仿生机器人设计-机器仿生设计人是谁-仿生机器人结构设计
系：机械工程学院专业：机械设计制造及其自动化
题目：四足仿生移动机器人结构设计
指导者：张副教授
评阅者：
2013年5月29日
毕业设计（论文）外文摘要
四足仿生移动机器人进行结构设计。此设计的机器人可远程遥控，也能全自主自动动作。它包含机体，机体上装有控制装置，还有由伺服电机带动的腿结构。腿结构分为髋关节、大腿长、膝关节、小腿关节、足端。通过四个伺服电机来控制四自由度变量，以此实现机器人的仿生移动。该移动机器人能够适应较为复杂且难以预测的非结构环境。在确保具备足够强度和刚度的情况下，需要对整体质量进行限制，这样做是为了减少驱动源的动力消耗，从而让机器人变得轻便且灵活。设计的机身总重为 15KG，它的腿结构材料选用了轻且坚固的 LY2 硬质铝合金。其平均机动速度大于等于 0.4m/s，机构自身具备 12 个自由度，运动起来十分灵活，越障性能和环境适应能力都比较强，在执行星球探测、战场侦察、排爆、灾难救援等较为复杂且高危的环境时，应用能力很强。
关键词：机器人四足仿生带传动
毕业设计（论文）外文摘要
Title：关于大腿、膝盖、脚等部位的相关内容。这些部位在人体结构中具有重要作用，它们相互配合，共同完成各种动作和活动。大腿是连接髋部和膝盖的主要部位，为身体提供支撑和力量。膝盖是连接大腿和小腿的关节，起到缓冲和稳定的作用。脚则是支撑身体重量、行走和运动的重要器官，它由多个骨骼、关节和肌肉组成，结构复杂而精细。
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目次
TOC\o"1-3"\h\z\u1概述-1-
1.1绪论-1-
1.2国内外研究现状及关键技术-1-
1.3本课题主要研究内容-5-
2四足仿生移动机器人的结构设计原则及要求-5-
2.1四足仿生移动机器人的总体方案确定-5-
2.2机器人机械结构及传动设计-9-
3电机的确定-13-
3.1各关节最大负载转矩计算-13-
3.2机器人驱动方案的对比分析及选择-14-
3.3驱动电机的选择-15-
4.带传动设计-21-
4.1各参数设计及计算-21-
4.2带型选择及带轮设计-21-
5工作装置的强度校核-23-
5.1轴的强度校核-23-
5.2轴承的选型-25-
结论-26-
参考文献-27-
致谢-29-
1概述
1.1绪论
机械制造行业技术水平提高了，机械电子、计算机、材料等学科也在发展。这促进了机器人能应用到更广泛的行业领域。人类探索活动的广度和深度不断提升，这加速了机器人的发展与应用。
自然环境中约 50％的地形，轮式或履带式车辆无法到达。这些地方包括森林、草地湿地、山林地等地域，这些地域拥有巨大的资源。要探测和利用这些资源，同时要尽可能少地破坏环境。足式机器人凭借其固有的移动优势，成为野外探测工作的首选。此外，在海底和极地的科学考察和探索中，足式机器人也具有明显的优势。因此，足式机器人的研究得到了世界各国的广泛重视。现研制成功的足式机器人包含 1 足系列、2 足系列、4 足系列、6 足系列以及 8 足系列等。同时，对于大于 8 足的研究相对较少。
马、牛、驴、骆驼等四足动物曾长期作为人类的主要交通工具，它们凭借优越的野外行走能力和负载能力，自然成为人们研究足式机器人的重点仿生对象。所以，四足机器人在足式机器人中所占比例很大，一直以来也都是国内外机器人领域的研究热点之一。
四足移动机器人是机器人的一个极其重要分支。它相对两足步行机器人，承载能力较强，稳定性较好，并且结构比六足、八足步行机器人简单。因此，它深受各国研究人员的重视。在四足移动机器人中，足结构是其重要机构之一，其设计是机器人设计的关键。如果设计得当，能大大简化机器人的控制方案，使机构更加简单。有学者认为：从稳定性方面考虑，四足机具有优势；从控制难易程度方面考虑，四足机也较为合适；从制造成本方面考虑，四足机同样具备优势。综合这些方面来看，四足机是最佳的足式机器人形式。并且，四足机器人的研究具有实用价值，也具有社会意义。
1.2国内外研究现状及关键技术
1.2.1国内外研究现状
日本在四足机器人研究领域成果显著。其中，最具创新性的成果是电气通信大学研制成功的一种控制策略。这种控制策略采用了基于神经振荡子模型 CPG。CPG 是足式机器人近 10 年来在控制方面取得的最具突破性的成果。反射机制通过传感器信号的反馈，来对 CPG 的周期和相位输出进行改变。机器人可以实现对不规则地面的自适应动态步行。这显示出生物激励控制具有对未知的不规则地面有自适应能力这一优点。
美国的四足机有典型代表，这个代表是卡耐基美隆大学研制的。它的外形和比例很像一条凶猛的猎犬，是仿生机器人中很像仿生对象的机器人之一。它能够在泥泞地面或粗糙的瓦砾地面以不同步态自如行走，最大负载为 52KG，具有很强的野外行走能力。它的最大特点在于，即便遭受剧烈的侧面冲击，依然具备良好的机体平衡能力，能够保持平衡而不会倒下，这从图 1 中可以看出。目前已经计划对四足移动机器人进行深入研究，以使其性能能够实现多种动态移动，像平衡、行走、爬行、奔跑等，并且让它在多方面达到一个新的高度，具备识别粗糙地形的能力、运载货物的能力以及自主控制的能力等。
图1 美国卡耐基美隆大学研制的
加拿大大学智能机器中心机器人技术实验室研制了两代四足移动机器人，分别是 Scout-I 和 Scout-II。Scout-I 的每条腿只有 1 个自由度，髋部也仅有 1 个驱动器，主要用于行走控制。它的机械结构较为简单，但具有良好的动态稳定性，如图 2 所示。而自主型奔跑机器人 Scout-II，髋部同样只有 1 个驱动器，只需改变前腿和后腿的触地力矩以及触地角度这 4 个参数，控制两个自由度的变量，就能够控制机器人的运动，如图 3 所示。
图2 Scout-I图3 Scout-II
1998 年，BISAM 四足机器人是由德国开发的。这个机器人的主要结构包含头部、4 条腿以及主体。它的总重量是 14.5kg，内部装配有立体摄像头、处理器、微控制器以及电池。
法国的 ()大学也研制成功SILO4系列四足机器人。
韩国设计出了一款四足爬墙机器人 - III ，它能够从地面行走至墙壁，并且已经完成了相关试验。
同时也积累了丰富的研究经验。
70 年代开始进行非常规行走机构的研究，吉林工业大学的陈秉聪教授和庄继德教授分别带领两个研究小组开展研究。1985 年，一台步行机耕船台车试验成功，它具有两条平行四边形腿，主要用于无硬底层的水田耕作，并且在土槽中表现出较高的牵引效率。
1991 年，上海交通大学的马培荪等成功研制了 JTUWM 系列四足步行机器人。JTUMM—III 仿制马腿，具有 3 个自由度，其各个关节的运动由直流伺服电机分别驱动。此弹性步行机构起到缓冲和储能的作用。
1989 年，在张启先教授的指导下，北京航空航天大学的孙汉旭博士开展了刚性足步行机的研究。他试制成功了一台四足步行机，并且对其进行了步行实验。
清华大学机器人及智能自动化实验室正在开展对 QW - 1 四足全方位步行机器人的研制工作。
哈尔滨工业大学在分析现有地面移动机器人的特点以及其结构形式之后，提出了名为 HIT - 的轮足式四足移动机器人的概念模型。四个独立驱动的轮代替了原本具有 3 个自由度的轮腿机构，从而构成了 2 个自由度的髋关节以及 1 个自由度的膝关节。轮式机器人和足式移动方式能够根据环境的需求进行切换。该模型具备足式机器人和轮式机器人的优点。轮式运动方式和足式运动方式会依据不同的环境进行变换。通过这种变换，能够实现较高的移动速度与良好的运动灵活性的统一。如图下 4 所示。
图4HIT-
1.2.2机器人研究的关键技术
运动稳定性研究和步态规划
行走稳定性是研究足式机器人的一个基本问题，步态规划是另一个基本问题，二者不可分割。四足式机器人能够满足三点支撑，所以容易保证静态稳定性，而其难点在于如何实现动态稳定性。
https://img2.baidu.com/it/u=1944130677,1539378795&fm=253&fmt=JPEG&app=138&f=JPEG?w=500&h=500
在四足机的步态规划方面，目前研究较多的步态方式是对马等四足动物行走的典型步态进行模仿，其中包括爬行、对角小跑、溜蹄，还有跳跃、定点旋转、转向等。这几种步态在实验室条件下都有成功的试验记录。标准步态相对容易实现。现阶段，大量文献研究的是这几种标准步态及其转换的规划和控制问题。其中包括爬行步态（crawl）的规划与稳定性控制，如所述；还有对角小跑稳定性步态规划控制（trot），如所涉及；以及溜蹄（pace）步态规划控制等。
跳跃步态稳定性与步态规划
奔跑是足式机器人快速移动所必需的一种步态。机器人要越过大于等于自身大小的障碍物时，一般的移动方式难以做到，而动物借助跳跃步态能轻松越过较大障碍。此外，在月球、火星等外太空微重力环境下，跳跃式前进在效率方面具有明显的相对优势。目前对于四足机步态的研究中，跳跃步态的研究是最具挑战性的难点问题，原因在于：
需要对复杂的机体和腿机构的协调动作进行控制，并且腿机构的摆动惯性力对机体姿态的动力学性能产生了明显的增大影响，使其成为系统中不可忽略的动力学因素。
腿机构的缓冲装置是不可或缺的。如果没有它，机体的关节就会受到很大的冲击力。这样一来，关节和驱动元件有可能会被损坏。
跳跃步态需要更大的瞬时驱动力。现有的腿机构的驱动元件，其功率密度还无法达到设计要求。而解决跳跃步态的一个有效方法是仿生学的应用。
腿机构的设计：
腿机构是足式机器人的重要部件，其自由度数与工作空间构成了足式机器人可实现可能步态的几何基础；同时，足的布局形式以及腿的质量，都对稳定性和步态有着较大的影响。要让足式机器人在野外环境中顺应行走，就对腿机构有特殊的要求。
行走效率及便携式能源：
在运动时各关节的关节角处于不断变化状态，力或力矩的传递效率平均下来比较低。行走速度和负载关系很大。腿机构的效率以及能量利用率现今依然很低。高效的动物腿机构为研究提供了良好借鉴，然而机器人各关节的驱动方式与动物有很大差异，动物的肌腱肌肉都是具有弹性的储能元件。机器人的腿机构是刚性连接的，关节也是刚性连接的。这种刚性连接不但无法储能，而且由于触地时的冲击，会消耗掉大量的能量。许多学者正在对这一问题进行研究。
控制系统及控制方法：
机器人与环境交互时，存在环境识别、导航、轨迹规划等移动机器人的共性问题，这导致控制系统相当复杂。四足机器人在控制任务方面存在的困难在于，行走控制需要多个子系统密切配合，才能完成复杂的任务。
1.3本课题主要研究内容
本课题首先了解移动机器人的现状，接着分析各种机器人的结构特点，然后拟定总体方案，最后进行四足仿生移动机器人的结构设计。利用三维软件来绘制新型的四足仿生移动机器人。因为机器人的结构设计是硬件设计的重要环节，所以要通过对四足仿生机理的研究，综合考虑需要实现的功能以及其他因素，从而设计出质量小且运动灵活的四足仿生机器人单腿结构。
2四足仿生移动机器人结构设计原则及要求
2.1四足仿生移动机器人的总体方案确定
腿结构对于足式机器人的设计至关重要。腿机构的自由度数以及工作空间，构成了机器人能够实现步态的几何基础。并且，腿的空间布局以及质量，对机器人的稳定性和步态规划都有着很大的影响。
要实现复杂环境的顺应行走，对腿机构提出了基本的要求：
(1)实现运动的要求；
(2)承载负载的要求；
(3)机构实现和控制能力的要求。
腿机构的设计准则是：
腿机构的自由度至少应该为 3 个，并且足端要具备一个立体的三围工作空间。
处于支撑状态的足端相对于机体可进行直线运动，这样能避免因机身上下波动而消耗不必要的能量。
(3)要有足够的刚度且质量应尽量小
自由度分析
根据仿生学，腿结构通常被分为髋关节、大腿、膝关节、小腿、腕部这几个部分。髋关节具备实现水平旋转和俯仰的两个自由度。膝关节的作用是实现俯仰。为了让整条腿具有较好的灵活度，并且有利于整体的稳定性控制，所以采用了两个自由度。腕部则实现俯仰的一个自由度。
综上拟定每条腿有5个自由度的四足仿生机器人，结构简图如下。
图5 结构简图
总体方案的确定初步选定整体尺寸：长900mm宽高750mm
采用带驱动系统，这样可以起到限制过载转矩以保护设备的作用，同时还能输出恒定转矩，方案示意如下图 6、图 7。
图6方案示意
1、腿2、从动带轮3、带固定点4、齿轮5、齿轮26、带1
7、齿轮38、惰轮9、齿轮4
10、带211、驱动带轮12、蜗轮
13、蜗杆14、电机115、减速
16、电机217、齿轮518、齿轮6
19、减速器20、电机321、机体
图7 方案示意图
22、带固定点23、从动带轮24、带3
25、惰轮26、带427、惰轮
28、带529、电机4
2.2 机器人的主要性能参数
2.2.1技术指标：
(1)平均机动速度：≥0.4m/s
(2)爬行能力：野外各种复杂地面
(3)操作方式：遥控
(4)动力特性：电池
2.2.2足末端工作空间计算
建立如图8所示坐标系
图8 坐标系
由前置坐标系求取末端空间位姿
列变量表
连杆扭角连杆长度a连杆间距D转角变量
0150
04500
01500
04500
T =
可得腿部末端的空间位置为（X,Y,Z）
2.2.3材料选择
https://img0.baidu.com/it/u=4244004616,552907624&fm=253&fmt=JPEG&app=138&f=JPEG?w=628&h=759
按工作要求，四足仿生移动机器人需实现全方位行走，还要适应复杂地形。在保证足够强度和刚度的前提下，要对整个腿的质量进行限制，减少驱动源的动力消耗，让机器人变得轻便灵活，这就要求用足轻且坚固的 LY2 硬质铝合金作为腿结构材料。
2.2.4其他技术参数的拟定
(1)其腿部结构尺寸为：
髋关节长度：l1=150mm;
大腿长度： l2=450mm
膝关节长度：l3=150mm;
小腿关节长度：l4=450mm；
足长：l5=100mm
(2)其腿部质量参数为：
单腿质量：1KG
极限夹持重量：1.5KG
髋关节质量：m1=0.15KG
大腿质量 ：m2=0.3KG
膝关节质量：m3=0.15KG;
小腿关节质量：m4=0.3KG
足质量：m5=0.1KG
2.3机器人机械结构及传动设计
本设计有其要求，同时参考了国内外四足仿生移动机器人的典型结构，然后对各个回转关节的传动方案和结构进行了初步的单独分析。
2.3.1机器人腰部回转关节设计
腰部外侧安放着一个驱动电机 1 。这个驱动电机 1 用于驱动内部的齿轮 2 和齿轮 3 组成的传动装置。通过这一传动装置，实现了竖直主轴 4 的转动。而竖直主轴 4 的转动又使得大腿 5 、小腿 6 等工作部分具备了旋转自由度。如图 9 所示的腰部设计，其内部存在这样的传动方式。
图9腰部传动设计
驱动电机、齿轮、齿轮、竖直主轴、大腿、小腿。 驱动电机在其中起到驱动作用。 齿轮有两个。 竖直主轴是重要的部件。 大腿和小腿构成下肢部分。 齿轮与其他部件相互配合。 驱动电机通过齿轮等带动竖直主轴等部件运转。 大腿和小腿的动作由相关部件控制。 齿轮在整个结构中起着传递动力等作用。 竖直主轴支撑着其他部件。 大腿和小腿的形态影响着运动表现。 齿轮的质量等因素影响着系统性能。 驱动电机与齿轮协同工作。 竖直主轴与大腿、小腿等有特定的关联。 齿轮的数量和位置对系统有影响。 大腿和小腿的运动离不开这些部件的配合。 驱动电机的动力经由齿轮传递到竖直主轴等。 齿轮的运作影响着大腿和小腿的动作。 竖直主轴为大腿和小腿的运动提供基础。 大腿和小腿的结构与齿轮等部件相关。 驱动电机和齿轮共同推动系统运行。 竖直主轴与其他部件一起构成完整体系。 齿轮的特性影响着整个系统的运作。 大腿和小腿的运动通过这些部件实现。 驱动电机通过齿轮与竖直主轴相连。 齿轮的存在保障了系统的正常运行。 大腿和小腿的配合依赖于齿轮等部件。 竖直主轴在系统中具有重要地位。 齿轮与大腿、小腿的运动密切相关。 驱动电机的动力经由齿轮传递给大腿和小腿。 齿轮的工作状态影响着系统的稳定性。 大腿和小腿的动作由齿轮等带动。 竖直主轴与其他部件共同完成特定功能。 齿轮的数量和类型影响着系统的性能。 大腿和小腿的结构与齿轮等相互作用。 驱动电机和齿轮一起为系统提供动力。 竖直主轴与其他部件协同工作。 齿轮的运作影响着大腿和小腿的运动轨迹。 大腿和小腿的配合通过齿轮等实现。 驱动电机通过齿轮带动竖直主轴和大腿小腿。 齿轮的质量等对系统的影响不可忽视。 大腿和小腿的运动与齿轮等紧密相连。 竖直主轴与其他部件一起构成系统的骨架。 齿轮的特性决定着系统的运作方式。 大腿和小腿的结构与齿轮等相互依存。 驱动电机和齿轮共同驱动系统运转。 竖直主轴与其他部件一起保障系统的正常运行。 齿轮的工作影响着大腿和小腿的运动效果。 大腿和小腿的配合借助齿轮等部件完成。 驱动电机通过齿轮与竖直主轴及大腿小腿相连。 齿轮的存在对系统的稳定运行至关重要。 大腿和小腿的运动与齿轮等息息相关。 竖直主轴与其他部件一起构成系统的核心。 齿轮的特性影响着整个系统的运行效率。 大腿和小腿的结构与齿轮等相互影响。 驱动电机和齿轮共同为系统提供动力支持。 竖直主轴与其他部件一起确保系统的稳定运行。 齿轮的工作状态影响着大腿和小腿的运动表现。 大腿和小腿的配合通过齿轮等部件得以实现。 驱动电机通过齿轮带动竖直主轴以及大腿小腿的运动。 齿轮的质量等因素对系统的影响不可小觑。 大腿和小腿的运动与齿轮等紧密结合。 竖直主轴与其他部件一起构成系统的基础架构。 齿轮的特性决定着系统的运行模式。 大腿和小腿的结构与齿轮等相互关联。 驱动电机和齿轮共同推动系统的正常运行。 竖直主轴与其他部件一起保障系统的稳定运行状态。 齿轮的工作影响着大腿和小腿的运动稳定性。 大腿和小腿的配合借助齿轮等部件得以完成。 驱动电机通过齿轮与竖直主轴和大腿小腿的运动紧密相连。 齿轮的存在对系统的稳定运行起着关键作用。 大腿和小腿的运动与齿轮等紧密相关。 竖直主轴与其他部件一起构成系统的关键部分。 齿轮的特性影响着整个系统的运行效能。 大腿和小腿的结构与齿轮等相互作用影响。 驱动电机和齿轮共同为系统提供动力保障。 竖直主轴与其他部件一起确保系统的稳定运行状态。 齿轮的工作影响着大腿和小腿的运动质量。 大腿和小腿的配合借助齿轮等部件得以实现良好效果。
2.3.2机器人大腿和小腿转动关节设计
在大腿与肩部连接的关节处安装一个驱动电机 7 。驱动电机 7 带动与之相连的蜗轮 8 进行旋转。蜗轮 8 旋转后，进而带动与蜗杆 8 啮合的蜗轮 9 旋转。蜗轮 9 旋转使得与之相连的轴 10 旋转。最终通过这样的方式转动大臂 5 。机构设计如图 10 大臂传动设计。小臂与大臂通过膝关节相连接。大腿上安装有电机 11，电机 11 带动带轮 12 进行旋转。用一根圆带 13 连接带轮 14。带轮 14 与膝关节通过键连接，以确保它们无相对旋转。当电机旋转时，膝关节与大腿就会产生相对转角。齿轮 15 借助轴 16 和键固定在大腿上。膝关节与大腿的相对转角经由齿轮 17、18 传递给 19。齿轮 19 与小腿不存在相对运动。如此一来，小腿跟膝关节就会产生一个与膝关节跟大腿相同大小的相对转角。并且由于齿轮传动的变相性，小腿与膝关节的旋转方向是一致的。设计如 11 所示的小腿传动设计。
图10 大腿传动设计
7-电机8-蜗轮 9-蜗杆10-传动轴
图11小腿传动设计
还有 15、16、17、18 这些齿轮
2.3.3机器人腕部活动关节的设计
设计机器人手腕自由度数时需依据作业需要来确定。若要使机器人各关节的运动角度越大，那么手腕自由度数目就应越多，这样机器人的灵活性就会越高，在作业中也会表现出更强的适应能力。与此同时，腕部结构的复杂性会随着自由度的增加而提升，机器人的控制也会更困难，从而导致其成本增加。所以要依据实际作业需求来明确手腕的自由度数。在能够满足作业要求的情况下，要尽量减少自由度数。通常的机器人手腕有 2 到 3 个自由度，有的需要更多自由度，而有的则不需要自由度，完成作业任务要求仅靠腰部和臂的运动就可以做到。所以需要针对具体问题进行具体分析，要考虑四足机器人的运动方案以及多种布局，从中挑选出最简单的方案并且让这个方案满足要求，综合来看，该四足仿生移动机器人的腕部采用一个自由度。
机器人腕部位于足式机器人手臂的末端。在设计过程中，要尽量让手腕的体积变小且重量减轻，让其结构变得紧凑。腕部机构采用分离传动驱动器，这样能减轻机器人腕部的重量。腕部驱动器不进行直接驱动，通常是在手臂上安装驱动器，并且使用铝合金等强度高的材料来制造。
机器人的末端执行器需联在手腕上，因此需要有标准的法兰联接，这样在结构方面能使末端执行器装卸变得简便。
机器人的手腕机构在力与运动传递的过程中，需要体现出足够的刚度和强度，这样才能保证其动作得以实现。
为了减小空回间隙，并且提高传动精度，应当设置具有可靠性能的、用于传动间隙调整的机构。
为防止因超限而导致机械出现损坏，在各个关节轴的转动位置需要安装限位开关，同时还要设置硬性的限位。
综上腕部结构及传动初步设计如下：
图12腕部转动设计
传动电机；带轮；带；带轮；带；带轮；带；带轮；圆柱直齿轮；圆柱直齿轮；传动轴；手腕部分
电机 20 的旋转驱动带轮 21 ，通过带 22 把动力传递给带轮 23 ，带轮 23 再通过带 24 把动力传递给带轮 25 ，带轮 25 又通过带 26 把动力传递给带轮 27 ，带轮 27 最终将动力传递给齿轮 28 ，与之啮合的圆柱直齿轮 29 开始旋转，圆柱直齿轮 29 带动传动轴 30 ，从而可以实现手腕部分 31 的旋转自由度，如图 11、12 腕部转动设计。此方案结构相对复杂，不过整体重量相对较轻，并且紧凑性更好，还能够自由选择电机类型。
图13腕部俯仰设计
带轮；圆柱直齿轮，有 28 和 29 两个；传动轴；手腕部分为 31。
3电机的确定
3.1各关节最大负载转矩计算
3.1.1运动状态分析
机器人的一个步态周期由四条腿依次进行“抬起——摆动——放下”的动作所构成。每条腿的“抬起——摆动——放下”动作，需要一个步态周期划分成若干个阶段与之相对应。要确保行走的稳定性，就需要合理地控制每条腿来实现。机器人的总重量 m 为 15KG，其重心位于机体中心。在行走过程中，是三腿承受重量，一腿迈步。单腿承受的力大约为 F>=75N。
3.1.2 负载转矩的计算
腿撑地时负载转矩的计算
L=/2=2012.46mm
撑地状态时最大负载转矩分析
受力分析：G
（L2+L3’）
F1F2
弯矩分析：y
则髋关节最大负载转矩 = =41.7N.m
此时膝关节最大负载转矩=7.95 N.m
抬腿至水平时负载转矩的计算:
抬腿至水平时状态如右图
此时弯矩图如右：
M2’=G1’+
M3=G3+=1.
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