第1章 六足机器人的结构分析

 

1.1  昆虫的运动原理分析

1.1.1 昆虫的腿部结构

图2.1

六足节肢动物有长在前、中、后胸上的附肢共计三对。节肢动物的每一足主要由6部分构成，如图2.1所示。

(1)   基节：其作用是为整个足的活动支撑，从结构上看，其位置靠近胸部，形状上为短粗的一节。

(2)   转节：足的转动方向用其进行协调，结构上的特点是十分短小。

(3)   腿节：其作用是用以承受足的重量，结构上的特点是长而粗壮，并且有着很强的负荷能力。

(4)   胫节：长而细，形状大小变化自如，可控制足部完成动作的执行。

(5)   跗节：活动时，受在前端的通常由两个爪子的胫节控制。

(6)   前跗节：跗节前端的两个爪，故而方柏霓其扒附在光滑的物体上以及感受周围环境。

1.1.2昆虫的三足步态

节肢动物以三足步态的形式进行移动。节肢动物的六足分为两组，左侧的三足和右侧的三足。甲虫移动的过程中，其躯体重量由三条足构成的三角形进行支撑，具体为右中、左前和左后，而其余三条足则可以进行自由的移动。机器人的移动正是得益于这六条足的重复交替运行。如图2.2即为昆虫的直线行走步态图。

图2.2

昆虫在转弯的过程中，通常会由一组三角形步态作为支架的足先支撑住身体，然后由另一组向目标方向移动。向左转时，迈步腿向左前方移动；向右转时，迈步腿向右前方移动。图2.3即为昆虫转弯步态图。

图2.3

1.2        六足机器人的六边形模型与长方形模型之间的比较

1.2.1长方形模型

六足机器人进行步态分析的一般模型是简单的矩形模型。如图2.4所示，可用矩形表示六足机器人的身体部分。6个腿分别固定在矩形长边的两侧。六足机器人的腿的编号分别是左侧1、2、3，右侧4、5、6。

能够到达的区域的大小和形状取决于腿的设计。对于这个模型，基节关节(连接身体和腿的关节)是一个有垂直轴线的关节，因此腿能够到达的区域是一个环形区域，图2.5即为该模型的示意图。

图2.4               

   图2.5

此类腿的这种设计因为同侧相邻的腿的移动有重叠的区域，从而影响正常运动。这使得步态分析更为复杂。

解决此问题的方法有两种

(1)   一种方法是消除所有的重叠区，使得每条腿有一块独立的只有它能够到达而其它的腿不能到达的区域。同时界定了能够到达区域的矩形区域，如图2.6所示。

(2)  另一种方法是先标示重叠区域，让相邻的两条腿能够在冲突没有发生时，顺利到达这些区域。图2.7所示为标示出重叠区域的模型。通过使用此模型，机器人可以用更大的步长和最科学迅速的高效率的步态移动。

图2.6

图2.7

 

1.2.2六边形模型

六边形模型使用正六边形作为机器人的主结构。六边形的每条边上固定一条腿。图2.8标明了能够到达的区域和环形之间的关系。如图2.8左侧所示，将腿进行编号则是为了更便于描述。

图2.8

容错步态移动时的矩形模型的最大步长为0.5P。对于六边形的模型而言，使用容错步态时，当重心落在支撑腿之间间连线的交叉点，此时的最大步长等于0.5rmax。而rmax>P。

六足机器人的转弯取决于转弯中心的位置。在此处是在比较转弯中心和重心的位置。我们假设在转弯后,机器人的腿的端点还能够到达的原来区域的中心，然后比较每一步的最大转角。从图2.5和图2.8中可得出如下结论，矩形模型的转角是受限制的，机器人必须保证下一个落脚点是在能够到达的区域内，然后才能转弯，然而对于六边形模型，绕重心转弯是相对最容易的。在六边形六足模型中，六条腿的距离和角度变化是完全相同的，此方案的硬件和软件实现相对容易的。转角的大小取决于图2.5中环形面积的大小。

通过比较上述性能，我们可以看出六边形模型表现的更为灵活，在容错步态中有相对更平稳的稳定性，在大部分的环境中有更大的步长，所以在我们的六足仿生机器人中采用了六边形模型_[13]。

 

 

1.3  使用SolidWorks2018软件实体造型

图2.9

使用SolidWorks2018对六足仿生机械装置的腿、身体、舵机等零部件进行了实体造型，然后装配成一个可自主完成指定操作的六足机械装置。这样便于接下来进行的自主完成指定操作的六足机械装置的构造分析和步态规划。如图2.9所示即为实体模型。

 

1.4  六足机器人的结构分析

六足仿生机器人整体结构的确立是以昆虫的身体结构为参考得来的，两者都由躯体和足两部分构成，并且其六条足均以躯体为轴线呈对称分布。

图2.10

其主平台基础结构设计时，采用对称结构的六边形方案，身体两侧各分布有3条腿。该设计方式使得各条腿的运动空间扩大了，最大化的减少了腿部之间的碰撞_[14][15]。图2.10所示即为其基础机械构造。

其腿部结构设计采用与图2.11所示的节肢昆虫的腿相似的结构，这种机械构造形式被称为RRRS型开链结构_[16]，如图2.11表示。

图2.11

各个关节分别由舵机驱动。连接部分和躯体等采用强度高、密度低的铝合金和亚克力材料制造，在满足强度要求的前提下，我们希望可以在能力所及的范围内最大程度提高机器人运动时的灵活性，为实现该目的，我们采用减轻机器人的重量的方式来满足这一需求。图2.12中所示即为其腿部机械构造简图。

图2.12

 

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来源： https://www.cnblogs.com/L707/p/16310490.html