环保用单驱动步行机器人挂载平台设计说明书新.docx

仿生单驱动步行机器人挂载平台（上海工程技术大学机械工程学院，上海市，201620）摘 要：通过实验设计一种仿生的步行机器人模拟动物在草地上的行走模式，各腿由四杆机构与交叉平行四边形铰接而成，以机构输出点作为足部，四足交替实现步行。在此步行机器人背部可安装平台，平台上可安装操作手、喷洒、施肥等装置，帮助甚至替代工人完成绿化草地的养护工作，减少了农药对工人的危害，实现环保作业，提高工作效率；同时减少工人机械式的重复劳动比如施肥、浇水、洒农药等，节约人力资源。另外，该步行机器人能够在非结构环境空间实现行走功能，具有广阔的应用领域，诸如农业机械、草地养护、交通运输、军用侦查等领域。关键词：单驱动 多环境空间 仿生步行机器人 引言21世纪以来，城市生态环境越来越被人们重视，绿化面积也已经成为了衡量一个城市发展程度最重要的指标之一。而所有的城市绿化中，草地所占的面积最大也是最为重要的一个部分，但是草地的养护却十分复杂，并且养护草坪的人力成本很高。经过观察后我们发现，工人的劳动比如施肥、浇水、洒农药等都是机械式的重复劳动。由此，本组设想能否使用一种仿生机器人来帮助甚至是替代工人完成养护工作。1 研制背景及意义1.1作品背景 在草地上工作装置必须先解决在草地上移动方式的问题，若使用履带（如图1）或者轮子（如图2），由于它们的触地面积较大并且在移动时对地面造成的滚动摩擦会对草地上的小草有碾压作用，长期使用可能造成不可修复的破坏。因此，希望能设计一种模拟动物行走方式的步行机器人去模拟人或者动物在草地上行走的模式，以尽可能的减少对草地的伤害。并且以步行机器人作为平台，可搭建或拖曳自动化设备，帮助工人完成其中一些机械性、重复性的工作；该四足机器人还可挂载不同的智能装置以完成其他功能，如小区巡逻、野外探险以及侦察等。 图1 履带在草地上工作状况 图2 轮子在草地上工作状况1.2国内外研究概况调研发现，多步仿生机器人是机器人研究领域最为先进的对象之一，国内外很多的大学与机构都在研制相关产品，比如波士顿动力公司研发的“大狗”运输机器人，以及其他的诸如六足蜘蛛机器人（如图3），仿人型双腿机器人等。研究这种机器人的目的意义不仅仅为了使机器人能够模仿动物的行走，更多是为了在车轮或履带无法通过的非结构环境空间（如草地，农田、山区、地震废墟等）进行行走。图3 六足蜘蛛机器人但是令人遗憾的是，人们很难将这些仿生机器人应用到日常的工作与生活中去。究其原因，主要是此类步行机器人大部分都使用了多驱动的步行机构以及相应的复杂控制技术，应用范围小，操作难度大，且制作成本高。介于这些多驱动的机械其内部的机构原理过于复杂且普适性不强，本组决定本借助一些简单的连杆机构来设计出一些既能满足日常生活需要又能方便人们操作的仿生步行机器人，让其一方面能够做到行走、攀爬、越障，另一方面能够适应各种路况，如：凹凸不平的路面、极其光滑的冰面、松软的泥土等。实际生产中只需在它的平台上搭载诸如除草机、喷洒机、松土机等一些农业工具，就可以在草地与农田里作业，代替了工人和农民重复性的工作。并且，本小组希望能够以此作品来拓宽步行机器人的应用范围。2 设计方案2.1 机构结构的设计及性能分析大部分的步行机器人采用的是多个自由度的腿式机构，其腿部机构由多个关节构成，行走时每个关节需由电机独立驱动，多个电动机协调控制方能完成一个步态，虽然此类机器人灵活性较好，但是其成本昂贵。为了实现设计初衷，本发明利用多回路少自由度机构将曲柄的转动转化成为了机器人足部的步伐轨迹，通过传动装置联动实现各足交替跨步，取代了腿部机构多自由度独立驱动的步伐跨越方式。本步行机器人仅使用一个驱动电机就可以使机器人完成四足步伐的交替跨越，达到向前行走的目的。足部轨迹是决定步行机器人行走的关键部分。本设计采用了chebyshev连杆机构来模拟步行的移动轨迹。这是由于chebyshev机构的运动轨迹近似一条直线与半个椭圆的组合，但是当chebyshev连杆机构在模拟足部的运动轨迹时，即轨迹的上半部分近似为椭圆，下半部分近似为直线时其摇杆末端点d的工作平面处在机架位置的上方(如图4)。甚至若单独使用chebyshev机构就必须将其杆的尺度l放大以满足步距s的要求。（假设在chebyshev机构所能达到的步距s与其杆的尺度l之间设定为一个比例系数c，即：。为了增大比例系数c就需要运用到一种即能够放大轨迹又能够使整个机构的尺度l比较小的缩放机构。） 图4 chebyshev机构足部的运动轨迹 图5 环保步行机器人工作原理图本组就设想在chebyshev机构的连杆末端d处，串联一个交叉平行四边形机构来进行轨迹缩放以增加比例系数c。但是交叉平行四边形同时具有颠倒特性，导致工作点d的轨迹颠倒，所以我们将chebyshev机构以机架的连线做。这样，通过交叉平行四边形颠倒放大以后产生的轨迹就能够模拟人类在行走时足部的运动轨迹了(图5)。2.2机械结构的各杆杆长的确定步态模拟是步行机器人研制过程中最重要部分之一。本设计的步态模拟主要通过改进原chebyshev机构来实现的，该机构的特点是利用四杆机构连杆点轨迹封闭曲线，其封闭曲线由近似半椭圆与近似直线运动轨迹的组合，从而把曲柄的圆周运动转化成足部跨越的轨迹。这样，可以车身2侧曲柄相位相差180的机构并联驱动，实现出交替跨越的步态，以达到向前行走的目的。图6腿步机构工作原理图但是chebyshev机构所产生的步距与机器人尺度之比相对于多自由度步行机构，如仿生蟹型机器人来说较小。所以本设计在连杆串联铰接一个交叉平行四边形机构来实现chebyshev机构工作点的运动轨迹的放大，并且在串联了交叉平行四边形机构m点处增加位置调节功能。由于交叉平行四边形将b点轨迹颠倒的特性，我们将chebyshev机构镜像颠倒。所设计的行走机构其单腿机构运动简图如图6所示。由图6计算各杆长的理论设计： （1）参考机架由a点有式(2): （2）参考机架由a1点有式(3): （3） （4）将式（1）-式（3）代入式（4）得到和的表达式： （5）故有： （6）依据理论设计计算，参照了连杆机构的曲线图谱选取连杆参数，并进行仿真进行了杆长优化。通过inventor建模仿真模拟足部运动轨迹，如图7所示，最终选择图8所示的反平行四边形机构运动轨迹作为步行机器人挂载平台的实际轨迹。 图7 反平行四边形机构的参数优化仿真调试试验图8最终的反平行四边形机构的参数优化仿真用inventor渲染出的效果图如图9图9 机构效果图3机械结构设计合理性3.1所设计机器人机构特点3.1.1腿部机构及轨迹调节特性机器人的腿部结构由一个曲柄摆杆机构与交叉平行四边形机构串联铰接而成。在连杆延伸端处，串联铰接一个交叉平行四边形机构具有轨迹缩放特性，并且通过调整交叉平行四边形在车身横向、纵向的安装位置，可以改变其步距与轨迹相对于地面的倾斜角度，不仅改善了原有的chebyshev机构的局限性，也使得基于多回路连杆机构的步行机器人的实用性大大增加。由于交叉平行四边形同时具有颠倒特性，导致chebyshev机构的连杆延伸端的轨迹到交叉平行四边形行走杆末端的轨迹颠倒，所以我们将chebyshev机构以机架的连线为中心线进行颠倒，通过交叉平行四边形颠倒放大以后产生的轨迹就能够模拟动物行走时足部的运动轨迹。3.1.2各腿曲柄相对车身的初始位置通过安装在车身上的传动装置可以使四个足中的曲柄完成机械联动，既完成了四足的交替跨越，需将安装于车身同侧的腿机构曲柄初始相位角设置为相等，而车身两侧腿驱动机构曲柄的初始相位设置为互呈180度。按此曲柄配置可以使得处于对角线上两条腿的足部处于触地状态，另两只腿的足部处于跨越状态，实现该单驱动步行机器人行走功能。3.1.3步距调整实现转弯功能通过改变车体一侧的两个腿部机构中交叉平行四边型机构与平面四杆机构的机架横向位置，可以使得机构的左右两侧足部的步距大小产生差异，从而使得其车体的左右两侧产生差速。通过左右两足的差步运动可以使得机器人转向。3.1.4尺度参数优选首先查阅了李学荣的连杆曲线图谱，选取了一组合适轨迹。其曲柄、连杆、摆杆及机架间的长度比为1：4：4：3，其连杆延伸端长度与连杆自身长度之比为1：1。对于交叉平行四边形中杆件的尺度没有硬性的比例关系，以仿真效果最好为标准。3.2技术关键1）、主体以及主体装配机构：机器人的主体由一个折板，以及焊在折板上的六块支撑板构成。主体装配机构主要由固定电机的槽架与挡板以及固定传动装置的四个带座轴承构成。2）、主体传动机构：传动装置由一对伞形齿轮、同步带传动装置组成，仅用一个电机驱动实现动力传递转向，同步带轮及同步皮带啮合传动，该传动装置具有较高的传动精度，传动功率较大。3）、主体腿部机构： 其腿部由平面四杆机构与交叉平行四边形机构铰接串联而成的。其腿部机构的曲柄安装在传动轴上，并与主体的上支撑板铰接，交叉平行四边形机构的摆杆与下支撑板铰接。4）、主体腿部相位关系：安装于主体同侧的腿机构曲柄初始相位角相等，而主体两侧腿驱动机构曲柄的初始相位角互呈180度。5）、主体腿部轨迹调整装置：通过改变腿部机构中交叉平行四边型机构的摆杆位置可以改变整个腿部机构的步距与轨迹倾斜角度。6）、主体机构材料：要求所有组成部分材料材质轻、强度大、易加工。3.3主要技术指标行走速度：04.2 m/min；行走载体：平地，草地，泥地，人工草皮等；能够实现运动：行走、攀爬、转弯、越障、涉水电机转速：100prm（空转）；外形尺寸：1000*350*230 (mm)；自 重：6kg；可载重量：3kg6kg(若要加大负载则需要相应的加大电机的功率)。3.4可行性分析本次设计过程中搭建了二足（腿轮式）模型（如图9）与四足模型（如图10），经过多次试验，最终决定发现四足模型能更好实现仿生步态的模拟，目前我们已经优化了四足模型的参数和稳定性。完成建模仿真及实物制作后，作品的模型及实物照片见图11。 图10 二足（腿轮式）模型 图11 四足模型图12实物照片4 电路控制部分整个机械结构的动力来源于一个直流电机，所以只要实现对电机的控制就能控制仿生机器人的行动了。4.1控制设计思路直流电机只要能提供一定的直流就可以转动，改变电压极性可以改变转动方向，可以通过给直流电机提供脉冲信号来驱动它，脉冲信号的占空比可以影响到直流电机的平均速度，因此可以通过调整占空比从而能实现调速的目的。直流电机的驱动电路要有过流保护作用，图中的二极管就直到这个作用，另外电机的驱动电流是比较大的所以需要用三极管来放大电流。程序的关键就是如何实现占空比的调整，这个可以通过对51单片机定时器重装初值进行改变，从而改变时间。图13 驱动电路原理图4.2电路控制原理如图12，电机驱动电路采用的是“h桥”架构，该架构左右对称，实现正反转只要改变两输入端的输入信号即可，电路里面采用两组三极管，每组里面有一个npn型的，一个pnp型的，这样当两个输入端输入不同信号（此处指高电平或低电平）时只能使一组里面的一个工作，并且能保证两组里面都有一个可以工作，从而与另外一组的三极管形成回路，进而带动电机转动。pwm输入端在右上角。如图13所示，电机的转动速度，则通过单片机输出的占空比的大小来决定。占空比(duty ratio)在电信领域中有如下含义： 在一串理想的脉冲周期序列中（如方波），正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。图14 电机控制电路 51单片机的io端口默认的都是高电平，所以要通过如图所示的电路原理实现单片机输出低电平。4.3电路输入详细程序：见附件1 5 创新点5.1单驱动实现步行本作品仅用一个驱动（如电机、气动旋转马达等）就可实现该机器人行走。目前国内外大部分的步行机构的执行杆件多由其关节部位的电机带动，很少单个电动机直接完成步态轨迹的规划。国外较为先进的步行机器人，如日本研制的roller walker，把步态规划分为抬腿与前进两个不同的平面上的机构运动来实现，这样就必需有多个驱动和时序控制以达到行走的目的。同时这类步行机器人难以在摩擦系数不均匀（即有较大横向滑移率）的地面上按照固定的线路行走。而本发明可以通过传动装置使其四腿完成机械联动，腿部机构由平行四边形机构与交叉平行四边形机构串联铰接而成；安装于车身同侧的腿机构曲柄初始相位角相等，而车身两侧腿驱动机构曲柄的初始相位互呈180度；电机驱动各腿机构交替跨步实现行走功能。并且由于其受到摩擦系数不均匀的影响很小，所以步行时其路线相对稳定。在特定工作要求下，也可通过增加冗余驱动，使其具有更强的适应性，以满足不同使用者的要求。 5.2步态规划（chebyshev连杆机构与交叉平行机构组合）步态规划是步行机器人研制过程中最重要部分之一。本发明的步态规划主要由chebyshev机构来实现的。chebyshev机构是一种特定铰链四杆机构，该机构的特点其连杆上特定点运动轨迹是一条近似半椭圆与直线运动轨迹的组合，可以作为足部的轨迹规划曲线，从而把曲柄的圆周运动转化成足部跨越的轨迹。但是chebyshev机构所产生的步距与各杆的尺度之比相对于多自由度步行机构，所以本发明在chebyshev机构连杆的延伸端串联铰接一个交叉平行四边形机构。利用交叉平行四边形放大原理来实现chebyshev机构工作点的运动轨迹的放大。通过调节图6中m处运动副的纵向位置，可对足轨迹曲线倾斜度进行调节，以适应不同坡度的地面行走。5.3四足机械联动以及交替跨越四足机器人各足之间的配合与联动是决定一个四足机器人步行的稳定性以及步态的重要因素，本发明四足间联动主要是由机械结构来完成的，降低了使用时序控制器的复杂性；安装于车身同侧的腿机构曲柄初始相位角设置为相等，而安装车身两侧腿驱动机构曲柄的初始相位设置为互呈180度，通过传动装置中的水平传动轴、同步带轮以及同步带可以使得四足的曲柄获得相同的角速度使得其完成机械联动；这样处于对角线的两对足交替出现跨越与支撑状态。5.4步距步高调整在原有的chebyshev机构中，其步距与步伐轨迹的形状大小都受到其自身各杆长之比的影响，也就是说其步距不可随时调整，因此导致了适应性差等问题。但是在本发明中，由于在其连杆延伸端串联了一个交叉平行四边形机构，所以chebyshev机构间的各杆长之比并不是决定整个腿部机构足部轨迹的唯一因素。经过大量的实验之后我们发现，通过调整两个机构间机架的相对位置，可以改变足部的运动轨迹。经过inventor软件的运动仿真，本组发现其轨迹的调节存在明显的规律性：通过调整腿部机构中的两个机构机架间的相对纵向位置可以使得步伐的轨迹相对于地面的倾斜角度发生变化，通过调整腿部机构中的两个机架间的相对横向位置可以调节其步距大小。通过调节图6中 m处运动副的横向位置可调节足部轨迹曲线，以达到步距步高的调节。6应用前景及实用性分析本设计可以作为一个移动平台，它能够适应各种路况，如：凹凸不平的路面、极其光滑的冰面、松软的泥土等，同时还能够进行行走、攀爬、越障、转弯等各种运动，只需在它的平台上搭载诸如除草机、喷洒机、松土机等一些农业工具，就可以在草地与农田里作业，代替了工人和农民重复性的工作。而且与其他多自由度步行机器人相比，由于它价格低廉，步伐调整自由，拆卸方便，更能应用于普通老百姓的生活中，并且维护也十分方便。总之，此机构的可塑性很强，操作简单，成本较低，相信会对将来的步行机器人的普及起到一定的推动作用。参考文献：1何冬青，jtuwm四足机器人trot步态运动特性研究d.上海：交通大学，2006 2赵铁石，仿蟹型多足步行机器人.河北：燕山大学3龚振邦等，机器人机械设计m.北京:电子工业出版社,1995.4黄真 孔令富 方约法.并联机器人机构学理论及控制m北京:机械工业出版社,19975潭小群 李军 赵茜,四足机器人仿生机构模型及腿系参数优化m西安:西安工业大学机电学院6mechanical dynamics,inc.adams/view users reference manualm,19947 m.hiller,d.germann,j.a morgado de gois,“design and control of a quardruped robot walking in unstructured terrain” procedding of the 2004 ieee intern. conf. on control applications. 8 c.tavolieri,e.ottavian,m.ceccarelli and a.nardelli“a design of a new leg-wheel walking robot”,proceeding of mediterranean conference on control and automation,july 27-29,2007,athens-greece.附件1整体效果图图15 整体效果图1图15 整体效果图2附件2详细程序：#include#define uchar unsigned char #define uint unsigned intsbit pw1=p20 ;sbit pw2=p21 ; /控制电机的两个输入sbit accelerate=p22 ; /调速按键sbit stop=p23 ; /停止按键sbit left=p24 ; /左转按键sbit right=p25 ; /右转按键#define right_turn pw1=0;pw2=1 /顺时针转动#define left_turn pw1=1;pw2=0 /逆向转动#define end_turn pw1=1;pw2=1 /停转uint t0=25000,t1=25000; /初始时占空比为50%uint a=25000; / 设置定时器装载初值 25ms 设定频率为20hzuchar flag=1; /此标志用于选择不同的装载初值uchar dflag; /左右转标志uchar count; /用来标志速度档位void keyscan(); /键盘扫描void delay(uchar z);void time_init(); /定时器的初始化void adjust_speed(); /通过 调整占空比来调整速度void main() time_init(); /定时器的初始化 while(1) keyscan(); /不断扫描键盘程序，以便及时作出相应的响应void timer0() interrupt 1 using 0 if(flag