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蜘蛛侠仿生机器人说明书

"蜘蛛侠"仿生机器人设计说明书

参赛者:

江晓通

李江全

张其

指导老师:

何毅斌

洪汉玉

所在学校:

武汉工程大学

目录

第一章引言3

1.1研究背景3

1.2国内外研究成果3

第二章仿生蜘蛛机器人的结构设计3

2.1设计的功能要求及分析3

2.2总体设计3

2.2.1结构分布3

2.2.2仿生蜘蛛机器人尺寸3

2.3详细设计4

2.3.1普通步行足4

2.3.1.1结构4

2.3.1.2驱动5

2.3.1.3减震器8

2.3.2多功能复合足9

2.3.2.1结构9

2.3.2.2驱动10

2.3.2.3复合足和减震器10

2.3.3躯干及外壳10

第三章步态分析及控制方案11

3.1蜘蛛的步态研究11

3.2控制方案13

第四章仿生蜘蛛机器人尺寸与性能分析14

4.1动作能力分析14

4.2设计合理性14

4.2.1驱动部分14

4.2.2机构原理14

4.2.3结构与强度14

4.2.4重量16

4.3设计可行性16

4.4创新性16

参考文献18

第1章引言

1.1研究背景

在如今的科技飞速发展的时代，机器人早已成为家喻户晓的科技产品，它被广泛的应用于各种场合和领域，像生产业、建筑业，或是危险的工作环境。

而将仿生学的一些技术应到机器人上做成的仿生机器人则能够在某些方面的更好的服务于人。

1.2国内外研究成果

在机器人领域发展最好的应该是美国、日本了。

美国的仿生军用机器狗做的已经很成熟了，能够行走在各种不同地形，草地、雪地、山地等都能够平稳的行走，其自平衡能力允许它受到一定的冲击却仍能马上调整好身体而继续平稳行走。

日本的仿生机器人也十分的先进。

国内的机器人也在迅速的发展，一些仿生机器人也能够在自己的领域发挥它独特的功能。

第2章仿生蜘蛛机器人的结构设计

2.1设计的功能要求及分析

通过对蜘蛛结构和行为的研究，设计的仿生蜘蛛机器人可以用于多种场合。

其主要技术问题在于让机器人能够灵活的完成行走、转向、越障、爬坡等基本动作，同时还必须具有抓取物体、打钻等功能，也有视频、照明、太阳能电池板等设备增强功能。

2.2总体设计

2.2.1结构分布

蜘蛛机器人主要由躯干和八条腿组成。

模仿蜘蛛的八条腿的布局方式，设计了如图1的装配布局。

每条腿都有足够的活动空间，互不干涉，为其运动灵活性提供了可能。

其中，后三对腿为普通步行足，一对前腿为多功能复合足，左前腿具有抓取的功能，右前腿具有钻的功能。

另外躯干上装有视频、照明、太阳能电池板，躯干尾端留有一个储物空间。

2.2.2仿生蜘蛛机器人尺寸

躯干的宽度为250mm，长度为450mm。

整个机器人的占地面积约为0.5

。

单只腿的最大长度约为320mm，最小总长度约260mm，最大跨越高度约为80mm。

图1

2.3详细设计

2.3.1普通步行足

2.3.1.1结构

蜘蛛机器人的普通步行足模仿蜘蛛的腿的结构，分为四个肢节、四个关节，如图2。

从上到下依次为根关节、基节、髋关节、股节、膝关节、胫节、胫关节、足。

图2

根关节是连接躯干和腿的部位，是一个转动副，有水平转动自由度；髋关节是连接基节和股节的部位，是一个转动副，有竖直转动自由度；膝关节是连接股节和胫节的部位，是一个转动副，有竖直转动自由度；胫关节是连接胫节和足的部位，是一个转动副，有竖直转动自由度。

2.3.1.2驱动

基节和躯干的相对水平转动自由度由如图3所示的机构控制，其中是1电动机，固定在机架4上，2是谐波减速器，将电动机的输出速度减小，3是端面推力球轴承。

图3

基节和股节的相对竖直转动自由度由如图4所示的机构控制，其中是液压杆组合，液压杆杆套连接基节，液压杆杆轴连接股节。

图4

股节和胫节的相对竖直转动自由度有如图5所示的机构控制，其中实液压杆组合，液压杆杆套连接股节，液压杆杆轴连接胫节。

图5

足和胫节的相对竖直转动自由度由如图6所示的机构控制，其中是1电动机，固定在足上，2是谐波减速器，将电动机的速度减小，3是齿轮组合，将转矩输出。

图6

2.3.1.3减震器

为了缓冲行走时足和地面的刚性碰撞，在足上添加了液压减震器，如图7。

减震器杆和分油挡板在减震器套内，套内装有液压油。

当受到较大的冲击时，液压减震器套内的一侧的液压油通过分油挡板进入到另一侧来改变自身长度，从而到达缓冲的作用。

图7

2.3.2多功能复合足

2.3.2.1结构

蜘蛛机器人的多功能复合足和普通步行足一样，分为四个肢节、四个关节，如图8。

从上到下依次为根关节、基节、髋关节、股节、膝关节、胫节、胫关节、复合足。

各个关节的作用均和普通步行足一样。

图8

2.3.2.2驱动

基节和躯干的相对水平转动自由度的控制和普通步行足一样，如图3。

基节和股节的相对竖直转动自由度、股节和胫节的相对竖直转动自由度、复合足和胫节的相对竖直转动自由度，均由电动机驱动，并由谐波减速器进行降速，经过齿轮组合再输出，如图6。

2.3.2.3复合足和减震器

复合足在有两个足，在行走是可以使用和普通步行足一样的足来行走，在执行任务时，可以转为为功能足，左足为抓手，右足为钻头，均采用液压驱动。

同时，步行或执行任务时，都有减震器来进行缓冲。

如图9。

图9

2.3.3躯干及外壳

躯干底板上固定有控制腿水平转动自由度的电动机。

另外液压油泵也安装在上面，用来提供液压杆的动力。

躯干尾端的储物室又可以开启的门，用来存放相关的物品。

也装有可伸缩的摄像头。

如图10.

图10

躯干外壳上装有太阳能电池板，可以将太阳能转化为电能供机器人使用。

另外外壳上也装有照明装置，可以在黑夜中工作。

如图1。

第3章步态分析及控制方案

3.1蜘蛛的步态研究

蜘蛛行走方式比较自由，有时候用的双四足步态，有时候是等相位步态。

地形环境不同，蜘蛛步态并没有很确定的用一种固定的周期步态。

由于双四足步态（波形步态）与等相位步态、后退波形步态、自由步态相比，是效率最高和稳定性最好的步态（见表1的分析），所以在行走时蜘蛛机器人采用了双四足步态。

把蜘蛛机器人的腿分为两组，如图12，行走时同位一组的四条腿动作一样，并与另一组的腿相协调，当第一组腿抬起时，第二组腿是着地的，如图13，白色代表腿是悬空的，黑色代表腿是着地的。

具体行走方案为，第一组腿抬起，向前摆动，落下，第二组腿抬起，第一组腿向后蹬，第二组腿向前摆动，落下，第一组腿抬起，第二组腿向后蹬。

如此循环下去即所谓的双四足步态。

表1

图12

图13

当蜘蛛机器人的两只多功能复合足处于工作状态时，机器人也可以用后三对普通步行足行走，此时采用三角步态。

三角步态也属于波形步态。

这里对三角步态的原理不再详细说明。

3.2控制方案

由于蜘蛛机器人的每只腿都是可以单独动的，而每只腿之间应该有双四足步态的配合，因此采用芯片来控制每只腿上的每个驱动，是每只腿能够完成抬脚、落脚、向前摆动。

向后蹬的动作。

可以在芯片内设置一个向前行走的程序模块，让仿生蜘蛛机器人可以用双四足步态或三角步态向前行走；同时也可以设置向左转、向右转的程序模块，机器人可以进行左、右转弯；另外设置一个自动或手动控制的程序模块，当自动行走时，能够通过摄像头判断路况来自己选择直走还是转弯，当手动操作时，根据操作者的要求做出相应的判断；在手动模式下可以设置一个工作程序模块用于对多功能复合足的控制，从而完成相关的功能；也可设置一个越障模式，对一定高度的障碍物直接越过。

控制原理图如图14。

图14

第四章仿生蜘蛛机器人尺寸与性能分析

4.1动作能力分析

由于仿生蜘蛛机器人的每只腿是可以单独的抬起、落下、向前摆、向后蹬的，每个关节都有其相应的自由度，每只腿的总自由度为四个。

所以其灵活性十分好，能够根据需要进直走、转弯、越障等动作，只要能设置好芯片的程序，蜘蛛机器人能完成各种不同的行为动作。

而恰当的选择了液压泵和电动机共同驱动，使得动作稳定准确而快速。

4.2设计合理性

4.2.1驱动部分

仿生蜘蛛机器人的每只脚的驱动有四个部分，两个液压驱动，两个电动机驱动。

液压驱动有很多特点：

传动功率大，低速、平稳。

在速度满足机器人的动作要求的情况下，使用液压驱动能够承载更重的机器人，同时不需要减速就可以满足要求，而其工作十分平稳，不会对机器人的行走造成干扰；另外其传动布置灵活。

由于液压管的布置可以很自由，所以在布置液压管和油泵的时候很灵活，利于设计。

但液压驱动的成本高，在满足功能要求的情况下，采用了部分电动机驱动。

并采用的谐波减速器来进行传动。

谐波齿轮传动具有较大传动比且体积小、重量轻、结构简单、承载能力大、传动平稳等特点。

因此在胫关节和根关节出采用电动机加谐波减速器的方式驱动也是十分合理并且有效的。

4.2.2机构原理

液压驱动中的采用了单杆活塞式液压缸结构（即图4、图5中的机构）。

该机构的应用相当于一个曲柄滑块机构，能够有效的将液压杆的滑动转变为肢节的的转动。

因此，单杆活塞式液压缸结构的应用是十分合理并且高效的。

4.2.3结构与强度

通过用inventor的应力分析得到如下的报告。

采用的材料有球墨铸铁、合金钢、钢（高强度低合金）、低炭钢、炭钢。

图15单腿应力分析

图16单腿位移分析

图17单腿等效应变分析

由以上分析可得，仿生蜘蛛机器人的单腿能承受的强度是复合要求的。

4.2.4重量

整个机器人采用空腔式布局。

对腿上的肢节也是尽量在满足强度的情况下节省材料，改变外型，减小厚度，从而使重量更轻。

4.3设计可行性

仿生蜘蛛设计所涉及的技术主要有液压传动与控制、谐波减速器设计、单片机控制等。

这些技术都十分的成熟，完全可以用于仿生蜘蛛机器人的设计。

另外太阳能电池板的应用也提供了一种能源获取方案，摄像头、照明设备也完全可以在仿生蜘蛛机器人上发挥它们各自的作用。

4.4创新性

蜘蛛机器人大胆的采用了液压泵和电动机相相结合的驱动方式，并且合理的布置了液压杆的位置，既能够完成动作要求，又很美观。

为了节约成本，并没有全部用液压驱动，电动机加谐波减速器的组合也是很理想的驱动原件。

从而使动作灵活准确。

在足的部位采用了液压减震器，能够缓冲地面的刚性碰撞。

机器人本身有一定的重量，长期的刚性碰撞肯定会减少其使用寿命，加入减震器是很有必要的。

将足尖底部设计成一个小圆平面，然后用曲面过渡到足的上部。

这样的足不会陷进一些较软的地面环境，而抓地力也很强，能够完成一定坡度的爬坡和一定高度的越障。

另外，足上的护板对足也有一定保护作用。

为了能够满足一些功能要求，将两只前腿设计成了多功能复合足，除了正常行走之外，还有打钻和抓取的功能，为机器人的进一步开发提供了可能，可以让其应用于更广阔的领域。

采用芯片的控制方案也让机器人有很自由的动作行为，既可以采用双四足步态行走，又可以采用三角步态行走。

对转弯、越障、爬坡也容易控制。

参考文献

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哈尔滨工程大学.2008:

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浙江大学.2008：

12-13.

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高等教育出版社.2006：

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【5】王积伟.章宏甲.黄谊.液压与气压传动[M].北京:

机械工业出版社.2005：

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【7】马燕.杨海.一种关节齿蜘蛛支腿[Z].实用新型专利.2010-6：

1-2.