顶上的四个小孔。（3）腿部用剪刀裁六片长3.5CM、宽0.5CM左右的PVC方条作为腿部的中连杆，并用锥子(或小电钻)在上面打孔，其中：1)一侧打一个直径为1MM的小孔;2)另一侧打一个直径为2MM的小孔;3)距离1MM小孔的一侧边上大约1.2CM左右距离再打一个直径为2MM的小孔。用剪到裁12片大约长1.5CM、宽0.5CM的PVC方块，作为腿部的小连杆(含小连杆1和小连杆2)，其中一侧打一个直径为2MM的小孔，另一侧打一个直径为1MM的小孔。如图所示把中连杆和小连杆1和小连杆2分别装到曲柄轴和限位杆上。剪六段长4.5CM、宽0.5CM左右的PVC方条作为足部，并在其中一侧距边上0.3CM和1.2CM左右的地方各打一个直径为2CM的小孔。把足部与中连杆、小连杆2、小连杆2一起装好，并用M2*6的螺丝螺母联结起来作为活动铰链。中连杆、小连杆1与足部的铰链螺丝固定时可以同时装上M2的塑料垫片以确保铰链的灵活。中连杆与小连杆2的铰链螺丝也可以垫上M2垫片。由于外壳的原因，装在曲柄轴中部的连杆与足部不是很好安装，可以先拆掉其中一侧的外壳侧板，连杆与足部都套入装好后，才再重新把外壳侧板装好。尝试转动曲柄轴，这时候整个腿部应该能够比较顺畅的进行跨步摆动，这说明各结构部件的尺寸都基本合适。（4）集成接下来开始把所有结构集成起来。先把原来的结构拆开，把两根中连杆装到曲柄的凹型部位。然后把曲柄装入外壳侧板，并把外壳侧板用螺丝固定到凹槽支架上。对外壳侧板两侧的曲柄轴，再用尖嘴钳各弯折与中部一样凹型状，不过主要方向要与中部的正好相反。特别：对于已经装上侧板的曲柄轴再在两侧弯折其实不是很好加工的，其实也可以先把曲柄轴事先弯折型状，然后再把两侧的外壳侧板慢慢沿着曲柄轴的凹型状的走向逐步套进去(只是要求两侧的轴孔稍微大一些以便侧板能够通过弯折的部位)。再把另外的四个中连套入曲柄轴在侧板外两边的凹型状中。把小连杆2用M2*6的螺丝螺母与中连杆连接在一起。注意在扭上螺母前先放入一个M2垫片。把小连杆2套到内侧的限位杆上，并让曲别针制成的限位杆穿过外壳侧板上内侧的小孔上。把小连杆1与足部用M2*6的螺丝螺母连接起来，再把中连杆也用M2*6的螺丝螺母与足部连接起来。类似的，在扭上螺母前先放入一个M2垫片。注意：小连杆1最终并不是如下图一样套在内侧限位杆上的，当前只是为了暂时固定。小连杆1最终应该套入穿过侧板外壳的由曲别针制成的外侧限位杆中。把六个足部都装上，两根外侧限位杆也装好。把长出的限位杆用尖嘴钳剪掉，两个各场保留大约0.5CM左右的一段。这个时候可以用小棍子蘸上少量502胶水，把各螺母与螺丝顶端的部分涂上固定起来，其中螺母不要拧紧，也不能太松，能够让铰链顺畅转动。特别：502胶水一定不能用得过多，否则渗透过螺母把铰链粘死无法转动的。至此，整个结构已经基本组装起来。（5）定型用透明胶布缠绕到拉直的曲别针上。多绕几圈后，并从曲别针上拔出得到一根胶管。可以把胶管剪成所需的长度。如下图所示，把四根限位杆中各足部间的空隙用以上制成的胶管套好。注意：为了把各段胶管都套入限位杆中，而且尽可能不需要把整个结构拆掉重装，可以先把某根限位杆整个拔出，然后逐步把各足部结构套入，并把剪好长度的各段胶管按顺序和位置逐段套入。把限位杆最外侧的胶管稍微夹紧一些，然后在前端涂上502胶水让限位杆与最外侧的胶管粘合起来。为了让足部支撑地面比较平稳，可以把足部前端用尖嘴钳弯折一下，让其接地面积尽可能大一些。完成好的机械结构。3.2、电路系统（1）动力把曲柄轴一边外侧的部分如图所示往折起来，并用尖嘴钳夹扁。按住弯折的部位，尝试直接用手转动曲柄轴，曲柄应该可以带动六个足部比较顺畅的摆动。因为减速电机的安装孔稍微大了一点，把曲柄轴前端折弯就是为了让轴能够紧一点套入减速电机的轴孔中。如下图所示，剪两段长大约5CM左右的PVC方条，前端都打好直径为1mm的小孔，其中一根前端还要弯折。用M1.2*5的螺丝螺母把两根PVC方条透过减速电机上面的安装孔，与减速电机固定在一起。把曲柄轴插入减速电机的轴孔中，并让其深入固定好。调整好减速电机的位置让其与外壳对整齐，把减速电机上弯折的那段PVC方条，与外壳的凹槽支架的底部对应打好安装孔，并用M2*6的螺丝螺母固定起来。再次调整好减速电机的位置，如下图所示用尖嘴钳把减速电机上那根直的PVC方条折回，最后让其末端正好与外壳侧板平齐，再用502胶水把方条与外壳侧板粘贴在一起。我们可以把减速电机的导线焊好，尝试直接接电源测试一下驱动足部的效果。特别：减速电机上两个固定用的PVC方条有点长，这样固定的减速电机会有点不够稳，这是因为我们手工扭制的曲柄轴有很一些误差，加上曲柄轴较细是靠弯折后再插入减速电机轴孔中的，这样就会造成减速电机的轴其实与曲柄轴是不能完全在一条直线上的。这种情况下为了让减速电机能够带动曲柄轴而不至于因为轴心不一致导致卡死，所以减速电机其实不是固定死的，而是预留有一定的摆动空间。也就是减速电机转动的时候，我们会看到减速电机整个是有点晃动的，这属于正常现象。（2）电源选宽度为2.5CM线槽的凹槽部分，剪大约长为2CM的一段。把凹槽前端卡口部位剪掉，把锂电池包在其中，做成电池夹。剪一小块方块，借助502胶水，把电池夹的开口封住，作为头部造型。在剪一段宽为1CM左右的PVC方条，按照外壳两个侧板间的距离折成一个支架，将作为颈部。把颈部支架一侧对着外壳打孔用M2*6的螺丝螺母固定起来，而另一侧则借助502胶水直接粘贴在另一块侧板上。（3）总装把作为头部造型的电池夹顶部涂上502胶水，把拨动开关和PH插座粘贴住。特别提醒：由于502胶水渗透性强，干得快，使用时要格外小心，如果没有控制好用量，轻则会把不该粘住的东西粘起来了，严重的有可能会导致器件的损坏报废，一般建议使用前先试一下会不会出水孔过大一次性会滴出过多胶水，必要的时候可以用牙签之类的工具蘸着胶水涂到要粘贴的部位。把头部电池夹用502胶水粘贴到颈部支架上。按照电路原理图或者焊接示意图把电路接好。把两片红色M3的垫片用502胶水粘贴在头部前端做成两只大眼睛的造型。在拨动开关顶部再涂少量502胶水贴上一小块PVC方块，让其能够与PH插座的高度基本平齐。特别提醒：由于502胶水渗透性强，干得快，使用时要格外小心，如果没有控制好用量，轻则会把不该粘住的东西粘起来了，严重的有可能会导致器件的损坏报废，一般建议使用前先试一下会不会出水孔过大一次性会滴出过多胶水，必要的时候可以用牙签之类的工具蘸着胶水涂到要粘贴的部位。之后再用502胶水把一块稍微大一些PVC方块，粘在拨动开关上，作为头顶挡住电路部分。3.3、完善调试本项目机器人的机械结构相对比较复杂，要确保跑起来顺畅需要花一定的心思进行调试，毕竟都是纯手工DIY的，尺寸方面的精度有限。一般主要存在的问题是“脚被卡住，动不了”，这其中有几种情况：情况1：问题：如下图所示，“小连杆1”与“左(右)足”的关节弯成凹形，卡住了。解决：适当增加“小连杆1”的长度，避免其转到那么大的角度。情况2：问题：如下图所示，“小连杆1”的前端和“中连杆”的前端碰到一起，卡住了。解决：“小连杆1”和“中连杆”在“左(右)足”上的固定孔拉开距离，即下图两个“活动铰链”(红点)的距离拉开一些。同时最好把连杆前端部分剪成圆角。注意：如果把“小连杆1”与“中连杆”的距离拉开过度，则可能会导致情况1的发生，则需要再按照情况1的解决办法进行处理。情况3：问题：如下图所示，“小连杆1”的后端与“中连杆”中部碰在一起，卡住了。解决：适当把“小连杆1”的后端远离“中连杆”，即下图“限位杆”(红点)的位置上移。同时最好把连杆后端部分也剪成圆角。更多可能存在的问题，需要大家在实际制作过程中具体分析解决。四、效果展示以下