第三章 總體方案設(shè)計(jì)3 總體方案設(shè)計(jì)3.1 結(jié)構(gòu)外形設(shè)計(jì)本課題作為一個(gè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)課題，將仿生學(xué)中的翻滾運(yùn)動(dòng)引入到四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式中，達(dá)到用一套機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩種運(yùn)動(dòng)方式的目的。提出一種能夠?qū)崿F(xiàn)翻滾與站立自主變形的可變形四足機(jī)器人。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)外形有著至關(guān)重要的作用，它關(guān)系著機(jī)器人能否實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能，能否滿足能量消耗的指標(biāo)，以及能否滿足機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行條件。因而，可變形四足機(jī)器人的外形結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)給予充分考慮。用一種機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)翻滾與步行的良好結(jié)合，不增加任何轉(zhuǎn)換設(shè)備?？梢栽跈C(jī)器人結(jié)構(gòu)的外形上作出突破。擬將圓形滾動(dòng)體引入到四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)當(dāng)中，當(dāng)機(jī)器人步行時(shí)以哺乳類動(dòng)物的足式運(yùn)動(dòng)，當(dāng)機(jī)器人以滾動(dòng)方式前進(jìn)時(shí)，則以圓形滾動(dòng)體的形式運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)形式的改變是基于連接機(jī)器人構(gòu)件的關(guān)節(jié)如旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、移動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)而引起機(jī)器人構(gòu)形的相對(duì)變化，這種變化主要是自身的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)變形。它也屬于可重構(gòu)機(jī)器人之一。中科院沈陽自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室將可重構(gòu)機(jī)器人自身構(gòu)形的變化歸納為兩種類型：（1）由組成機(jī)器人各個(gè)部件的連接方式重新組合而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人數(shù)量和構(gòu)形的相對(duì)變化, 這種變化可以是手動(dòng)和自動(dòng)的結(jié)構(gòu)重構(gòu)變形。（2）由連接機(jī)器人構(gòu)件的關(guān)節(jié)如旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、移動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)而引起機(jī)器人構(gòu)形的相對(duì)變化，這種變化主要是自身的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)變形。機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)變形與機(jī)器人的結(jié)構(gòu)重構(gòu)變形相比, 前者在可靠性、能量消耗、時(shí)間消耗、機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的復(fù)雜性等方面有優(yōu)勢, 更便于投入到實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中；但后者具有更強(qiáng)的靈活性和應(yīng)變能力。本文擬采用的機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式的概念圖如2.1所示。其中(a)所示為可變形仿生翻滾四足機(jī)器人站立姿態(tài)；(b)所示為機(jī)器人以變形后的圓形滾動(dòng)體在平坦路面的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。該四足機(jī)器人四條腿對(duì)稱布置，大腿和小腿的長度相等，且約為機(jī)器人機(jī)體長度的一半。該機(jī)器人共12個(gè)自由度，各個(gè)關(guān)節(jié)處均裝有驅(qū)動(dòng)電機(jī)。機(jī)器人各個(gè)部件的外輪廓均設(shè)計(jì)為規(guī)則圓弧形，當(dāng)機(jī)器人變形為圖2.1(b)所示時(shí)，外輪廓為一個(gè)完整的平面圓形。這樣機(jī)器人就能夠以圓形滾動(dòng)體的形式在平整路面滾動(dòng)前進(jìn)。(a) (b)圖3.1 可變形仿生翻滾四足機(jī)器人概念圖3．2 仿生翻滾運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)本課題要求機(jī)器人有兩種運(yùn)行模式，即四足機(jī)器人步行模式、滾動(dòng)模式。對(duì)于兩種運(yùn)動(dòng)模式之間轉(zhuǎn)換的研究是很有必要的。自主轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)方案不合理，則會(huì)影響機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，更甚于無法滿足運(yùn)動(dòng)的要求。約定機(jī)器人從左往右運(yùn)動(dòng)，本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)器人自主轉(zhuǎn)化的運(yùn)動(dòng)方案如圖2.2所示。圖 3.2 仿生翻滾運(yùn)動(dòng)規(guī)劃3．3 結(jié)構(gòu)基本參數(shù)擬定機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2.3所示。機(jī)器人結(jié)構(gòu)尺寸較小，若做成實(shí)體則質(zhì)量較大，需要教大的扭矩，從而需要增加減速裝置，則機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變的復(fù)雜。為了減輕機(jī)器人的重量，機(jī)器人的主要部件均設(shè)計(jì)為鈑金件。圖3.3 總體結(jié)構(gòu)基本尺寸3．4 驅(qū)動(dòng)方案選擇在機(jī)器人控制中，控制電機(jī)有：步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)、液壓伺服馬達(dá)等四種常見的驅(qū)動(dòng)控制方式。近年來有發(fā)展起了以伺服舵機(jī)進(jìn)行機(jī)器人控制的方法。它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)如下：（1）步進(jìn)電機(jī) 可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制性能好，成本低廉，通常無需反饋就能對(duì)位置和速度進(jìn)行控制。但由于采用開環(huán)控制，沒有誤差校正能力，運(yùn)動(dòng)精度較差，負(fù)載和沖擊震動(dòng)過大會(huì)造成失步現(xiàn)象。（2）直流伺服電機(jī) 具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動(dòng)力矩，相對(duì)功率大，響應(yīng)快速，控制技術(shù)成熟。安裝維修方便，成本低。（3）交流伺服電機(jī) 結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，比步進(jìn)電機(jī)貴。（4）液壓伺服馬達(dá) 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，定位精度較高，負(fù)載能力大。但其費(fèi)用較高，且液壓系統(tǒng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。（5）舵機(jī) 效率高，穩(wěn)定性好，靈敏度高，轉(zhuǎn)速慢，其成本較低。由于舵機(jī)是將伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置，這樣就大大減小了控制系統(tǒng)的成本和設(shè)計(jì)的難度?，F(xiàn)代的數(shù)字式舵機(jī)將微處理器集成到舵機(jī)上，出來速度更快，更準(zhǔn)?？勺冃畏律瓭L四足機(jī)器人的尺寸較小，所需功率比較小，所需轉(zhuǎn)速也小，為了減少機(jī)械部件，也為了節(jié)約成本，故而在本課題全部采用舵機(jī)控制。這樣，舵機(jī)直接驅(qū)動(dòng)各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，而無需減少裝置，降低了機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，在控制上，減少了電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部門，節(jié)約了成本。舵機(jī)也就是一種微型的直流伺服馬達(dá)，內(nèi)部包含了一個(gè)小型的直流馬達(dá)，一組變速齒輪組，一個(gè)反饋可調(diào)電位器，以及一塊電子控制板。其中高速轉(zhuǎn)動(dòng)的直流馬達(dá)提供原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速齒輪組，使之產(chǎn)生高扭力的輸出，齒輪組的變速比越大，舵機(jī)的輸出扭力也越大，亦即能承受更大重量，但轉(zhuǎn)動(dòng)的速度也越低。圖3.4所示為舵機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3.4 舵機(jī)結(jié)構(gòu)舵機(jī)是一個(gè)典型的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其原理如圖3.5所示。圖3.5 舵機(jī)工作原理圖減速齒輪組由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，其終端（輸出端）帶動(dòng)一個(gè)線性的比例電位器作位置檢測，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號(hào)比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動(dòng)馬達(dá)正向或反向地轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖趨于零，從而達(dá)到使伺服馬達(dá)精確定位的目的。