毕业设计（论文）-仿生蜘蛛机器人结构设计

目录21205摘要 I6813ABSTRACT II28141第1章绪论 1158571.1课题研究的背景及意义 1210511.2国内外多足仿生机器人研究发展现状 186471.2.1国外六足机器人研究现状 14081.2.2国内六足机器人研究现状 3234791.3仿生蜘蛛机器人关键技术 529139第2章总体方案设计 6201012.1构型选择 6302192.2仿生蜘蛛机器人的总体方案设计 6139762.3动力源选择和对比 716326第3章仿生蜘蛛机器人机械结构设计 9131013.1生物蜘蛛生理结构分析 976373.2仿生蜘蛛机器人机械结构方案设计 10312833.2.1仿生蜘蛛机器人自由度 1039123.2.2仿生蜘蛛机器人步行足布置方式 1051033.2.3仿生蜘蛛机器人本体结构设计 12130463.2.4仿生蜘蛛机器人腿部结构设计 1294353.3仿生蜘蛛机器人控制系统方案设计 1383033.3.1仿生蜘蛛机器人控制系统硬件设计 13162193.3.2微伺服电机控制器软件设计 13238873.4腿部驱动分析 14174693.4.1单腿髋关节和膝关节驱动结构设计 14313013.4.2驱动基节的电机选型 17205153.4.3腿部传感器及液压阀选型 1832086第4章仿生蜘蛛机器人运动学分析 20259234.1仿生蜘蛛坐标系的转换 20110364.2仿生蜘蛛机器人步行足运动学分析 2115395致谢 243854参考文献 25第1章绪论1.1课题研究的背景及意义机器人技术，作为一门跨学科的新兴领域，在工业发展中占据举足轻重的地位。其进步与机械电子、机电一体化、控制理论等多个领域紧密相连，共同推动技术的革新。其中，仿生机器人，作为机器人技术的一个重要分支，已逐渐崭露头角，被认为是本世纪最具潜力的技术方向之一。仿生多足步行机器人，是仿生机器人领域中的一个重要研究方向。它基于仿生学原理，通过精密的机电系统设计，模仿多足生物（例如狗、壁虎、螃蟹、蚂蚁等）的运动特性，实现高效的机械运动[1]。这类机器人展现出卓越的机动性和地形适应性，尤其在反恐防爆、太空探索、抢险救灾等复杂环境中，展现了其独特的应用价值。然而，现有的仿生多足机器人在研究中仍面临一些挑战，如生物运动机理的理解尚浅、传统的结构和驱动方式、以及较低的能量利用效率等。这些问题限制了仿生机器人在实际应用中的性能表现[2]。六足机器人，作为仿生移动机器人的杰出代表，以其丰富的步态和冗余的肢体结构而备受关注。尽管其移动速度相较于传统轮式和履带式机器人较慢，但其独特的非接触式障碍规避、跨越障碍、上下台阶等能力，使其在复杂地形和未知环境中表现出色。随着六足机器人相关理论和技术的不断成熟，其在矿产采掘、星际探测、抢险救灾和军事侦查等领域的应用前景将愈发广阔。本课题以仿生蜘蛛机器人为研究对象，借鉴国内外仿生机器人研究的先进经验，深入分析了仿生蜘蛛机器人的机构设计和运动学模型。通过这一研究，旨在提升仿生机器人在实际应用中的性能，推动机器人技术的进一步发展。1.2国内外多足仿生机器人研究发展现状1.2.1国外六足机器人研究现状从1959年美国制造出世界上第一台工业机器人起，在短短半个世纪的时间里，机器人的研究就已经历了4个发展阶段：工业机器人、遥控机器人、智能机器人和仿生机器人。从机器人的角度来看，仿生机器人是机器人发展的最高阶段；从仿生学的角度来看，仿生机器人是仿生学理论的完美综合与全面应用。本质上讲，仿生机器人指的是利用各种无机元器件和有机功能体所组建起来的在运动机理和行为方式、感知模式和信息处理、控制协调和计算推理、能量代谢和材料结构等多方面具有生命形态特征从而可以在未知的非结构化环境中灵活、可靠、高效地完成各种复杂任务的机器人系统。近年来，随着昆虫仿生学理论与计算机技术的飞速发展，使得对多足仿生机器人的研究，成为大家关注的焦点。国内外多所大学和研究机构，相继成功研制出了性能卓越的多足仿生机器人。Mosher于1968年发明了一种新型的四足车“WalkingTruck”[3]，液压伺服马达为机器人提供所需的动力，并且在它的身上安装了相应的位置传感器，用来完成位置的检测，该机器人可以进行越障和步行等运动功能，是现代步行机器人发展历史上的一个重要事件。图1.1WalkingTruck2004年，德国的Bremen大学研制了四足机器人“ARAMIES”。该机器人身上带有摄像头、超声传感器和激光扫描仪等仪器，能在未知的、复杂的陌生环境中进行工作，加速计和陀螺仪为实现在不同路面上稳定的行走成为了可能。强有力的机械爪可以提供足够的附着力，实现对高达70度的楼梯攀爬[4]。图1.2ARAMIES日本东京工业大学在该领域进行了多年的研究，从1979年开始，先后研制出了十多个型号的四足步行机器人，其中最具代表性的非TITAN-VIII型机器人[5]莫属。该机器人人为的简化了腿关节，轻易的解决了易出现驱动力不足的缺陷，实现了在崎岖地面上的平稳运行[6]。由于智能控制技术得到了长足的发展，各国专家学者对步态研究，逐渐转移到了在崎岖地面上实现平稳行走的自由步态[7]。通过对哺乳动物和龟的行走步态进行了大量的研究之后，Alexander提出了仿生自由步态[8]。六足机器人Genghis，由美国麻省理工学院人工智能实验室于1989年研制，主要用于在地外行星(如火星)表面执行探测任务。每条腿2个旋转自由度，采用基于位置反馈的伺服电机驱动，集成了电流测量单元以获取关节力矩信息，装备了2个触须传感器、2个单轴加速度计，可在复杂路面上高效行走。出于同样目的，MIT于20世纪九十年代初研制了六足机器人Attila。每条腿3个旋转自由度，设计上采用模块化结构，各模块具有自身的传感器、驱动器和微处理器。具有较强的容错能力，可自动检测和识别硬件故障，并通过软件方式进行补偿。为减少登陆作战时的危险，美国麻省理工学院研制了用于浅滩探雷的六足机器人Ariel。每条腿2个旋转自由度，具有翻转步行能力。电路和控制器都置于的密闭的空腔内，具有防水功能。配备了罗盘与姿态传感器，可对硬件故障进行自动检测。八足机器人Lobster由美国东北大学水下研究实验室研制。每条腿3个旋转自由度，能够在复杂的水底环境中自主浮游和爬行。头部装有类似液动控制舵作用的2个钳爪，用于控制步行方向，步行时钳爪和尾部近似地伸展成三角形，以获得最大的稳定性。BarnesD经研究发现，昆虫主要有两种运动控制方式：反射控制和CPG控制。反射控制主要是在低速运动的时候采用，CPG控制主要是在高速运动时采取的控制方式[9]。六足机器人RobotI，由美国凯斯西储大学机械及航天工程学院仿生机器人实验室研制。每条腿4个独立的自由度，3个旋转主动自由度，1个沿胫节轴线方向的被动柔顺自由度。采用电位计测量关节角位置，应变片则用于测量胫节上的轴向力，结合了足底反射机制以应对复杂的地形。六足机器人RobotV，以蟑螂为仿生原型制作，用于研究蟑螂的奔跑机制。前、中、后腿分别具有5、4、3个旋转自由度，股节安装了6块应变片，以形成载荷测量单元，提供3维足端力的精确测量值。沿用了RobotⅡ的竹节虫步态控制器，采用人工肌肉驱动方式。1.2.2国内六足机器人研究现状在我国，三国时期的诸葛亮发明的用于搬运粮草、解决人力缺乏的“木牛流马”是目前可以追溯到的最早的多足机器人[10]，但是到现在，人们也无法重现这一发明，无法理解古人的聪明才智。但是，在科学技术高度发达的今天，借助人工智能、电子信息和现代控制理论等技术，已能够研制出具有相当自助智能的机器人，弥补了这一遗憾。清华大学、燕山大学、北京航空航天大学、上海交通大学、哈尔滨工程大学、沈阳自动化研究所、哈尔滨工业大学等对多足步行机器人的有关理论做过深入的研究[11]。中国科学院沈阳自动化研究所与光机所于1989年3月共同研制了海蟹号六足步行机器人[12]。2000年，上海交通大学马培荪等改进了第一代形状记忆合金SMA驱动的微型六足机器人，开发了微型双三足步行机器人MDTWR[13]。它采用新型的组合偏动SMA驱动器，使身体实现了转动能力，具有全方位运动能力[14]。哈尔滨工程大学于2001年开始，展开了对多足机器人的研究，以螃蟹为仿生原型[15]，经过多年的研究努力，到目前为止总共研制出了5代机器人样机，不仅成功实现了样机。在陆地上的行走还是先了水环境下的行走。机器人本身安装了GPS、电子罗盘、力传感器、超声波距、陀螺仪等传感器，通过卫星定位导航，实现了多机协调通信等功能。各个关节采用蜗轮蜗杆的方式传动，并各自有直流伺服电机进行驱动，每条腿采用三关节串联方式连接，腿的比例按照生物螃蟹为依据进行了仿生设计。哈尔滨工业大学还研发了一款名为“HITCH”的六足机器人，如图1.3所示，该机器人腿部的三个转动关节的控制采用分层控制的方法，并且其运动步态由神经网络生成，因此可以灵活地在各个方向上行走。目前该机器人安装了双目视觉系统，并且配备了力传感器，从而使其具备了对周围环境感知以及建立地图的能力，以此进行更加准确的实时定位与轨迹规划，此外，HITCH采用的柔顺控制策略保障了其可在崎岖路面上平稳地行走[16]。图1.3HITCH六足机器人1.3仿生蜘蛛机器人关键技术六足仿真蜘蛛机器人是一种复杂的机器人系统，需要使用多种关键技术来实现其功能。以下是几个关键技术点：首先，机器人需要有适当的机械设计。由于六足蜘蛛机器人需要在多种不同的地形和环境下行动，因此需要设计出具有足够稳定性和灵活性的机械结构，以确保机器人能够稳定行动。其次，机器人需要使用先进的传感器技术来感知周围环境。这些传感器可以包括摄像头、激光雷达、惯性测量单元等，可以帮助机器人感知周围障碍物、地形变化等信息，以便进行有效的导航。第三，机器人需要使用先进的控制系统来协调其六条腿的运动。这些控制系统需要使用高级算法来计算出腿部运动的轨迹，并实时调整机器人的姿态以保持平衡。第四，机器人需要使用先进的电源和电池管理系统。由于机器人需要长时间运行，因此需要具有高效能和可靠的电源系统，以确保机器人可以长时间运行。最后，机器人还需要具有先进的软件和人工智能技术。这些技术可以帮助机器人进行自主决策和规划，并可以根据环境变化自适应地调整其行动方式，以确保机器人能够有效地完成任务。第2章总体方案设计2.1构型选择六足仿生机器人的设计灵感来自于各种生物，包括昆虫、蜘蛛、蚂蚁等。其中比较常见的生物仿真有以下几种：蟑螂仿生：蟑螂可以在狭小空间中自如爬行，因此蟑螂仿真机器人被广泛应用于需要在狭小空间中工作的应用。蜜蜂仿生：蜜蜂具有良好的视觉和导航能力，因此蜜蜂仿真机器人被应用于需要进行高精度定位和导航的应用。蚂蚁仿真：蚂蚁可以通过集体智慧和分工协作完成各种任务，因此蚂蚁仿真机器人被应用于需要协作完成任务的应用。蜘蛛仿真：蜘蛛具有良好的适应性和灵活性，因此蜘蛛仿真机器人被应用于需要具备高适应性和灵活性的应用。相对于其他生物仿真，选择蜘蛛作为仿真对象的优点主要有以下几个方面：高适应性：蜘蛛可以适应各种不同的环境和地形，包括水平面、斜面、垂直面等，因此蜘蛛仿真机器人具有较好的适应性。灵活性：蜘蛛可以通过调整腿的姿态和步态来适应不同的地形和环境，因此蜘蛛仿真机器人具有较高的灵活性。稳定性：蜘蛛可以通过调整腿的姿态来保持稳定性，因此蜘蛛仿真机器人具有较好的稳定性。节能性：蜘蛛可以利用腿的弹性储能，减少能量的消耗，因此蜘蛛仿真机器人具有较好的节能性。综上所述，蜘蛛仿真机器人具有高适应性、灵活性、稳定性和节能性等优点，因此在需要具备这些特性的应用场景中具有一定的优势。2.2仿生蜘蛛机器人的总体方案设计本文研究的是仿生蜘蛛机器人，它由躯体结构和腿部结构两部分组成，其中六条腿的布置方式和传动方式是整体设计需要考虑的主要问题。六条腿的布置方式主要考虑腿部结构相对躯体结构的位置和朝向的问题；传动方式需要综合考虑仿生蜘蛛机器人的载重要求、腿部受力情况、结构稳定性等多个方面的问题。通过对蜘蛛生理结构特征及其行走步态的分析，本研究选取蜘蛛作为参照源对象，设计出六足机器人仿生蜘蛛机器人的躯体结构采用蜘蛛胸部的生理结构特征作为设计参考对象，仿生蜘蛛机器人的腿部结构采用蜘蛛步行足中具有强劲动力的后足生理结构特征作为设计参考对象。基于前文的蜘蛛生理结构分析结果，机械结构总体设计方案为：躯体结构具有一定长宽比，与各腿的连接关节点分布近似于长方形的六边形顶点上；六条腿的几何构型采用均一化等长结构设计，腿部结构的弯曲方向与蜘蛛步行足的弯曲方向相同。根据仿生蜘蛛机器人机械结构总体设计方案，得到仿生蜘蛛机器人结构简图如图2.1所示。图2.1仿生蜘蛛机器人仿生蜘蛛机器人结构简图2.3动力源选择和对比常用的动力源包括电动、气动、液压等。与其他动力源相比，步进电机带减速器具有以下优势：精度：步进电机的位置精度通常高于其他类型的电机，这使得它们非常适合需要高精度位置控制的应用。通过使用减速器，步进电机的输出转速可以大大降低，从而提高位置精度。控制：步进电机非常容易控制。与其他电机相比，它们具有简单的驱动电路，可以在没有反馈的情况下实现精准的位置控制。这种特性使得步进电机非常适合需要快速、精准位置控制的应用。节能：步进电机只在需要移动时才会消耗能量，这意味着它们可以在不需要运转时保持静止并节省能量。此外，由于它们可以准确控制位置和速度，因此可以降低机器人和其他自动化系统的能量消耗。可靠性：步进电机具有较长的使用寿命，并且不需要维护。它们也可以在极端温度和湿度条件下使用，并且可以快速启动和停止，这使得它们非常适合需要高可靠性的应用基于以上考虑，步进电机带减速器是一种可靠、精确、高效、易于控制的动力源，特别适用于需要精准位置控制和快速响应的应用，如机器人、CNC机床、印刷机、医疗设备、自动化生产线等。所以，本文动力源选择采用步进电机带减速器。第3章仿生蜘蛛机器人机械结构设计3.1生物蜘蛛生理结构分析蜘蛛是一种典型的节肢动物，其生理结构复杂，可以分为外部结构和内部结构两个方面。外部结构方面，蜘蛛的身体由两个部分组成，即头胸部和腹部。头胸部与腹部相连的部位被称为腰部。蜘蛛的头胸部有八只腿，每只腿都有七节，包括股节、膝节、胫节、跗节、爪节和两个前爪指节。腹部主要包括消化器官、生殖器官、呼吸器官和心脏等内部器官。内部结构方面，蜘蛛的神经系统分为中枢神经系统和周围神经系统两个部分。中枢神经系统位于蜘蛛的头部，包括脑、颈神经环和胸神经环等。周围神经系统由多个神经节和神经纤维组成，分布在蜘蛛的身体各部分。蜘蛛的呼吸器官是由一组书肺组成的，其可以通过开放和关闭腹部呼吸孔进行呼吸。蜘蛛的循环系统由一对心脏和多个血窦组成，其负责蜘蛛体内的血液循环和养分输送。蜘蛛的消化系统由口器、唾液腺、食道、中肠、直肠和肛门等组成。口器包括切牙、下颚、上颚和唾液腺等，其可以将猎物咬碎并分泌唾液来消化食物。蜘蛛的生殖器官在雄蜘蛛和雌蜘蛛中存在差异。雄蜘蛛的生殖器官包括一对精囊和一对复合器，而雌蜘蛛的生殖器官包括一对卵巢和一对受精囊。图3.1生物蜘蛛实图总体来说，蜘蛛的生理结构十分复杂，其具有高度的适应性和优秀的捕食能力。对蜘蛛生理结构的深入了解可以为仿生机器人的设计提供重要的参考和灵感。3.2仿生蜘蛛机器人机械结构方案设计3.2.1仿生蜘蛛机器人自由度仿生蜘蛛机器人的自由度是指机器人能够运动的自由方向数。机器人的自由度与其运动能力密切相关，自由度越高，机器人的运动能力也就越强。对于仿生蜘蛛机器人来说，它有18个自由度，其中每个腿有3个自由度。这18个自由度包括三个方向的平移自由度和三个方向的旋转自由度。每个腿的三个自由度包括：腿基座的旋转自由度：腿基座可以绕自身垂直于地面的轴旋转，使腿末端改变朝向。膝关节的旋转自由度：膝关节可以绕腿基座到膝盖之间的轴旋转，使腿的中间部位弯曲或伸直。脚底的旋转自由度：脚底可以绕膝盖到脚底之间的轴旋转，使脚末端可以调整方向。通过这些自由度的组合，仿生蜘蛛机器人能够在各种复杂地形上行进和爬行，并具有很好的稳定性和机动性。例如，当机器人遇到不平坦地面时，它可以通过腿部的旋转和伸展来适应地形，保持稳定的姿态和前进方向。仿生蜘蛛机器人的自由度为18。可以通过以下方法进行计算：每个腿的自由度为3，共有6条腿，因此机器人的总自由度为：6条腿×3个自由度/腿=18个自由度其中，每个腿的3个自由度分别为腿基座的旋转自由度、膝关节的旋转自由度和脚底的旋转自由度。通过这些自由度的组合，机器人可以完成各种运动和动作，具有很好的机动性和适应性。3.2.2仿生蜘蛛机器人步行足布置方式仿生蜘蛛机器人的步行足布置方式是非常关键的，它直接影响到机器人的稳定性、运动能力和适应性。一般来说，仿生蜘蛛机器人的步行足布置方式分为两种：三角形布置和平行四边形布置。图3.2腿布置方式图3.3仿生蜘蛛机器人关节连杆坐标系本文采用仿生蜘蛛机器人采用平行四边形布置的步行足方案，以提高在不规则或崎岖的地形上行进和爬行时的稳定性和适应性。每个足端装配一个运动自由度为3的机械爪，可以实现精细的物体抓取和操作。每个步行足由三个连杆组成，分别是主连杆、副连杆和脚底连接杆。主连杆和副连杆的长度相等，且两者的连接点距离足端相等，可以相对运动，以实现步态控制和稳定性调节。脚底连接杆位于步行足的底部，用于连接脚底和主连杆/副连杆，同时可以实现脚底的旋转和倾斜。机器人的步行足通过多个电动执行器进行驱动和控制，实现各种运动和动作。这种布置方式使仿生蜘蛛机器人具有很好的运动平稳性和稳定性，并能在不同的地形和环境中行进和爬行，并完成各种任务。3.2.3仿生蜘蛛机器人本体结构设计在设计仿生蜘蛛机器人的本体结构时，应该考虑机器人的稳定性、便于加工和安装控制器等因素。中空轴框架结构是一种适合仿生蜘蛛机器人的本体结构方案。首先，中空轴的结构能够大幅度降低机器人的重量，提高机器人的运动速度和机动性。这是由于中空轴结构的优点，可以有效地减少机器人的自重，从而减小对机器人动力系统的负载，提高机器人的运动速度和机动性。其次，中空轴的结构具有高强度和稳定性，能够保证机器人在行走和运动过程中的稳定性和平衡性。中空轴的结构可以增加机器人的刚性和稳定性，从而减小机器人在行走和运动过程中的抖动和晃动，使机器人行走更加稳定和平衡。最后，中空轴的结构有利于电缆、气管等线路的布局和隐蔽，可以有效地减少机器人外形的复杂性和占用空间，简化机器人的结构设计和安装调试。图3.4机器人本体模型综上所述，采用中空轴的框架结构是一种可行的仿生蜘蛛机器人本体结构方案，可以在保证机器人稳定性和强度的前提下，实现机器人的轻量化、高效稳定运动和优化设计。3.2.4仿生蜘蛛机器人腿部结构设计腿部的结构由大腿、小腿和髋关节支架串联构成。髋关节联接时，先将髋关节轴和膝关节轴依次压入轴承孔、大腿孔和链轮孔，利用键联接的方式实现链轮和大腿的转动，再用螺钉将基节上支撑、基节支架以及基节下支撑锁定，最后通过联轴器使步进电机与基节上支撑相连，减速步进电机带动联轴器从而实现腿部摆动。膝关节联接形式与髋关节一致，仿生六足机器人整条腿部图3.5所示。图3.5单腿三维模型3.3仿生蜘蛛机器人控制系统方案设计3.3.1仿生蜘蛛机器人控制系统硬件设计控制系统硬件方案包括主控制板、通信模块、电源管理模块、传感器模块和执行器模块。主控制板使用高性能的单片机芯片，具有多个输入输出接口和足够的存储容量，能够实现六足机器人的运动规划和控制算法，并支持通信模块的数据传输。通信模块采用无线通信技术，能够实现与外部设备的数据交互和控制指令的传输。电源管理模块提供合适的电源管理和保护功能，以保证六足机器人系统的稳定运行。传感器模块集成了多个传感器，包括惯性测量单元、距离传感器、接触传感器等，能够实现对六足机器人周围环境的感知和姿态测量。执行器模块包括多个驱动器和执行器，能够实现对六足机器人腿部的运动控制。以上硬件模块均应考虑尺寸、重量和功耗等因素，并具备可靠性和稳定性，以保证六足机器人系统的正常运行和性能表现。3.3.2微伺服电机控制器软件设计为了实现远程控制，我们选择了Wi-Fi模块作为机器人的无线通信设备。我们将AT89C51单片机与Wi-Fi模块、步进电机控制器和传感器等硬件设备连接起来，使得机器人可以通过Wi-Fi与外部设备通信，从而接受指令控制。我们使用AT89C51单片机作为中央控制器，接收来自外部设备的指令并通过步进电机控制器控制机器人的动作。同时，通过传感器获取机器人当前的运动状态，实时反馈给外部设备，使得外部设备可以及时掌握机器人的运动情况。为了提高机器人的稳定性，我们采用了PID控制算法对机器人进行控制，从而能够更好地控制机器人的运动。此外，为了方便调试和扩展，我打算在单片机上添加LCD屏幕，显示机器人状态和接收到的控制指令等信息。本文研究不涉及控制部分，此部分均视为采购。3.4腿部驱动分析3.4.1单腿髋关节和膝关节驱动结构设计关于第3.3节中的致动关节设计，由于致动关节的设计仍处于设计阶段，因此本节中对单腿驱动机构进行了一些调整，以确保其双关节功能。在机器人的单腿结构中，使用一组具有相反动作的液压人工肌肉来驱动致动关节的运动。关节是液压驱动的，液压使其中一块人造肌肉收缩变形，而同一组中的另一块人造肌伸长变形，从而产生位移差。这种位移差通过链条和链轮机构驱动接头旋转。具体而言，膝关节驱动图如图所示，其中驱动关节的两块人造肌肉的初始压力设置为P0，导致两块人造肌的起始收缩率为ε0，输出力为F0。此时，关节处于其初始位置，如图3.9（a）所示，小腿的位置与水平方向形成45°角。额外的液压ΔP被施加到上部人工肌肉，而下部人工肌肉保持其原始液压P0。附加液压后两块人造肌肉的输出力分别表示为F1和F2，相应的收缩率为ε1和ε2。由于上部人工肌肉的输出力大于下部人工肌肉的，输出力的差异会导致关节角度的变化，从而产生一个新的位置，如图3.9（b）所示，小腿绕膝关节逆时针旋转45°，达到水平位置。类似地，如果在保持上部人造肌肉的液压的同时向下部人造肌肉施加相同的液压，则小腿将顺时针旋转。小腿的旋转角度θ2的范围被定义为在-45°和45°之间。图3.9膝关节驱动原理人工肌肉的内径和长度是在选型膝关节人工肌肉时需要考虑的主要因素。当小腿绕膝关节旋转角度为θ2时，小腿长度为300毫米，R2为40毫米，在力矩平衡的条件下，我们得到了以下结果：（3.1）（3.2）联合方程得到：（3.3）当时，所产生的压力差最大，此时在保证小腿质量不超过5kg的前提下，根据Festo公司官网提供的人工肌肉数据，我们得知内径为10mm的人工肌肉最大输出力为400N。根据设计要求，我们可以选择内径为10mm的人工肌肉来驱动膝关节的旋转运动。根据式（3.3），当膝关节转角时，人工肌肉的收缩长度最大。经过计算得知，在人工肌肉的最大收缩率为25%的前提下，当膝关节转角时所需的人工肌肉长度不应小于125.664mm，为了节约空间并满足功能要求，我们选择长度为160mm的人工肌肉。根据官方网站提供的人工肌肉型号，我们最终选择了内径为10mm且长度为160mm的人工肌肉作为膝关节的驱动元件。与膝关节相似，髋关节的驱动原理也相同，我们定义大腿旋转角度θ1在-30°~30°之间，具体见图3.10。（a）（b）图3.10髋关节驱动原理其中大腿的长度为400mm，为50mm，由力矩平衡得：（3.4）（3.5）联合方程得到：（3.6）当，时，所产生的压力差最大（3.7）在规定腿部整体质量不超过15kg的前提下，根据Festo公司官网提供的人工肌肉数据，我们得知内径为20mm的人工肌肉最大输出力为1200N。根据设计要求，我们可以选择内径为20mm的人工肌肉来驱动髋关节的旋转运动。由式（3.8）可知，当.时，人工肌肉的收缩长度最大：（3.8）根据计算，在人工肌肉的最大收缩率为25%的前提下，当髋关节转角时所需的人工肌肉长度不应小于104.72mm。为了节约空间并满足功能需求，我们选择长度为140mm的人工肌肉来驱动髋关节。根据Festo公司售卖的人工肌肉型号，我们最终选择了内径为20mm、长度为140mm的型号作为髋关节的驱动元件。3.4.2驱动基节的电机选型为了实现机器人的步态周期，本文采用了两组相互对抗的人工肌肉来驱动膝关节和髋关节的转动，并选用电机来驱动基节的转动。随着电子和计算机技术的快速发展，步进电机被广泛应用于各种自动化控制系统中，尤其在机器人的设计中也常使用步进电机作为驱动器。步进电机具有精度高、运动平稳、控制简单等特点，因此被选为本文仿生六足机器人腿部基节的驱动执行元件。步进电机参数的选取直接影响机器人的运动特性。为了实现基节的摆动，步进电机的输出扭矩应该能够顺利驱动基节转动，同时也要与减速器配合良好，以实现机器人以预定的速度移动。为了减小机器人的质量，我们选取了体积和质量更小的步进电机，同时也考虑了机器人在不同地形下行走时所需的转矩大小存在差异等因素，因此所选取的步进电机的传动效率和驱动力要足够大，以满足不同环境下的需求。为了确保所选取的步进电机能够顺利驱动基节转动，需要获得机器人在运动过程中基节转动所需的最大力矩。本文采用静力学分析方法，忽略动态惯量，假设机器人在地面上匀速移动，受到地面支撑反力的作用来获得所需的基节驱动力矩。首先，我们使机器人大腿和小腿轴线在地面上的投影线与机体的横向轴线处于平行状态。在这种状态下，通过计算获得转动基节所需的最大力矩。如图3.11所示，电机的减速比可以根据此位置获得的力矩值来确定。图3.11机器人基节的受力简图鉴于机器人的对称大腿和非对称小腿结构，整条腿的重心位置被确定为图4.3中所示的点B，这使得力臂的长度得以确定。机器人基节转动所需的扭矩M1可由式(3.9)给出。（3.9）当点B位于大腿中心位置时，式(4.9)可用于计算基节转动所需扭矩M1的极限最大值，约为30N·m。通过对基节受力和步进电机参数的分析，我们选择了精密的42行星减速步进电机作为仿生六足机器人基节驱动器。该减速步进电机的公称减速比为22，输出扭矩为80N·m，重量为560g。减速步进电机的结构如图3.12所示，总长度为108mm，宽度为42mm，高度为42mm。图3.12步进电机结构图3.4.3腿部传感器及液压阀选型（1）绝对式编码器采用编码器的目的在于确保关节的实际转动角度与期望值相一致。为此，我们采用在各个关节轴处安装绝对式编码器的方法，这既可以降低成本，又可以保证关节驱动的精度。本研究选择了擎轩科技有限公司生产的E1055K15型号编码器(图3.13)。该绝对式编码器采用12位二进制的CAN信号输出，最大的优点在于可以在不选择参照点的条件下确定位置。图3.13E1055K15型绝对式编码器安装尺寸图（2）直动式三通电磁比例减压阀为了实现对抗式人工肌腱驱动关节转动，我们在每个人工肌腱接口处安装了电磁比例减压阀，以实现一个肌腱增压和另一个肌腱恒压的组合，形成拉力差，从而通过链条带动链轮转动。本研究选用了北京华德公司生产的规格为3DREP6的比例减压阀（图3.14）。该减压阀可承受的极限流量为每分钟15L，最大的承受压力可达到10MPa，基本满足机器人的驱动要求。图3.14直动式三通电磁比例减压阀（3）液压力传感器为了实时反馈人工肌腱内部压力，需要接压力传感器。选择天津吉诺科技有限公司的50系列带数显式压力传感器，如图3.15所示。图3.16液压力传感器

第4章仿生蜘蛛机器人运动学分析4.1仿生蜘蛛坐标系的转换在仿生蜘蛛机器人的运动学分析中，需要将机体坐标系与步行足坐标系进行转换，以便控制机器人在三维空间内进行运动。机体坐标系通常是以机器人的质心为原点建立的惯性坐标系，而步行足坐标系是相对于每个步行足而言的局部坐标系。转换过程可以分为两步：首先是机体坐标系到中间关节坐标系的转换，然后是中间关节坐标系到步行足坐标系的转换。在机体坐标系到中间关节坐标系的转换中，需要考虑机体坐标系的旋转和平移。旋转是通过欧拉角或旋转矩阵来描述的，而平移则是机体坐标系原点到中间关节坐标系原点的距离。中间关节坐标系的建立需要根据机器人的设计参数进行计算，通常是在机器人设计阶段确定的。在中间关节坐标系到步行足坐标系的转换中，同样需要考虑旋转和平移。旋转角度通常是由步行足坐标系相对于中间关节坐标系的转角来确定的，而平移则是步行足坐标系原点到中间关节坐标系原点的距离。在实际的控制过程中，可以通过编写相应的转换矩阵或者函数来实现坐标系之间的转换。这样，就可以将机器人的运动控制转化为对步行足坐标系中各个关节角度的控制，从而实现机器人的运动。图4.1仿生蜘蛛机器人模型4.2仿生蜘蛛机器人步行足运动学分析准备使用SolidWorks做运动学分析，SolidWorks中的运动仿真可以包括以下数据：机械装配体：可以包括多个部件和关节，用于定义机器人的结构和运动方式。运动学参数：包括关节位置、速度、加速度、运动方向、运动范围等，用于定义机器人的运动规律。约束条件：包括关节运动范围限制、碰撞检测、力学约束等，用于限制机器人的运动方式和行为。外部负载：包括机器人所受的力、扭矩、惯性等外部影响，用于模拟机器人在不同环境下的运动行为。运动仿真结果：包括机器人的位置、速度、加速度、力学状态等运动数据，用于分析和评估机器人的性能和运动行为。通过运动仿真可以模拟机器人在真实环境中的运动行为，从而优化机器人的设计和性能，提高机器人的运动效率和稳定性。图4.2仿生蜘蛛机器人直行步态情况图4.3仿生蜘蛛机器人足部位移情况针对之前计算获得的参数，使用SolidWorks软件构建出模型，并使用SolidWorks软件自带的运动仿真，进行仿真，展示出根据之前机械结构设计方案中的直行步态情况，结果显示步行足的动力学性能，同时也验证了动力学模型的正确性。也为将来将理论构想变为现实提供了重要依据。致谢首先，感谢我的指导老师，在几年的学习时间里，老师在学习和实践方面都给予了我很大的教导和帮助。在专业学习上，老师为我推荐了许多与我专业相关的书籍，让我在理论知识上面有了一定积累。在实践方面，不仅学习到了更加有效的做事方法，还掌握了便捷的办事工具。其次，要感谢我的父母，在背后默默地支持我，给予我精神上和身体上的最大关怀与支持。最后就是要感谢大学期间一直陪伴我的同学和学长学姐与学弟学妹们，与大家一起度过了最美好的学习时光，相互帮助相互学习。谢谢大家！参考文献[1]ZhangLiujun,FarabowAndrew,SinghalPradyumann,MuellerRolf.Small-scalelocationidentificationinnatur