四足机器人方案设计书

浙江大学“海特杯”第十届大学生机械设计竞赛“四足机器人”设计方案书
“四足机器人”设计理论方案
自从人类发明机器人以来，各种各样的机器人日渐走入我们的生活。

仿照生物的各种功能而发明的各种机器人越来越多。

作为移动机器平台，步行机器人与轮式机器人相比较最大的优点就是步行机器人对行走路面的要求很低，它可以跨越障碍物，走过沙地、沼泽等特殊路面，用于工程探险勘测或军事侦察等人类无法完成的或危险的工作；也可开发成娱乐机器人玩具或家用服务机器人。

四足机器人在整个步行机器中占有很大大比重，因此对仿生四足步行机器人的研究具有很重要的意义。

所以，我们在选择设计题目时，我们选择了“四足机器人”，作为我们这次比赛的参赛作品。

一.装置的原理方案构思和拟定：
随着社会的发展，现代的机器人趋于自动化、高效化、和人性化发展，具有高性能的机器人已经被人们运用在多种领域里。

特别是它可以替代人类完成在一些危险领域里完成工作。

科技来源于生活，生活可以为科技注入强大的生命力，基于此，我们在构思机器人的时候想到了动物，在仔细观察了猫.狗等之后我们找到了制作我们机器人的灵感，为什么我们不可以学习小动物的走路呢，于是我们有了我们机器人行走原理的灵感。

为了使我们所设计的机器人在运动过程中体现出特种机器人的性能及其运动机构的全面性，我们在构思机器人的同时也为它设计了一些任务：
1. 自动寻找地上的目标物。

2. 用机械手拾起地上的目标物。

3．把目标物放入回收箱中。

4. 能爬斜坡。

图一
如图一中虚线所示的机器人的行走路线，机器人爬过斜坡后就开始搜寻目
标物体，当它发现目标出现在它的感应范围时，它将自动走向目标，同时由于相关的感应器帮助，它将自动走进障碍物中取出物体。

二.原理方案的实现和传动方案的设计：
机器人初步整体构思如上的图二和图三，四只腿分别各有一个电机控制它的转动，用一个电机驱动两条腿的抬伸。

根据每只腿的迈步先后实现机器人的前进，后退，左转和右转，在机器人腿迈出的同时，它也会相应地进行抬伸，具体实现情况会在下文详细说明。

图二
图三
机器人初步整体构思如上的图二和图三，四只腿分别各有一个电机控制它的转动，用一个电机驱动两条腿的抬伸。

根据每只腿的迈步先后实现机器人的前进，后退，左转和右转，在机器人腿迈出的同时，它也会相应地进行抬伸，具体实现情况会在下文详细说明。

任务的实现主要是利用单片机来控制机器人的四条腿以及几个传感器的共同工作，并通过它们的协调工作来完成的。

如图一中所示，让机器人爬过了斜坡之后，就先进行扫描，如果发现有目标出现在它的视野之内，它就会寻着目标前进。

如果没有发现目标，机器人会原地转弯并搜寻在它视野之外的目标。

由于目标物有可能正好被障碍物遮住，此时我们会设计相应的程序告诉机器人现在先向右行走一定的距离再进行扫描。

又由于尽管已经扫描到了目标物，当机器人走向
目标物时，机身正好被障碍物挡住，无法前进拾取目标。

此时我们也设计了相应的程序告诉它，让它先向后退一定的距离，然后右转，再向前行走一定的距离，然后左拐，当然其中的距离我们都是计算好了的，这样机器人就可以顺利进入障碍物中拾取目标物了。

当机器人停在目标之前时，它的机械手臂就会向下抓取目标，然后抬起。

由于障碍物的大小有限，使得机器人无法转身，因而此时机器人就会自动后退，当后退到一定距离时，它就会开始搜寻回收箱的位置，并向其走去，在停止在回收箱之前的同时，它的机械手臂就会放下，然后松开，这样目标就被机器人拾取并回收了。

就这样我们就实现了机器人的前进后退，并附加了转弯和拾取物体两个功能。

三.关键技术的分析与实现及主要结构的设计简图：
1）.四肢的驱动：
图四
图五
鉴于成本上的考虑，我们选择用一个电机来驱动它单腿的迈步，用另一个电
机来驱动两条腿的抬伸。

如图四，中间的电机通过驱动凸轮的转动，根据“杠杆原理”来控制两条腿的抬升（其中点A为支点），前两条腿共用一个电机，后两条腿共用一个电机。

图四下面的图五是一个关键的连接点，通过这个连接点我们实现了连接机器人腿的杆MN，可以在纸平面以及垂直纸平面的两个平面内运动，如图五，为其放大图，杆MN由PQ，JK连杆组成，杆PQ，JK可绕圆心O′在垂直纸平面内转动，杆PQ，JK可绕圆心O在纸平面内转动。

图六（俯视）注：只画出关键啮合部位图六为机器人的其中一条腿运动的轨迹图，其中虚线为其可运动的范围。

前进与后退运动的实现：
四足机器人最重要的是要协调好它的行走，但是想要协调好它的四肢的迈步情况较其他的多足机器人难。

在反复观察动物行走以及仔细考虑机器人自身的特点后，我们觉得让机器人按以下方式行走是比较恰当的:如图七，先让机器人两侧相错的腿同时抬起，然后迈步，再把腿放下。

例如：先迈右前、左后腿，机器人的腿原先处在状态1，进行一次迈腿过程后，两条腿处于状态2的位置，当迈左前、右后腿时，右前、左后腿就由电机驱动返回状态1，因为右后、左前腿着地，左前、右后腿迈出离地，此时身体就会向前移动，达到了“行走”的目的。

由于机器人的四肢迈步衔接的较为紧密，很大程度上避免了机器人走路时的不稳定。

同理，后退时，腿的状态由状态2开始向状态1运动，然后依次循环。

图七
图七是机器人行走时各条腿运动循环图。

关键分析：如图八,
右前脚和左后脚在状
态1时,两脚之间相距
L＇,同时向前转动30
度角后,两脚处于状态
2,此时,它们之间相距
为L,但是L=L＇,所以
当两脚着地后从状态2
返回状态1时,因为两
点之间的距离仍旧是L,
所以可以将机器人的
身体向前移动.
图八
行走模拟图（图九）：
→
一．原始位置二. 抬左前腿和右后腿
→→
三. 迈左前腿和右后腿四. 抬左后腿和右前腿
→
五. 迈左后腿和右左前腿
图九
转弯运动的实现：
转弯的原理是：当右边两条腿前进时，左边的两条腿向后退，这样就实现了左转的目的，同样的道理，当左边的两条腿前进的时候，右边的两条腿后退，这样就实现了右转的目的。

总结以上分析，其实前进、后退、左转和右转只是四只腿不同的迈步方式，只要协调好四条腿是向前迈还是向后迈就可以调整好机器人的行走运动了。

2）.机械手的运动原理
机械手是由一系列彼此之间装有关节或可相对滑动的段节构成，为了抓握和移动物体，一般有几个自由度。

在实际的任务中安置一个灵活的机械手来完成采集样品是必不可少的事情，我们设计的机械手可以用来完成抓取样品,放置样品的动作要求。

而机械手的驱动装置可由电动，气动和液压驱动。

出于能量，尺寸及重量要求的考虑，在此我们选择了电动，选用了便于控制的舵机来驱动和抓取。

机械手的手爪是机械手的一个重要装置，抓取样品时用两个手爪进行左右张
合来完成抓取样品的任务。

图十
如图十，是我们抓取物体时用的机械手，它的抓取机构（手爪）通过连杆机构直接由电机控制，其原理是：通过电机的转动拉伸使手爪可以绕着固定点1，2实现手爪的开合。

图十一
3）.目标的识别：
我们设计的机器人的任务是让它自动地寻找放在地上的木块。

当然这离不开感应器的帮助，在这个机器人上我们安装了一个红外光电反射式感应器，让它寻找目标,还装有一个测距传感器用它来控制机器人和目标物体的距离，使得机械手臂很顺利的拾起物体并能很好的放回回收箱内。

在控制系统方面我们采用分布式控制，即每条腿上有一个单片机信号来控制本条腿的动作，有一个中央控制中心负责给各条腿发送控制信号，协调各条腿之间的动作。

同时中心还接收来自感器传来的信号，辨别是否有障碍物在前方，以
采取不同的行走方式，达到避障的目的。

四.框图:
1．整体运动框图：
图十二
2．程序执行框图：
图十三
五.尺寸说明：
为了便于在实际设计制造过程中顺利，和考虑到某些零部件的实际尺寸，向大范围的尺寸靠近，大致尺寸确定如下：
整体尺寸：250mm×250mm
腿长：L=180mm
主体高：H=70mm
腿的回转半径：R=60mm
手臂长：L′=200mm
六．设计小结：
因为设计时间有限，我们在查找了有关的资料，并且经过我们的考虑与分析后,基本确定上述理论方案。

当然，在今后的实际设计时，对于目前的设计理论方案还有待改进和理论强化，我们争取制作出一个我们能够完成我们设计任务的“四足机器人”。