仿生机械马的运动机构设计

仿生机械马的运动机构设计

0 引言

当前，由索尼公司研制的“爱宝”机器狗是当今四足步行机器人中最典型的代表，也是最受广泛关注的机器人。但是，众所周知，爱宝机器狗的售价相当高，不是一般的消费群体所能接受的。例如，索尼公司在2003 推出的AIBO 机器狗ERS-7，售价就高达185000 日元，合人民币12820 元。索尼中鸣15 自由度机器狗具有15 个自由度，即有15 个伺服电机驱动，其中四条腿，每条都有3 个伺服电机，很多都是在关节处采用齿轮和电机驱动，导致步行时能量耗费很大，机器人的大部分能量并没有完全为步行运动做功，而是转换为热能损耗了。

为此，本次设计的目标就是用直流电机通过对传动机构的配合驱动来实现四足步行机器人前进，后退和左右转弯等功能，达到结构简单，成本低廉，功能可靠的目标。

1 方案选择

仿生机械马的机械部分是机械马所有控制及运动的载体，其结构特点直接决定了机器马的运动学特征。其中，腿部结构形式是仿生机械马机械结构中重要的组成部分，也是机械设计的关键之一。因此，仿生机械马机构的分析主要集中在步行机构的分析上。步行机构不能太复杂，杆件过多的步行机构形式会引起结构和传动的实现困难，对腿部机构的基本要求有以下的方面：实现给定的运动要求；具有一定的承载能力；方便控制。

1.1 方案的比较

如上二种方案所示，均为凸轮驱动。只是二种方案的连杆机构不同。方案一，为平面四杆机构，凸轮驱动竖直方向的连杆，实现小腿的抬升和着地；凸轮驱动水平方向的连杆，实现小腿的前跨和后收。该平面四杆机构具有缩放性，它可以将凸轮较小的竖直和水平方向的距离差转化为较大距离的小腿运动，从而实现仿生机械马的前进和后退，结构紧凑，功能稳定；方案二，为空间四杆机构，有二处为球铰接，可以较方便的实现仿生机器马的转向功能。在该机构中，凸轮分别驱动两竖直方向的连杆，较形像地模仿人的髋关节和膝关节的运动，实现小腿的前后运动。

1.2 方案选定

对于步行机构，本课题设计选取第一种方案。平面四杆机构缩放系数比K 较易确定，结构紧凑，而空间四杆机构要确定小腿的运动轨迹需用相关分析软件，在课题后期此方案可以考虑。

仿生机械马的机体选取平行四边形模型，该模型可以很方便地解决机械马在行进过程中产生的机架之间的角度变化问题，有效地防止机架之间的干涉。并且，关键的一点在于，四足行走机器人在行走时，机体首先要保证静态稳定，其运动的任一时刻至少应有三条腿与地面接触支撑机体，且机体的中心必须落在三足支撑点构成的三角形区域内。平行四边形模型可以很灵活地调节机械马在行进过程中的机身重心，保

证机体重心落在三足支撑点构成的三角形区域内。

2 仿生机械马步行机构设计分析

2.1 机械马运动步态步态

规划是机器人稳定步行的关键之一，机器人要达到稳定行走的目的，要满足几个条件：

1．步行稳定，协调；无左右摇晃和前后冲击。

2．机体和关节间没有较大的冲击，特别是摆动腿着地时，与地面接触为软着陆。

3．摆动腿跨步迅速，腿部运动轨迹圆滑，关节速度与加速度轨迹没有畸点。

真正使机器人保持三条腿着地的步态只有六种，其顺序如表2.1 所示：

稳定裕量：步行机器人的重心在足支撑平面上的垂直投影点到各足支撑点构成的多边形各边的最短距离d，它是衡量步行机器人在行走时的静态稳定度。机器人静态稳定的充分必要条件是d 大于0，一般为了提高稳定性，d 越大越好。

占空系数β：在一个步态周期内，机器人的腿处于支撑相的时间和一个步态周期T 的比值。

由表知，在相同的占空系数下，选择 1-4-2-3 的跨步顺序，机器人的稳定性最好。[2]

四条腿在一周期循环的过程中，机体始终相对地面作匀速运动。只考虑匀速的情况，腿部的运动分为两个过程。支撑腿在支撑过程中，机体向前移动，足尖相对机体向后运动；在抬跨过程中，足尖的运动是由随机体的向前运动和足尖相对机体向前抬跨运动的合成。

步态图是机械马在一个运动周期内各腿相继抬跨和机体相对各腿位置变化的情况反映。

机械马按“腿1——腿4——腿2——腿3”的抬腿顺序完成一个步行过程，其中需要经历以下8 个关键步骤，各关键时刻的运动步态图如下所示：

腿在抬跨时，为了防止地面对腿的冲击，足尖的加速度曲线应该是平滑的，没有突弯。

所以，在设计驱动滑块1 和2 时，我采用正弦运动规律。

2.2 机械马步行机构

在本次设计中，我所采用的是平面四杆机构作为仿生机械马的步行机构。其机构简图如下所示：

3 凸轮设计

在本设计中，凸轮轮廓曲线的设计采用图解法。

凸轮机构工作时，凸轮和从动件都在运动，为了在图纸上绘制出凸轮的轮廓曲线，希望凸轮相对于图纸平面保持静止不动，为此可采用反转法。

反转法的原理为：假设给整个机构加上一个公共的角速度“-w”，使其绕凸轮轴心O作反向转动。根据相对运动原理，凸轮与从动件之间的相对运动关系并不改变，凸轮此时固定不动，从动件将一方面随其导路以角速度“-w”绕O 转动，另一方面又相对其导路按预定的运动规律移动。从动件在这种复合运动中，尖端始终与凸轮轮廓保持接触。因此，在此运动过程中，从动件尖端的运动轨迹为凸轮轮廓曲线。[1] 本设计采用的是滚子从动件。在图解法的过程中，以滚子中心为基点，作出反转过程中滚子中心的运

动轨迹，即为凸轮的理论廓线。然后再以理想廓线上各点为圆心，以滚子半径r 为半径作一系列的滚子圆，然后作这簇滚子圆的内包络线，即为凸轮的实际廓线。

为了保证在行进过程中的平稳性，本课题所设计的盘式沟槽凸轮采用正弦加速度运动规律。从动件在整个运动过程中速度和加速度连续且无突变，从而有效地避免了刚性和柔性冲击。

本设计中的凸轮正弦加速度运动规律的推程运动线图如下所示：

在本设计中，从动件为滚子从动件，偏心距为0，即为对心直动滚子从动件。凸轮为沟槽式凸轮，有两个面。一面的基圆半径为40mm ,另一面的基圆半径为80 mm。根据上面正弦加速度运动规律的推程运动线图，可以得出以下盘式沟槽凸轮轮廓设计流程图：

4 仿生机械马整体安全性分析

机械马在行进过程中，随着四条腿的分别迈出，平行四边形机体会相应产生变化，从而牵动各机架之间的夹角变化。这有利于机械马在行进过程中实现自身的重心调节。但是，如果此夹角变化过大，后部相邻的圆锥齿轮之间可能发生干涉。由机械马的结构尺寸，可以知道可能发生干涉的相邻圆锥齿轮的外沿最小夹角为30.74。若要保证在行进过程中不会发生干涉，机架之间的夹角变化必须小于30.74。

5 结论

仿生机械马的设计是完全自主创新的产物：平行四边形铰接机架可以灵活地调节机械马在行进过程中的机身重心，保证机体重心落在三足支撑点构成的三角形区域内，确保行进过程中机械马的平稳；平面连杆机构作为仿生机械马的腿部结构可以提高机械马的跨步能力，使机械马结构紧凑，环境适应能力强；采用凸轮来对腿机构实现控制，结构简单紧凑，性能可靠，并且成本低廉，具有很强的实际应用性；转向装置采用链轮机构，功能稳定，实现运动中的左右转弯。但是，要控制其迈步而不摔倒是有难度的，完全实现上述要求的四足步行机器人是极少的。