Baus参赛机器人设计说明书

多功能轮足式仿生六足机器人设计说明书多功能轮足式仿生六足机器人设计说明书 BausBaus 设计组设计组 寇群锴寇群锴 李亚南李亚南 李光煦李光煦 20122012 年年 3 3 月月 多功能仿生六足机器人设计方案 1 1 六足机器人的仿生对象 蜘蛛 3 1 1 蜘蛛的行进形态及动作特征 3 1 2 六足仿生机器人的运动原理 3 2 具体设计 4 2 1 设计历程 4 2 2 设计思想 4 2 2 1 模块化设计思想 4 2 2 2 化整体为部分 5 2 2 3 自底向上 自顶向下的交互设计 5 2 3 模块化设计 5 2 3 1 各功能机器人主要参数及相关视图 5 2 3 2 主体 9 2 3 3 行进模块 10 2 3 4 控制模块 12 2 3 5 排爆模块 13 2 3 6 探雷模块 14 2 3 7 LRAD 模块 14 3 应力分析 15 多功能仿生六足机器人设计方案 2 研究背景研究背景 机器人是机构学 运动学 控制理论学等学科发展水平的综合体现 是当前国内外研 究的热点问题 仿生学是 20 世纪 60 年代出现的一门综合性边缘学科 它由生命科学与工程技术科学相 互渗透 相互结合而成 它在精密雷达 水中声纳 导弹制导等许多应用领域中都功不可 没 仿生学将有关生物学原理应用到对工程系统的研究与设计中 尤其对当今日益发展的 机器人科学起到了巨大的推动作用 当代机器人研究的领域已经从结构环境下的定点作业 中走出来 向航空航天 星际探索 军事侦察攻击 水下地下管道 疾病检查治疗 抢险 救灾等非结构环境下的自主作业方面发展 未来的机器人将在人类不能或难以到达的已知 或未知环境里为人类工作 这也是我们设计的理念 利用机器人完成高危险度的工作 人们要求机器人不仅适应原来结构化的 已知的环境 更要适应未来发展中的非结构化的 未知的环境 除了传统的设计方法人们也把目光对准了生物界 力求从丰富多彩的动植物 身上获得灵感 将它们的运动机理和行为方式运用到对机器人运动机理和控制的研究中 这就是仿生学在机器人科学中的应用 这一应用已经成为机器人研究领域的热点之一 势 必推动机器人研究的蓬勃发展 轮足式多功能仿生机器人综合介绍轮足式多功能仿生机器人综合介绍 概述 机器人自上世纪五十年代至今已有长足发展 现在其种类也越来越繁多 我们设计的 是一款多功能仿生机器人 为了达成仿生目的 我们选取了行进方式上较为特殊的一种多 足生物 蜘蛛 通过无线电遥控对机器人内部的微型计算机进行控制 由计算机精确控 制驱动模块 监控模块 工作模块等组件 实现行进 越障 越壕 拿取 观察等各种行 为 同时我们的机器人在设计上运用了模块化设计 通过更换不同的工作模块以及传感器 执行多种任务 例如 排爆 探雷 危险物品处理 驱散人群 复杂地形勘测 灾害救援 等 可在众多领域发挥巨大作用 多功能仿生六足机器人设计方案 3 1 1 六足机器人的仿生对象六足机器人的仿生对象 蜘蛛蜘蛛 1 11 1 蜘蛛的行进形态及动作特征蜘蛛的行进形态及动作特征 蜘蛛拥有步足 4 对 分基节 转节 腿节 膝节 胫节 后跗节 跗节和跗端节 上 具爪 步足上覆刚毛 并具数种感觉器官 如细长的盅毛 感受气流和振动 蜘蛛的 8 只足并不象六足昆虫一样成组活动 因此 蜘蛛在行进时可通过对地形的判断 分别控 制 8 只足的动作 蜘蛛如此灵活的行进步态关键在于其数量众多且复杂的关节系统 蜘 蛛每只足上共分布着 4 种不同的关节 分别连接躯干和腿 腿和膝 膝和胫 胫和足 通过复杂的神经系统控制足的活动 我们设计的机器人是较为常见的六足式机器人 但不同于普通 六足纲 昆虫 蟑 螂 蚂蚁等 的三角步态 我们采用更灵活的蜘蛛的行进方式 蜘蛛可以通过关节处的 灵活控制 拥有更加多变的行为动作 使其行为更加自由灵敏 更加适应复杂多变的环 境 鉴于本机器人主要在恶劣环境下工作的设计初衷 必须在复杂环境中拥有较强的适 应能力 故放弃较单纯的三角步态行进方式 选择较复杂的 但更灵活的六足分离的蜘 蛛式行进方式 模仿蜘蛛的运动方式可以使机器人具有更好的稳定性和更强的运动能力 以适应光滑地面 粗糙地面 砂石地面 泥泞地面等不同的路面状况 1 21 2 六足仿生机器人的运动原理六足仿生机器人的运动原理 我们的机器人由 6 个独立的足进行支撑 在每个脚与地面的接触点上使用摩擦力大 的球形轮胎代替尖锐的脚部 以增强机器人步行前进稳定程度 同时在平整地面还可以 使用轮胎滚动前进以加快前进速度 机器人有六条腿 每条腿拥有 4 个相互串联的关节 为使腿部运动更灵活 每个关节处都使用独立的驱动元件 其中躯干和腿部相连接处的 关节分别控制上下和左右的活动 使用两组驱动元件 故一共需要 36 组驱动元件驱动机 器人运动 其中躯干内的高效能电池负责整个机器人各组件的供电 整个机器人是由数 个微型伺服马达所驱动 它们可控制机器人各个不同模块 并通过微型计算机对各伺服 马达的精确控制 模仿蜘蛛的行进和复杂动作 同时 该机器人还具有自主平衡功能 利用机器人内部所装设的水平仪控制姿态 增强地形适应性 大大减少倾覆可能 在足 部装有反射型红外线传感器来侦测地面情况 可以感知水平高度 对腿部进行动态调节 多功能仿生六足机器人设计方案 4 2 2 具体设计具体设计 2 12 1 设计历程设计历程 该机器人经过两个主要的设计阶段 第一阶段首先根据项目要求产生了数个草方案 而后各个草方案进行筛选 最终方案确定后 开始建模 运动仿真 得到比较粗糙的原型 机 如下图 但是该原型机存在很多问题 在一些细节处还有很大提升空间 因此我们进行了第 二阶段的设计 在原型机的基础上 改进了许多零件 对原先设计不详细的地方加以细 化 进一步完善方案 最终确定最终方案 简图如下 2 22 2 设计思想设计思想 2 2 12 2 1 模块化设计思想模块化设计思想 模块化设计是现在流行的趋势 也的确为各种装置 系统的维修与升级提供了很大 的便利 我们在工作组件与控制组件的设计上均采用了模块化设计思想 从而使机器 人具备了多功能的特点 在控制系统方面 通信 监控 主控系统均采用统一的基础组 件 通过加载不同的功能组件实现不同的功能 为维修升级等提供极大便利 我们的作 品中 还设计了两个不同的机械臂 分别是探雷机械臂和排爆机械臂 以及一个 LRAD 模 块 实现了探雷 排爆 远距离喊话 人群驱散等功能 当然 除此之外 还可以根据 不同的任务需求设计不同的工作模块 大大增加了机器人的适用范围 在提升功能转换 多功能仿生六足机器人设计方案 5 速度 型号系列化上均有优势 2 2 22 2 2 化整体为部分化整体为部分 我们在作品的设计制作过程中 先形成了几个总体的设计想法 从中选择了一个比 较容易实现 合理性更好的想法 然后将其划分为几个部分进行进一步的细化 分析实 现每一部分需要克服的困难 完成对所模仿生物结构的机械表达以及其各个功能的机械 实现 然后再将各部分组装成一个整体 进行进一步的优化 完善其整体功能 2 2 32 2 3 自底向上 自顶向下的交互设计自底向上 自顶向下的交互设计 在我们作品的制作过程中 我们使用了自底向上 自顶向下交互的设计方法 大多 数零件的设计中 我们遵循了传统的自底向上的设计方法 先讲每个部分的零件设计制 作出来后在进行装配 但是在个别部件的制作过程中 我们采用了自顶向下的设计思路 在前一个零件的基础上制作后一个零件 制作完成后零件进行自行装配 从而有效地缓 解了零件多 装配复杂的问题 2 32 3 模块化设计模块化设计 2 3 12 3 1 各功能机器人主要参数及相关视图各功能机器人主要参数及相关视图 机器人主要技术参数 机器人主要技术参数 总重 搭载工作模块后 30 35kg 普通站立高度 地面至腿部最高点 64cm 最大站立高度 地面至主体底部 70cm 普通状态直径 俯视 157cm 步长 20cm 步行速度 平坦开阔地形 每分钟 35 40 步 约 7 8m min 轮式前进速度 平坦开阔地形 150m min 攀爬高度 25 30cm 越障高度 30cm 越壕宽度 30cm 多功能仿生六足机器人设计方案 6 电池使用时间 2 3h 遥控距离 1 2km 整机共 3 台摄影机 两台有红外夜视能力 主体及机械臂上还可搭载照明设备 图中 紫色部分为天线 黄色杆为主摄像头 有红外夜视能力 以下是排爆型两视图 多功能仿生六足机器人设计方案 7 以下是探雷模式三视图 多功能仿生六足机器人设计方案 8 下图为 LRAD 模式三视图 多功能仿生六足机器人设计方案 9 下图为机器人主体内部结构图 下面开始各模块介绍 2 3 22 3 2 主体主体 主体框架主体框架 主体框架采用合金钢材料 有足够强度 是整个机器人的基础 其内部容纳电源 各 多功能仿生六足机器人设计方案 10 控制模块以及工作模块 在底部有栅格 各模块可通过螺栓灵活的固定在主体框架内 位 置可随任务不同灵活变换 极大地提高了空间利用率 也方便了零部件的更换 增添 电池电池 电池采用定制的高能锂电池组供电 电池组由 6 8 个容量 30 40A h 的可充锂电池组成 经过计算算 其能量能满足机器人工作 2 3 小时 也可定制更大容量的电池 锂电池参数 锂电池参数 输出电压 12v 额定容量 30 40A h 额定工作电流 2A 额定充电电流 2A 工作温度范围 20 60 摄氏度 充电温度范围 0 45 摄氏度 2 3 32 3 3 行进模块行进模块 该模块是机器人主体上的重要组成部分 通过无线电遥控以及微型计算机的自我控制 来控制关节和轮胎处的 各型舵机使机器人完成前进 后退 转向 越障 越壕 姿态矫正 等动作 多功能仿生六足机器人设计方案 11 模块组成及作用 腿部主结构部分 承担机器人全部重量及使机器人各种移动行为得以完成 专门定制的舵机 驱动各条腿 为移动提供动力 水平仪 姿态控制 红外传感器 步行姿态辅助控制 高分辨率摄像头 实时监控行进状况 图为腿部示意图 关节处有舵机 通过应力分析 腿部主体选用铝合金材料 技能提 供足够强度 又减轻自重 在较平坦路面以轮式行进提高速度 崎岖地面时 轮胎驱动机 构制动 以球形轮胎为足开始步行 球形轮胎采用高抗剪合成橡胶材质 海绵内胆以减弱 冲击 一型舵机参数 一型舵机参数 电压 12v 输出扭矩 100kg cm 角度 270 1 2mS 输出速度 0 20 秒 60 空载 重量 550g 尺寸 外径 64 高度 85mm 输入功率 50w 多功能仿生六足机器人设计方案 12 二型舵机参数 二型舵机参数 电压 12V 输出扭矩 50kg cm 角度 45 1 2mS 输出速度 0 18s 60 空载 重量 310g 尺寸 外径 50 高度 68 毫米 输入功率 30w 2 3 42 3 4 控制模块控制模块 该机器人控制模块采用了专用处理器 远程监控端由专用或通用主机连接无线收发 模块 完成图像与声音信号的收集和重现 以监视现场机器人的周围环境 工作时可以 通过无线收发模块发送控制命令 完成任务 机器人内部的控制系统由核心控制模块 环境信息采集模块以及通信模块组成 在我们的设计中 这三者使用的是统一的基础接 口 使得系统升级 更换等等更加便捷 使用上更加灵活 例如在环境采集模块基础组 件上撤走一个信息处理计算机 增加一个主控计算机 就可以在舍弃一定信息采集水平 的基础上获得更强大的处理能力 还有一个优点是 统一的基础接口配合机器人主体内 多功能仿生六足机器人设计方案 13 部的部件固定方式 使控制模块的布置与设置更加灵活 例如我们的 LRAD 模式机器人就 由于内部空间与功能上的原因将三个控制器缩减到两个 但因为同时更换了基础组件上 的处理器 机器人的功能并未受到影响 主控模块 由两个高性能微型计算机组成 因为步态控制过于复杂 放弃了单片机 选择了微型计算机 在执行不同任务时 可更换适应该任务的不同计算机 紧急时也可 以在现场临时编程并导入计算机 环境采集模块 装有两个信息分析处理计算机 对摄像头 麦克风以及红外传感器 采集的外界信息进行分析与处理后送至主控计算机 一方面为机器人自行控制提供数据 一方面经由通信模块传送至远程控制端 为操纵人员提供必要信息 通信模块 有仅一部无线收发机或者一部增强无线收发机加一部信号处理器两种安 装方式 执行特别任务时选择第二种方案 在某些不能使用无线电的地方 可以将无线 电收发机更换为线控信号收发器 2 3 52 3 5 排爆模块排爆模块 使用机械臂处理爆裂物或高危物品 核事故现场处理等 主体为一机械手 采用自重较轻而强度高的铝合金方管在保持一定工作荷载能力的下 提下减少自重 在关节处内置电动执行器控制手臂旋转 在夹持部分采用舵机加力 舵机 采用二型舵机 机械手爪可加装剪线刀刃或者微电流放电电极用以处理爆裂物 机械爪上 方装有摄像头与麦克风 可清晰观察所处理物品并采集声音 多功能仿生六足机器人设计方案 14 机械手 水平最远夹取距离 80cm 最大夹取重量 1 2kg 电动执行器参数 电压 12V 扭矩 8N m 速度 0 34sec 90 度 空转 重量 520g 尺寸 176 90 30mm 2 3 62 3 6 探雷模块探雷模块 由探雷器及相应的支持控制机构组成 支持控制机构除了导轨不同之外 其余设备与 排爆模块使用相同元件 增强了通用性 探雷器使用的是成熟的军用探雷器 改装后装在导轨上 可探测机器人正前方 80 度扇 形面区域 最大前申 100 厘米 检测深度 3 5 4 米 发现疑似地雷后告知操纵人员 并在 多功能仿生六足机器人设计方案 15 电子地图上标记位置 绕开后继续探测下一区域 探雷器臂可在轨道内前后滑动 主机下方装有副摄像头 主要监控机器人行进正前方 情况 有红外夜视能力 并装有麦克风 2 3 72 3 7 LRADLRAD 模块模块 通过搭载 LRADLRAD 实现远距离喊话 人群驱散 警告威慑等任务 LRADLRAD 远程声波控制器 由美国 ATC 公司开发的一种高功率定向声波