北航第21届冯如杯学生科技作品竞赛一等奖作品项目论文——仿生机械尺蠖

1、第二十一届“冯如杯”学生参赛作品仿生机械尺蠖（huo）项目编号：指导教师：白相志作者：邹征夏39152297 孙诗炎39152211姚连生39152206冯亚春39152210 北京航空航天大学2011年3月26日北京航空航天大学第二十一届“冯如杯”学生参赛作品仿生机械尺蠖（huo）指导教师：白相志第一作者：邹征夏 39152207其他成员：姚连生 39152206 孙诗炎 39152211 冯亚春 391522102011年3月26日目录目录4摘 要5一、项目简介71.1项目背景7二、总体设计82.1 总体设计方案82.2 机械尺蠖的功能要求82.3 机械尺蠖主要参数82.4 机械尺蠖的设计

2、模块9三、机械结构设计93.1 基本关节模块的结构设计93.2 关节模块的级联结构103.3 机械尺蠖的总体装备结构10四、控制部分设计114.1 尺蠖运动步态的控制114.2机械尺蠖运动机构的等效模型124.3机械尺蠖运动机构的控制系统13五、电路设计13六、机械尺蠖运动步态算法设计146.1 三连杆梯形波步态分析156.2 任意形状三连杆波形步态分析184.4尺蠖运动多连杆任意形状波形步态分析19七 机械尺蠖样机运动测试20八 后期规划20结论21附录 零件设计图纸23摘 要：尺蠖，又名“弓背虫”，是一种柔软的无脊椎爬行动物，常生长在桦树、杨树上，在粗糙的树干、树叶、地面和草地上爬行。尺蠖

3、的爬行动作因其特殊的身体结构而非常与众不同，它既不同于蛇依靠肌肉的左右摇摆前进，也不同于蚯蚓依靠肌肉的纵向收缩伸展来前进，它是通过独特的纵向弓背、延展来进行爬行。这种爬行与蛇和蚯蚓的运动形态相比，其最大优点是与爬行表面的接触面积小，滑动摩擦力最小，尺蠖的头尾长有吸盘和触脚，通过吸盘和触脚的抓力，一曲一直运动，极大减少了身体整体接触摩擦表面带来的滑动摩擦力。同时，弓背延伸的爬行方式，也更加适用于复杂的地形，如狭窄的管道、粗砺的地面、不规则的壕沟，不平坦的废墟等。这些都是比蛇和蚯蚓更具优势的运动方式。目前国内外仿生蛇、仿生鱼等依靠肌肉左右摇摆获得前进动力的仿生机器人已经得到大量的充分的研究，但是在

4、仿生尺蠖领域还比较薄弱，依靠弓背延伸来爬行的运行状态模拟还有很多研究工作需要深入开展。本作品的创新点在于设计了一种仿生机械尺蠖，模拟弓背延伸的独特爬行运动，设计了独特的爬行步态，减小爬行摩擦力，可以适应复杂地形。在一些具有特殊地形（如狭窄的管道，壕沟，废墟）的路面上能体现出相当大的优势，经加载探测头和定位器后，可以承担侦查、探测、救援等工作。该仿生机械尺蠖的设计方案，模拟尺蠖的身体构造，采用模块化的关节状设计。机械尺蠖由8个相同的关节串联而成。每两个关节构成一个单元，每个单元具有纵向单方向的自由度，尺蠖的每个关节都由一台舵机驱动，整条尺蠖由单片机控制每个关节的弓背延展动作，从而，机械尺蠖整体构

5、成一个高冗余度的平面连杆机构，实现可编程的独特的尺蠖爬行动作模拟。作品设计并制造了机械尺蠖样机，并开展了机械尺蠖运动步态建模分析、数字仿真、实际样机运动步态测试工作。对三连杆波步态和多连杆波步态等对机械尺蠖运动速度的影响进行了仿真和实测数据比对，提出了优化措施。本项目的创新点在于：1、尺蠖独特的弓背延伸前行运动状态模拟；2、尺蠖可编程弓背的模块化关节结构设计；3、机械尺蠖步态和前行速度关系研究。关键词：机械尺蠖 弓背延伸步态模拟 平面连杆机构 复杂地形 abstract: in recent years the bionic robot has become robot field resea

6、rch hot spot.looper is a kind of soft invertebrate reptiles. we adapted the bionic mechanical looper by 8 modular design, to become a joint series. every two joint constitute a unit, each unit with a single direction, thus the mechanical structure of looper form a high redundancy planar linkage inst

7、itutions. by each joint looper steering gear drive, and a single-chip microcomputer control the whole machine. looper can adapt to the complex terrain bionic, especially in some special terrain (such as narrow channels, trenches, ruins) on whose road it can reflect the considerable advantages and be

8、ar the investigation, detection, or rescue work. this article also analysis the movement of the mechanical looper, the mechanical ，simplified the movement of the mechanical looper to the movement of the planar linkage. under the matlab simulation we make a mathematical model of its motion, to calcul

9、ate the velocity and displacement.finally, we make a comparison between the simulation results and the actual motion measurement results.朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典 - 查看字典详细内容key words: machinery modular planar linkage mechanism looper一、项目简介1.1项目背景尺蠖，又名“弓背虫”，是一种柔软的无脊椎爬行动物，常生长在桦树，杨树上，在粗糙的树干、树叶、地面、草地上爬行。尺蠖的爬行动作因

10、其特殊的身体结构而非常与众不同，它既不同于蛇依靠肌肉的左右摇摆前进，也不同于蚯蚓依靠肌肉的纵向收缩伸展来前进，它是通过独特的纵向弓背、延展来进行爬行。图 1 尺蠖这种爬行与蛇和蚯蚓的运动形态相比，其最大优点是与爬行表面的接触面积小，滑动摩擦力最小，尺蠖的头尾长有吸盘和触脚，通过吸盘和触脚的抓力，一曲一直，极大减少了身体整体接触摩擦表面带来的滑动摩擦力，同时，弓背延伸的爬行方式，也更加适用于复杂的地形，如狭窄的管道、粗砺的地面、不规则的壕沟，不平坦的废墟等。这些都是比蛇和蚯蚓更具优势的运动方式。目前国内外仿生蛇、仿生鱼等依靠肌肉左右摇摆获得前进动力的仿生机器人已经得到大量的充分的研究，但是在仿生

11、尺蠖领域还比较薄弱，依靠弓背延伸来爬行的运行状态模拟还有很多研究工作需要深入开展。本作品的创新点在于设计了一种仿生机械尺蠖，模拟弓背延伸的独特爬行运动，设计了独特的爬行步态，减小爬行摩擦力，可以适应复杂地形，在一些具有特殊地形（如狭窄的管道，壕沟，废墟）的路面上能体现出相当大的优势，经加载探测头和定位器后，可以承担侦查、探测、救援等工作。本项目的创新点在于：1、适用于复杂地形的尺蠖弓背延伸前行运动状态模拟；2、可编程的尺蠖弓背运动模块化关节结构设计；3、机械尺蠖步态和前行速度关系研究。二、总体设计2.1 总体设计方案该仿生机械尺蠖的设计方案，模拟尺蠖的身体构造，采用模块化的关节状设计。机械尺蠖

12、由8个相同的关节串联而成。每两个关节构成一个单元，每个单元具有纵向单方向的自由度，尺蠖的每个关节都由一台舵机驱动，整条尺蠖由单片机控制每个关节的弓背延展动作，从而，机械尺蠖整体构成一个高冗余度的平面连杆机构，实现可编程的独特的尺蠖爬行动作模拟。2.2 机械尺蠖的功能要求1、机械尺蠖可进行通过弓背延展方式向前爬行，可适用于粗糙表面；2、pc机通信可编程控制机械尺蠖的运动步态；3、可研究机械尺蠖运动步态与运动速度关系；4、机械尺蠖具有很好的模块化特性，长度可裁减和增加。2.3 机械尺蠖主要参数全长：600mm单个关节长*宽*高：75mm*60mm*42mm总重量：720g最大越障高度：12cm直行

13、速度：2.0cm/s最大爬行速度：3.8cm/s舵机型号及参数：tower pro mg996大力数字金属舵机大型模型使用 双滚珠轴承,金属齿轮,三级转子连接线长度30cm尺寸：42.9*19.7*40.7mm 重量：62g扭矩：10.5kg/cm(4.8v),13kg/cm(6v)速度：0.20sec/60degree(4.8v) 0.17sec/60degree(6.0v)工作电压：4.8-7.2v2.4 机械尺蠖的设计模块作品设计并制造了机械尺蠖样机，主要分为四个设计模块：1、 机械结构设计；2、 控制设计；3、 电路设计；4、 运动步态算法设计。三、机械结构设计通过分析尺蠖的运动特点，

14、机械尺蠖的机械结构设计采用二维连杆机构。同时，参考尺蠖关节结构，采用基本关节模块的机械结构设计方法，可方便的组装、裁减和重组。3.1 基本关节模块的结构设计基本关节模块的零件设计图纸见附件。采用模块化设计有许多优点：1、该机械尺蠖的每个关节模块单元结构由大量相同的零部件构成，这些零部件在设计、加工和装配过程中是统一的，这就大大减少了设计加工成本和加工复杂度。2、模块化设计还可以使机器人有更强的适应性，根据要完成任务的不同来调整“身体”的长度。当机械尺蠖有损坏时，可以丢弃损坏的模块而不影响其剩下的结构，尺蠖仍然可以正常运作。3、模块化设计的鲁棒性高，可以利用冗余度和全局反馈补偿个别模块的局部误差

15、。4、模块化设计还具有拆卸方便，便于运输和收藏等其他优点。 图2 机械尺蠖的基本关节模块3.2 关节模块的级联结构图3 关节模块的级联结构3.3 机械尺蠖的总体装备结构完成装配效果图如图4。图 4 总体装配完成效果图四、控制部分设计4.1 尺蠖运动步态的控制图 5 自然界尺蠖步态尺蠖是一种蛾的幼虫，这种蛾叫尺蠖蛾。尺蠖蛾也有十几种之多，但它们的幼虫，都叫尺蠖，这种虫的样子有点像蚕，身子细，约有三寸长，脚生在头部和尾部，行动起来，样子非常古怪，要将长在尾部的脚，移到了齐近头部的脚，在头部的脚，再向前移去，如此继续不断。当头部的脚，和尾部的脚，靠在一起的时候，整个身子，就弯了起来，所以它在向前行进

16、之际，实际上就是不断弯成弓形再放直的动作。4.2机械尺蠖运动机构的等效模型 尺蠖的运动方式比较复杂，如何控制7个舵机的关节的姿态角来使各个关节规律地运动进而前进、退、爬坡及越障，这是我们项目中遇到的最为棘手的问题。驱动机械尺蠖的8个舵机的驱动力对于机械尺蠖整体来说是内力，而质点系内力对于质点系质心位移无影响，所以要想使机械尺蠖质心坐标相对地面运动，必须有外力作用在尺蠖身上，这个外力只能是地面给尺蠖腹部的摩擦力，这个摩擦力可以由舵机的内力矩间接提供。为了方便研究，现将尺蠖整体视为一组平面连杆机构。其中7个关节姿态角分别控制机械尺蠖的运动姿态。图 6 关节连杆模型表格 1 机械尺蠖关节模块参数关节

17、连杆长度关节宽度关节高度关节旋转角度范围75mm60mm42mm关节模块重量关节扭力矩关节输出功率103g10-13kgcm0.1w图 7 机械尺蠖仿生步态4.3机械尺蠖运动机构的控制系统通过机构和运动分析，我们可以得到机械尺蠖控制系统要进行以下工作：1、建立运动模式库，来储存各种运动模式的数据；2、接受控制命令后，选择指定运动模式对应的数据，更新运动参数；3、之后把运动数据传递给各个关节，最后转化为各个关节上舵机的运动。因此，控制系统要完成的功能如下：1、机械尺蠖与pc机进行通讯，接受运动指令；2、机械尺蠖将运动指令传递给各个关节的舵机；3、舵机按指令运动，带动机械尺蠖执行弓背延展动作。五、

18、电路设计我们选择使用atmega48作为机械尺蠖控制板的处理器，每个io的控制信号通过放大器放大后给舵机的信号线提供pwm脉冲。通信模块使用max232芯片进行电平转换，实现单片机与pc机之间的通信。电源模块采用三端稳压子稳定到+5v给控制板供电。舵机供电与控制板供电分开，避免干扰。图 8 控制电路原理图六、机械尺蠖运动步态算法设计8 7 6 5 4 3 2 1 t0t1y2t3t4t5t6t7t8t9t10t11这一部分里我们首先来讨论一种最简单的运动方式，即以三连杆波形式向前传播。这种运动方式符合波动方程，数学上研究方便。然后可以用这种分析方法研究多连杆波的传递，而我们所期望的尺蠖的伸缩式

19、运动恰恰是多连杆波传播方式其中的一种特殊情况。6.1 三连杆梯形波步态分析假设机械尺蠖初始状态为一条直线相邻关节转角范围是，由尾向头部运动，三连杆波传递到尺蠖头部时候，完成一个周期动作。完整的三连杆波形运动共由三个阶段构成。分别对应图中至。第一阶段：三连杆波形成过程，图示至阶段。先定义所有连杆相对于前一级连杆逆时针转动为正。首先连杆1以角速度正向转动，其余关节不动，均保持水平姿态，经过时间，达到图中时刻尺蠖的姿态；随后连杆2以角速度正向转动，连杆1以角速度2转动，经过时间，达到图中时刻尺蠖的姿态；随后连杆3以角速度，连杆2以2转动，连杆1相对连杆2不作转动，至此三连杆波形已经形成，第一阶段运动

20、状态完成。 连杆步态 1234567t00000000t1000000t200000t30000t4000t5000t6000t7000t80000t900000t10000000t110000000第二阶段：波形传递过程，图示至阶段。按照阶段一的分析方法，此阶段只要每个时刻给各连杆合适的角速度，波形就可以水平传播。应当强调的是此阶段由于地面摩擦力的作用，与地面接触的关节不发生相对地面的向后滑动。第三阶段：波形复原阶段，图示至阶段，此阶段与第一阶段运动方式类似，此阶段结束时，完成了梯形波由尺蠖尾部向头部传递的一个完整的周期运动。表格 2 单个周期内各连杆姿态角从表格中可以直观地看到，各连杆的姿

21、态角随时间变化情况相同，只是有一定的相位差而已。假设连杆有效长度为，即连杆1在到过程中共用时，且各步态过渡时间均为。则一周期内尺蠖头部向前移动了平均速度为。在matlab下建立运动的数学模型，并进行仿真，可得出，当取，并控制时，可解出尺蠖头部任何时刻的运动状态。尺蠖头部位移时间曲线如图所示：图 10 45梯形波尺蠖头部位移时间曲线图 2 45梯形波尺蠖头部速度时间曲线单个周期内尺蠖平均速度关于姿态角的曲线如图所示：图 3 单个周期内平均速度曲线由仿真结果可知，机械尺蠖以45梯形波形式向前运动时，单个周期内平均速度为0.0346m/s，且当时，有单个周期内最大平均速度0.108m/s。6.2 任

22、意形状三连杆波形步态分析假设某时刻连杆机构以下图所示的三连杆波形向前传播：图 4 任意形状三连杆波形步态在几何上满足约束条件即四边形内角和180度，上式化简为又因为四边形三边长均为，故中独立变量只有两个。此时尺蠖头部一个周期内位移为通过matlab进行仿真得出，当时，平均速度最大值为0.108m/s。4.4尺蠖运动多连杆任意形状波形步态分析如果我们能够实时合理地控制每一个连杆的姿态角，则可实现在运动过程中任意形状的波形稳定向前传播。此时如图所示。此时如果拱起的杆件长度足够多，则这种横波式运动则退化为尺蠖伸缩运动。所以我们可以用多连杆波形的步态分析来研究尺蠖运动这种看似古怪复杂的运动。这种尺蠖伸

23、缩式运动模式下，我们仍然前面讨论的研究方法来分析头部的位移和速度：图 5 跨步运动步态单个周期内尺蠖头部位移通过matlab仿真得出，当，时，尺蠖头部最大平均速度 0.386m/s。但是此时尺蠖身体已经几乎处于完全垂直地面状态，稳定性不好，故实际不会采用此种运动方式，继而最大平均速度也无法达到0.386m/s。七 机械尺蠖样机运动测试试验过程中我们分别让机械尺蠖以45梯形波、60梯形波和跨步方式向前运动，并测量其运动速度，发现与仿真结果有一定差异，并且在做跨步运动过程中尺蠖的稳定性有待提高。表格 3仿真与实际运动结果的对比速度45梯形波60梯形波跨步运动1跨步运动2仿真结果3.46cm/s5.90cm/s4.03cm/s6.64cm/s实际速度2.0cm/s4.6cm/s3.0cm/s4.3cm/s通过进一