仿生機械馬的運動機構(gòu)設(shè)計
0 引言
當(dāng)前，由索尼公司研制的“愛寶”機器狗是當(dāng)今四足步行機器人中最典型的代表，也是最受廣泛關(guān)注的機器人。但是，眾所周知，愛寶機器狗的售價相當(dāng)高，不是一般的消費群體所能接受的。例如，索尼公司在2003 推出的AIBO 機器狗ERS-7，售價就高達185000 日元，合人民幣12820 元。索尼中鳴15 自由度機器狗具有15 個自由度，即有15 個伺服電機驅(qū)動，其中四條腿，每條都有3 個伺服電機，很多都是在關(guān)節(jié)處采用齒輪和電機驅(qū)動，導(dǎo)致步行時能量耗費很大，機器人的大部分能量并沒有完全為步行運動做功，而是轉(zhuǎn)換為熱能損耗了。
為此，本次設(shè)計的目標(biāo)就是用直流電機通過對傳動機構(gòu)的配合驅(qū)動來實現(xiàn)四足步行機器人前進，后退和左右轉(zhuǎn)彎等功能，達到結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，功能可靠的目標(biāo)。
1 方案選擇
仿生機械馬的機械部分是機械馬所有控制及運動的載體，其結(jié)構(gòu)特點直接決定了機器馬的運動學(xué)特征。其中，腿部結(jié)構(gòu)形式是仿生機械馬機械結(jié)構(gòu)中重要的組成部分，也是機械設(shè)計的關(guān)鍵之一。因此，仿生機械馬機構(gòu)的分析主要集中在步行機構(gòu)的分析上。步行機構(gòu)不能太復(fù)雜，桿件過多的步行機構(gòu)形式會引起結(jié)構(gòu)和傳動的實現(xiàn)困難，對腿部機構(gòu)的基本要求有以下的方面：實現(xiàn)給定的運動要求；具有一定的承載能力；方便控制。
1.1 方案的比較
如上二種方案所示，均為凸輪驅(qū)動。只是二種方案的連桿機構(gòu)不同。方案一，為平面四桿機構(gòu)，凸輪驅(qū)動豎直方向的連桿，實現(xiàn)小腿的抬升和著地；凸輪驅(qū)動水平方向的連桿，實現(xiàn)小腿的前跨和后收。該平面四桿機構(gòu)具有縮放性，它可以將凸輪較小的豎直和水平方向的距離差轉(zhuǎn)化為較大距離的小腿運動，從而實現(xiàn)仿生機械馬的前進和后退，結(jié)構(gòu)緊湊，功能穩(wěn)定；方案二，為空間四桿機構(gòu)，有二處為球鉸接，可以較方便的實現(xiàn)仿生機器馬的轉(zhuǎn)
向功能。在該機構(gòu)中，凸輪分別驅(qū)動兩豎直方向的連桿，較形像地模仿人的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的運動，實現(xiàn)小腿的前后運動。
1.2 方案選定
對于步行機構(gòu)，本課題設(shè)計選取第一種方案。平面四桿機構(gòu)縮放系數(shù)比K 較易確定，結(jié)構(gòu)緊湊，而空間四桿機構(gòu)要確定小腿的運動軌跡需用相關(guān)分析軟件，在課題后期此方案可以考慮。
仿生機械馬的機體選取平行四邊形模型，該模型可以很方便地解決機械馬在行進過程中產(chǎn)生的機架之間的角度變化問題，有效地防止機架之間的干涉。并且，關(guān)鍵的一點在于，四足行走機器人在行走時，機體首先要保證靜態(tài)穩(wěn)定，其運動的任一時刻至少應(yīng)有三條腿與地面接觸支撐機體，且機體的中心必須落在三足支撐點構(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)。平行四邊形模型可以很靈活地調(diào)節(jié)機械馬在行進過程中的機身重心，保證機體重心落在三足支撐點構(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)。
2 仿生機械馬步行機構(gòu)設(shè)計分析
2.1 機械馬運動步態(tài)步態(tài)
規(guī)劃是機器人穩(wěn)定步行的關(guān)鍵之一，機器人要達到穩(wěn)定行走的目的，要滿足幾個條件：
1．步行穩(wěn)定，協(xié)調(diào)；無左右搖晃和前后沖擊。
2．機體和關(guān)節(jié)間沒有較大的沖擊，特別是擺動腿著地時，與地面接觸為軟著陸。
3．?dāng)[動腿跨步迅速，腿部運動軌跡圓滑，關(guān)節(jié)速度與加速度軌跡沒有畸點。
真正使機器人保持三條腿著地的步態(tài)只有六種，其順序如表2.1 所示：
穩(wěn)定裕量：步行機器人的重心在足支撐平面上的垂直投影點到各足支撐點構(gòu)成的多邊形各邊的最短距離d，它是衡量步行機器人在行走時的靜態(tài)穩(wěn)定度。機器人靜態(tài)穩(wěn)定的充分必要
條件是d 大于0，一般為了提高穩(wěn)定性，d 越大越好。
占空系數(shù)β ：在一個步態(tài)周期內(nèi)，機器人的腿處于支撐相的時間和一個步態(tài)周期T 的比值。
由表知，在相同的占空系數(shù)下，選擇 1-4-2-3 的跨步順序，機器人的穩(wěn)定性最好。[2]
四條腿在一周期循環(huán)的過程中，機體始終相對地面作勻速運動。只考慮勻速的情況，腿部的運動分為兩個過程。支撐腿在支撐過程中，機體向前移動，足尖相對機體向后運動；在抬跨過程中，足尖的運動是由隨機體的向前運動和足尖相對機體向前抬跨運動的合成。
步態(tài)圖是機械馬在一個運動周期內(nèi)各腿相繼抬跨和機體相對各腿位置變化的情況反映。
機械馬按“腿1——腿4——腿2——腿3”的抬腿順序完成一個步行過程，其中需要經(jīng)歷以下8 個關(guān)鍵步驟，各關(guān)鍵時刻的運動步態(tài)圖如下所示：
腿在抬跨時，為了防止地面對腿的沖擊，足尖的加速度曲線應(yīng)該是平滑的，沒有突彎。
所以，在設(shè)計驅(qū)動滑塊1 和2 時，我采用正弦運動規(guī)律。
2.2 機械馬步行機構(gòu)
在本次設(shè)計中，我所采用的是平面四桿機構(gòu)作為仿生機械馬的步行機構(gòu)。其機構(gòu)簡圖如下所示：
3 凸輪設(shè)計
在本設(shè)計中，凸輪輪廓曲線的設(shè)計采用圖解法。
凸輪機構(gòu)工作時，凸輪和從動件都在運動，為了在圖紙上繪制出凸輪的輪廓曲線，希望凸輪相對于圖紙平面保持靜止不動，為此可采用反轉(zhuǎn)法。
反轉(zhuǎn)法的原理為：假設(shè)給整個機構(gòu)加上一個公共的角速度“-w”，使其繞凸輪軸心O作反向
轉(zhuǎn)動。根據(jù)相對運動原理，凸輪與從動件之間的相對運動關(guān)系并不改變，凸輪此時固定不動，從動件將一方面隨其導(dǎo)路以角速度“-w”繞O 轉(zhuǎn)動，另一方面又相對其導(dǎo)路按預(yù)定的運動規(guī)律移動。從動件在這種復(fù)合運動中，尖端始終與凸輪輪廓保持接觸。因此，在此運動過程中，從動件尖端的運動軌跡為凸輪輪廓曲線。[1]
本設(shè)計采用的是滾子從動件。在圖解法的過程中，以滾子中心為基點，作出反轉(zhuǎn)過程中滾子中心的運動軌跡，即為凸輪的理論廓線。然后再以理想廓線上各點為圓心，以滾子半徑r 為半徑作一系列的滾子圓，然后作這簇滾子圓的內(nèi)包絡(luò)線，即為凸輪的實際廓線。
為了保證在行進過程中的平穩(wěn)性，本課題所設(shè)計的盤式溝槽凸輪采用正弦加速度運動規(guī)律。從動件在整個運動過程中速度和加速度連續(xù)且無突變，從而有效地避免了剛性和柔性沖擊。
本設(shè)計中的凸輪正弦加速度運動規(guī)律的推程運動線圖如下所示：
在本設(shè)計中，從動件為滾子從動件，偏心距為0，即為對心直動滾子從動件。凸輪為溝槽式凸輪，有兩個面。一面的基圓半徑為40mm ,另一面的基圓半徑為80 mm。根據(jù)上面正弦加速度運動規(guī)律的推程運動線圖，可以得出以下盤式溝槽凸輪輪廓設(shè)計流程圖：
4 仿生機械馬整體安全性分析
機械馬在行進過程中，隨著四條腿的分別邁出，平行四邊形機體會相應(yīng)產(chǎn)生變化，從而牽動各機架之間的夾角變化。這有利于機械馬在行進過程中實現(xiàn)自身的重心調(diào)節(jié)。但是，如果此夾角變化過大，后部相鄰的圓錐齒輪之間可能發(fā)生干涉。由機械馬的結(jié)構(gòu)尺寸，可以知道可能發(fā)生干涉的相鄰圓錐齒輪的外沿最小夾角為30.74。若要保證在行進過程中不會發(fā)生干涉，機架之間的夾角變化必須小于30.74。
5 結(jié)論
仿生機械馬的設(shè)計是完全自主創(chuàng)新的產(chǎn)物：平行四邊形鉸接機架可以靈活地調(diào)節(jié)機械馬在
行進過程中的機身重心，保證機體重心落在三足支撐點構(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)，確保行進過程中機械馬的平穩(wěn)；平面連桿機構(gòu)作為仿生機械馬的腿部結(jié)構(gòu)可以提高機械馬的跨步能力，使機械馬結(jié)構(gòu)緊湊，環(huán)境適應(yīng)能力強；采用凸輪來對腿機構(gòu)實現(xiàn)控制，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，性能可靠，并且成本低廉，具有很強的實際應(yīng)用性；轉(zhuǎn)向裝置采用鏈輪機構(gòu)，功能穩(wěn)定，實現(xiàn)運動中的左右轉(zhuǎn)彎。但是，要控制其邁步而不摔倒是有難度的，完全實現(xiàn)上述要求的四足步行機器人是極少的。
