【《某仿生六足机器人的结构设计案例》6900字】

某仿生六足机器人的结构设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u15668某仿生六足机器人的结构设计案例 187301.1引言 1115271.2仿生六足机器人的整体结构设计 19801.2.1蚂蚁生理特性的概述 1274851.2.2仿生六足机器人的结构简图及蚁足自由度分析 2145591.2.3胸部结构设计 3113171.2.4头部结构设计 8179371.2.5腹部结构设计 11180651.3电机的选型 1476221.4整机总装 151.1引言机械结构设计作为机器人系统的基础和框架，其设计结果对整个系统性能的优劣起着至关重要的影响，原因在于结构设计不仅关乎整个系统的重量、尺寸，还直接决定着机器人的运动特性。因此，本章先对典型六足生物——蚂蚁进行研究，对其生理结构、运动特性进行分析与探究，以此完成本文所设计的仿生六足机器人的结构设计，并利用三维设计软件UG完成相关零部件的设计与整体的装配，为后续仿生六足机器人的静力学有限元仿真作铺垫。1.2仿生六足机器人的整体结构设计1.2.1蚂蚁生理特性的概述由前所述，对于本文中的仿生六足机器人的结构设计而言，首先要探究所模仿的生物的生理特性ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Ridsdill-Smith</Author><Year>2018</Year><RecNum>61</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[13]</style></DisplayText><record><rec-number>61</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="rwvzr9pwet0zfhepxwcp9s0weftrtzfe9x5w"timestamp="1589959283">61</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>JamesRidsdill-Smith</author></authors></contributors><auth-address>西澳大学生物科学学院;澳大利亚联邦科工组织土地和水研究部;</auth-address><titles><title>来自昆虫的灵感（英文）%J山西农业大学学报(自然科学版)</title></titles><pages>1-5+77</pages><volume>38</volume><number>01</number><keywords><keyword>昆虫</keyword><keyword>仿生学</keyword><keyword>进化</keyword></keywords><dates><year>2018</year></dates><isbn>1671-8151</isbn><call-num>14-1306/N</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[12]，包括结构组成和运动特性等方面。由图1.1可知，蚂蚁的身体主体部分包括头部、胸部和腹部三部分，胸部上有三对多关节的足，有的足尺寸细长，有的足尺寸粗壮；基节作为主要联结部位，尺寸较为粗厚；经节末端有少数锯齿物，跗节相比于其他部位尺寸略长，节数通常在4~6之间；此外，蚂蚁的头部左右各有一个触角，主要用于探测感知等日常生活功能。图1.1蚂蚁的身体结构1.2.2仿生六足机器人的结构简图及蚁足自由度分析参照上节中介绍的蚂蚁生理特性，本文所设计的仿生六足机器人的主要结构应该包括足部、头部、胸部和腹部等四个部分组成，其中六个足部均匀对称布置于胸部两侧，在整体结构设计上，应考虑所设计的结构应简单化，易于控制，而且在机器人工作时应能保持良好的稳定性和可靠性。如图1.2所示为本文拟设计的仿生六足机器人的结构简图。由图可知，本文拟设计的六足机器人呈框架式布局，每条足腿均由3个肢节、3个关节联结而成[13]；为加强该六足机器人的运动平稳性，将蚂蚁头部的触角改装为辅助足，同时在其腹部两侧对称增设与头部相同的两条辅助足，这四条辅助足均是由两个关节和两个肢节这四个组件构成；同时为增强该仿生六足机器人的整体性能，使其具备优良的伸缩性，拟采用丝杆将头部、腹部两部分与胸部主体相连。图1.2仿生六足机器人的结构简图从机械设计角度来看，该仿生六足机器人的每条足部结构相当于一个三连杆机构，其中三个转动关节就是三个铰链机构，第一个铰链机构在蚁足的第一节和胸部壳体连接处，被称为基关节转动副；第二个铰链机构在蚁足第一节和第二节的连接处，被称为膝关节转动副；第三个铰链结构在蚁足第二节与第三节的连接处，被称为踝关节转动副。经查阅相关资料，基关节和踝关节均是2自由度转动副，膝关节是单自由度转动副，当该仿生六足机器人处于运动过程中时，为便于分析，将其与地面接触的足底视为一个质点，也即假定不产生位移。基于上述条件，可将该仿蚂蚁六足机器人的每条足视为3个自由度，具体分析如下图1.3所示。图1.3蚁足自由度分析参考机械原理中的自由度计算公式:G=Dm−n上式中，每个参数名称和含义如下表1.1所示，表1.1式2-1中的参数名称及含义序号参数名称含义1G自由度数目2D机构的阶3m活动构件数4n运动副数目5f第i运动副的自由度数结合图1.2及前文内容，确定本文中仿生六足机器人的每条蚁足的自由度G1：G1=6×4−5+(2+2+1+2+2)=31.2.3胸部结构设计胸部结构是六足机器人的核心枢纽部位[14]，其不仅作为六个足部的载体，还肩负着连接头部、腹部等其余结构件的作用。胸部的设计不仅需要考虑六只蚁足的排布，还需能预留出与头部、腹部相连的丝杆的安装接口、内部传动机构的安装空间等要素。结合蚂蚁的生理特性，本设计中的机器人的六只足的排布方式为矩形，左右两侧均布三只蚁足；同时为满足尺寸紧凑、传动比稳定和动力输出稳定的要求，胸部内部的传动结构主要以齿轮传动为主，具体设计如下所述。（1）胸部躯壳的设计本设计中，结合参照的仿生生物——蚂蚁，拟采取类似长方体作为该机器人的胸部躯壳，该躯壳内部的空间较大，更利于传动机构的合理布置。躯壳整体要保证密封性，所以仅在顶面开六个大孔为蚁足的基座预留位置，其余小孔为内部齿轮安装的定位孔。为了尽量控制躯壳尺寸，在侧面以倒圆角结构修饰，既可以避免蚁足足端与躯壳干涉碰撞，又可以使六足机器人的躯壳具备一定的美观性。在三维设计软件UG中所设计的胸部躯壳三维模型如图1.4所示。图1.4胸部躯壳模型图（2）胸部内部结构的设计在所设计的六足机器人的胸部内部，主要是传动机构的设计，传动机构作为大多数机器人的核心组成部分，对系统运动精度起着至关重要的作用。本文所设计的仿生六足机器人在工作时需要胸部内部的传动机构实现对三对蚁足精确的移动控制，因此，传动机构的结构尺寸应尽量紧凑，传动比必须稳定可靠，且传动距离宜小不宜大[15]，故结合上述几点要求，选用齿轮传动的形式作为传动机构，以此实现该六足机器人的稳定传动比和动力输出等要求，且采用两个独立的小型伺服电机协调控制六只蚁足的运动，在三维设计软件UG中所设计的胸部内部传动控制结构三维模型如图1.5所示。图1.5胸部内部传动结构模型图胸部的内部传动机构的设计主要从六条蚁足的协调运动角度出发，图1.5中六个圆柱体为蚁足的基座，其中浅蓝色基座（矮的圆柱体）和灰色基座（高的圆柱体）各为一组，为保持正常行进时机器人整体的三角步态的运动要求，两组蚁足的转角和位置需同步，故各用一个伺服电机（齿轮底部的蓝色长方体）和减速器（齿轮底部的灰色长方体）精准控制其位置，伺服电机和减速器的尺寸和形状参照所选型的实物尺寸和形状进行建模。此外，上图1.5中中所设计的齿轮组中每个齿轮的所有参数都相同，则传动比为1，基座下的齿轮与基座固定，其中一侧的一组基座较长，对应侧的另一组基座较短，故控制两组蚁足的齿轮组并不在同一平面，既合理利用了躯壳内部的空间，又不会产生运动干涉。在图1.4的胸部躯壳三维模型示意图中，壳体顶面设有狭长的窄缝，设计初衷是为了用于提拉装置的定位功能。当某一个伺服电机控制所在侧的三个蚁足实现直线行进时，在此过程中每组蚁足都同时相对于机体向前或向后摆动，但是机器人需要转弯时，蚁足需要同时顺时针摆动或逆时针摆动，故在其中一组的基座下设置舵机，以此作为蚁足转弯的动力来源，此外还需要设计一个提拉装置，三维模型如图1.6所示。通过该提拉装置控制该组的齿轮组与对应的基座紧密接触，作用类似于汽车上的“离合器”。（1）直线行走时提拉装置状态（2）转弯时提拉装置状态图1.6提拉装置示意图如图1.6所示，该提拉装置为本文所涉及的六足机器人改变运动特性的关键结构组件，从其本质上来讲，该提拉装置相当于一个曲柄滑块机构，通过舵机（图1.6中蓝色模块）输出轴的旋转即可带动与齿轮连接的提拉杆上下直线移动，即可单独控制蚁足的转向运动，最终实现机器人的转弯动作。（3）胸部蚁足的结构设计结合1.3.1节中的内容可知，每个蚁足的基关节和踝关节各有2个自由度（x,z），膝关节有1个自由度（x），且每条蚁足的足端拥有3个自由度（z，x，x）。据此，本文图1.7蚁足结构模型图在上图所示的蚁足结构中，基关节和膝关节的运动由舵机控制，踝关节无动力控制其运动，足端由足端摆动件和足端转动件两部分装配而成。当该六足机器人处于行进状态时，足端转动件与地面接触固定不动，足端摆动件一端可相对于蚁足的后足转动，另一端可相对于足端转动件转动，且两个转动方向相互垂直，在三维设计软件UG中所设计的足端结构三维模型如图1.8所示。图1.8足端结构模型图结合所选的实物舵机的实际形状和尺寸，在基座上设置一个放置舵机的安装接口，菱形孔为舵盘，以驱动前足转动；此外，还要求所设计的前足结构须具备连接前足基座与后足的功能，同时还须有安置舵机的空间，所以本设计中将前足结构设计成一端与基座相连的“叉形”，另一端与后足相连，在三维设计软件UG中所设计的前足结构如图1.9所示，其中间部分由两根肋板相连，在加强结构强度的同时又不增加太多的重量，符合设计预期。图1.9前足结构模型图后足需要满足的功能与前足基本一致，结构同样为“叉形”，一端与前足相连，另一端与足端相连，但踝关节无需舵机，故尺寸相比更小一些，整体用实心杆相连。在三维设计软件UG中所设计的后足结构三维模型如图1.10所示。图1.10后足结构模型图在三维设计软件UG中对上述所设计的零部件进行装配，得到所设计的胸部结构三维模型如图1.11所示。图1.11胸部结构装配体三维模型图1.2.4头部结构设计由于本文所设计的六足机器人的定位是针对地震后坍塌地区或矿井坍塌地区等恶劣环境的救援工作，该机器人所面对的环境可能含有阶梯状，狭缝状，深沟状等不同类型的障碍，故本文所涉及的六足机器人须具备一定的探测感知功能，能够使其清楚分辨出自身所处的环境状况，进而根据周围实际的环境状况做出后续行为的决策，由此可见，头部作为该机器人实现探测功能的核心部位，其重要性不言而喻。参照蚂蚁的原型，将本设计中的六足机器人的头部设计为带有两个“触须”的结构，如图1.12所示为其头部结构三维模型，图1.13所示为其头部组件的内部结构详细三维示意图，其中头部上方前部设计两个触须分别为红外测距传感器模块和人体红外感应模块，两个探测模块均由舵机控制，能够实现360°无死角旋转，极大增加了探测感知范围。本文所设计的两个“触须”的三维模型如图1.14所示（左为红外探测头，右为红外距离探测仪）。图1.12头部结构图1.13头部内部结构图1.14头部“触须”结构模型图（1）辅助足结构设计当该机器人所处环境较为狭窄，或者其前方有不能跨越的深沟时，胸部的六个蚁足并不能稳定完成越障功能，所以在该机器人的头部和腹部设置了辅助足结构，辅助足的尺寸相比于蚁足略小，足间的间距更小，该辅助足设计上包含两个关节和两个肢节，其结构三维模型如图1.15所示。两个关节均由舵机控制，当蚁足不能完成前进动作时辅助足代替其工作。与蚁足类似，辅助足肢节的设计主要为了保证六足机器人整体能够承受行进过程中所承受的压力，所以要在结构尺寸尽可能小的情况下，既能容纳舵机的位置，又能保证结构强度。图1.15辅助足结构模型图（2）支撑架结构设计头部后方的“V形”结构为支撑架，同样是由舵机进行控制。当蚁足处于工作前进状态时，该机器人以六足三角步态行进；当辅助足处于工作前进状态时，该机器人以四足步态行进。根据相关参考文献[16]，当四足机器人处于四足形态行进时，需要整机主体配合扭动使得重心稳定，而本机器人胸部结构不能变化，需要支撑架辅助辅助足动作，在三维设计软件UG中所设计的支撑架结构三维模型如图1.16所示。当辅助足足端与地面接触做功时，辅助足离地；当辅助足足端悬空准备下一阶段动作时，支撑架与地面接触稳定机器人主体。图1.16支撑架结构模型图（3）伸缩装置结构设计当该仿生六足机器人所处环境为深沟状障碍物时，光靠蚁足行进是不能跨越障碍物的，必须要配合辅助足共同完成越障，此时需要头部与胸部间距增大使得头部辅助足接触深沟另一边的地面，所以头部内部增设了一个伸缩机构，通过伺服电机进行控制，采用一对齿轮组作为传动机构，从动齿轮通过壳体上的轴固定，丝杠（图1.17中红色部分）固定于该齿轮另一面，而螺母固定在一连接杆上，连接杆固定于胸部壳体上，便能实现伸缩动作，在三维设计软件UG中所设计的伸缩装置机构的三维模型如图1.17所示，所设计的连接杆结构三维模型如图1.18所示，其一端与螺母焊接，另一端由四个小支撑架通过螺栓固定于胸部壳体上。图1.17头部伸缩机构模型图图1.18连接杆结构模型图（4）头部壳体结构设计头部壳体的作用为保护内部零件不被外力压迫，不受灰尘和雨水等侵入，同时为其内部设计的零部件提供安装接口和约束。本文在三维设计软件UG中所设计的头部壳体结构三维模型如图1.19所示，由图可见，该壳体顶面圆孔为触须的安装接口，正下方的金属架支撑控制触须的舵机，地面的突起为伺服电机的安装接口，右侧长筒状结构为丝杠的安装接口。整体而言，为防止灰尘、颗粒物等杂质进入头部壳体内，头部壳体设计中只留了连接杆的安装接口，其余地方都是密闭的，这样的结构有效防止了杂质侵入。图1.19头部壳体结构模型图1.2.5腹部结构设计仿生六足机器人的腹部为关键部位所在，它既要配合头部完成辅助足工作，同时也是放置机器人控制系统的位置所在，其大体结构形状与头部结构类似，其中支撑架和辅助足与头部的保持一致，在此不再赘述。下面主要介绍腹部伸缩机构和腹部壳体结构。（1）腹部伸缩机构腹部伸缩机构和头部伸缩机构功能类似，但结构上存在略微的差异，为了能尽可能地伸长机器人的整个躯体，丝杠的位置与头部相比是相反的，其结构三维模型如图1.20所示。图1.20腹部伸缩机构模型图在头部、腹部的结构中都包含着伸缩装置，伸缩装置由连接杆和丝杠螺母组成，在需要增长六足机器人的整体长度时便发挥了作用，连接杆一端固定在胸部壳体上，一端承受着头部、腹部的重量，所以对连接杆的结构强度校核显得尤为重要。这里简单探究头部连接杆的设计和强度校核。考虑到连接杆需要承受头部的重量，选择Q235轻质高强钢，其屈服应力为235Mpa，设计尺寸为：长：X=125mm,由于连接杆一端固定于胸部壳体上，一端承受头部的重量，故可将此结构简化为悬臂梁结构，如图1.21所示。本设计中，所设计的头部结构总重量为1.99kg，则连接杆受力为：F=mg=1.993×9.8N=19.53N（2-4）图1.21连接杆受力分析图进而得到在A点承受最大弯矩Mmaxσ=Mσ<σ由上述计算结果可知，所设计的连接杆的尺寸与材料选择符合设计要求。（2）腹部壳体结构腹部壳体的作用为保护内部零件不被灰尘雨水等侵入，同时为内部伺服电机等零件提供安装接口和约束作用，本文在三维设计软件UG中所设计的腹部壳体结构三维模型如图1.22所示。由图可以看出，该壳体侧面的突起为舵机所预留的安装空间，且为预防辅助足运动过程中与壳体发生干涉，将其整体设计为十字形状。正下方的金属架支撑控制辅助足前足的舵机，地面的突起为固定伺服电机所用，左侧长筒状结构为丝杠的安装位置。整体而言，为防止灰尘、颗粒物等杂质进入头部壳体内，头部壳体设计中只留了连接杆的安装接口，其余地方都是密闭的，这样的结构有效防止了杂质侵入。图1.22腹部壳体结构模型图在三维设计软件UG中将上述设计的两个组件进行装配，最终得到本文所设计的腹部结构，三维模型如图1.23所示。图1.23所设计的腹部结构模型图1.3电机的选型作为一个复杂的机电系统，仿生六足机器人集机械、电子、通信、自动控制和计算机等技术为一体，为能实现对机器人的精准驱动与运动控制，所选伺服电机的功率、力矩等参数必须经过详细的分析、计算，这样才能保证整个系统的稳定性和可靠性。为减少本设计中伺服电机选型的计算量，缩短本课题的研究周期，参照文献[17]中提出的伺服电机参数选型计算方法，本文主要基于六足机器人的主要设计指标进行计算分析，大大降低了选型计算工作量。具体过程如下：（1）电机功率与转速匹配蚁足足端的负载额定功率PePe其中：Tpl为允许负载转矩，单位为Nm；n为负载