仿袋鼠机器的机械设计.doc

仿袋鼠机器的机械设计朱昌俊 柳丹 （机械工程学院湖南文理学院机自07101班）摘要：针对目前跳跃机器人模型的局限性，仿照袋鼠的身体结构，依据其跳跃运动的特点，设计了一种弹性负载单足跳跃机器人模型，并在对其进行运动学、动力学分析及优化设计的基础上，设计出了各部分整体结构该机器人模型具有更好的仿生学特征，其特点是：体积小、重量轻、能耗低、速度快、适应能力强关键词：袋鼠 机构学模型 机械结构设计Abstract：Aiming at the limit of present hopping robots and in accordance with the structure of kangaroo body andits characteristics of hopping，this paper designs a model of one—leg hopping robot system which is diferent fromSLIP，and on the basis of its analysis of kinematics and dynamics and the optimization of the design goes into detailsto describe the whole structure of various components．This robot model shows better feathers of bionics with advan—tages including small size，light weight，low energy consumption，high speed and strong adaptability．Key words：hopping robots；dynamic modeling；design of mechanical structure0 引言跳跃机器人是一种典型的仿生机器人，与多轮或履带式驱动及其他仿生步行或爬行移动式机器人相比，有许多与众不同的优点，比如速度快、质量轻、运动灵活、适应能力强等。

本文设计了一种非SLIP模型仿袋鼠单足跳跃机器人系统模型，使机器人模型具有了更好的仿生学特征，并对其进行了运动学和动力学分析及机构参数的动力学优化设计，最终设计出了整个机械结构1 仿袋鼠跳跃机器人的机构学模型为了描述仿袋鼠跳跃机器人本身的各个构件之间和机器人与环境(地面)之间的运动关系，根据袋鼠的骨骼结构特点，本论文将袋鼠腿部的肌肉、韧带、腿和骨骼都当成刚体，即抽象为连杆，以便用机器人机构学的理论研究各连杆之问的运动关系袋鼠骨骼结构如图1a所示，为了实现直线运动，运用到了图1b所示机构 图2a 仿袋鼠跳跃机构模型图袋鼠为典型的双脚跳跃动物，在跳跃时双脚同时着地，因此将跳跃机器人简化为单腿机构尾巴和头部在运动中主要起着动态平衡的作用，前腿在跳跃中呈自然姿态，对身体也有一定的平衡作用，因此在分析时将头部、前腿与躯干视为一个整体，称为 图2b 仿袋鼠直线运动机构躯体袋鼠的几个主要关节为髋关节、膝关节、踝关节由于脚在着地的过程中脚趾和脚掌不是同时着地和离地的，故在脚掌和脚趾处应再设一个关节，称为趾关节，但为简化建模，此处将踝关节和趾关节都暂不考虑。

又考虑到袋鼠的小腿和脚在运动过程中完全处于被动状态，为简化模型，将小腿和脚合并为一体，用构件1来表示，构件2表示大腿，构件3表示尾巴，躯体则为构件4，因此仿袋鼠跳跃机构由四个构件组成，各部分的长度分别为ll 、l 和l 构件3及构件4和构件2的连接处为髋关节，构件2和构件1的连接处为膝关节最终确定其机构模型如图2所示跳跃机器人的一个运动周期由着地阶段和腾空阶段组成，着地阶段即支撑相为机器人脚踝与地面接触到离开地面这一阶段；腾空阶段即飞行相为脚踝离开地面到再次接触地面这一阶段，如图3所示．机器人处于支撑相时，假设其脚踝与地面之间无相对滑动，那么脚踝与地面之间形成旋转副． 2 仿袋鼠跳跃机器人腿部结构的运动分析与参数优化设计 2．1运动学模型跳跃机器人的运动过程分着地阶段和腾空阶段两个阶段，即支撑相和飞行相在不同的运动阶段，整个机器人系统的运动模型是不同的，因此需要对支撑相和飞行相分别进行运动学和动力学推导，建立其数学模型运动学模型主要描述了各关节的转角变化与其在惯性坐标下的位置、速度、加速度的几何关系动力学模型主要是通过分析脚趾等部位的位置变化，由拉格朗日功能平衡法建立系统的动力学方程为：其中： 为质量惯性矩阵为由离心力、哥氏力、重力、摩擦力、弹性力等组成，Q 表示广义驱动力， 为支撑阶段或飞行阶段的雅可比矩阵，也即：。

2．2机构参数的动力学优化设计针对新的机器人模型，各部分质量和尺寸如何设计，才能使机器人更加灵活，耦合性能更好，是对机器人设计的要求对于本文的机器人模型，从仿生角度考虑，要求身体各部分的质量尽可能的小，因为存在动力学耦合效应，而且腿部没有驱动器，只能靠躯干内部的电机间接影响腿部的运动那么在机器人平衡自身和水平移动时，电机旋转时腿部的响应角速度大小就显得尤为重要反过来可以认为，使腿部产生要求的旋转加速度时，所需的两个电机输出力矩r 、r 越小越好按这一要求，采用初定的参数：ml=0．3kg，f1=0．5m，m2=O．5kg，Z2=0．4m， m3=3．0kg，Z3=0．5m ，m4=1．Okg，Z4=0．5m ，对机器人的结构尺寸，质量进行优化设计通过建立目标函数，确定约束条件，最终确定优化模型，再使用MATLAB中自带的优化工具箱对优化问题进行解算，最终得到了其基本的结构参数3 袋鼠的机械结构设计3．1 总体设计机器人总重量：0．7kg；电机主要技术指标如下：电机穿载转速：n =100 rpm；减速器减速比：i=6：1；减速器效率：11=75％ ；减速器实际输出转速：；电机最大连续输出力矩：小腿长度：L1=0．404mm；大腿长度：L2=O．20mm；尾巴长度：L3=0．171mm；小腿质量：m1 =0．090kg；大腿质量： m2=0．308kg；尾巴质量：m3=0．164kg；身体质量：m4=0．737kg 。

3．2 主要零件设计根据前面的优化设计结果和设计计算，对机器人进行了各零件的设计所使用的材料均为塑料，塑性好强度高，易于加工小腿的具体结构如图4所示图4 小腿结构因为是单足跳跃，同时大腿要与躯干部分的轴相连，为增加连接的牢固性和稳定性，采用两块几近相同的大腿板I和大腿板Ⅱ，中间加一固定杆组成，其具体结构如图5所示： 图5 大腿机构反映到实物上，形状较为简单，材料为塑料，如图6所示图6大腿实物尾巴由于在整个机器人模型中主要起到稳定平衡的作用，因此要求有一定的重量，且运动灵活、随意在本设计中，将其设计成了四个部分，从里向外依次是尾根、尾巴段Ⅲ 、尾巴段Ⅱ、尾尖，重量主要集中在尾尖部分，其具体结构如图7所示：图7 尾巴结构(a)尾尖 (b)尾巴1I (e)尾巴Ⅲ(d)尾根 (e)尾巴整体结构尾巴反映到实物上，形状较为简单，材料为塑料，如图8所示； 图8尾巴实物 图9 小腿实物小腿反映到实物上，形状较为简单，材料为塑料，如图9所示；头部反映到实物上，形状较为简单，材料为塑料，如图10所示； 图10 头部实物 图11 曲柄连杆机构曲柄连杆机构反映到实物上形状较为简单，材料为塑料，如图11所示；动力驱动为电池，用电动机传输动力，如图12所示； 图12 电池 图13 铰链机构 铰链机构反映到实物上形状较为简单，材料为塑料，如图13所示；齿轮机构反映到实物上形状较为简单，材料为塑料，如图14所示； 图14 齿轮机构图15 齿轮机构简图3．3 最终结构机器人的总体结构总装配图如图6，各零件加工后成功装配，各功能基本达到了设计的要求。

图16 总装图反映到实物上，形状较为简单，材料为塑料，如图17所示图17 总装实物图4 结论本文对仿袋鼠单腿跳跃这种新型的机器人模型的整个设计思想和设计过程进行较为详细的总结和阐述，该机器人采用双电机驱动，腿部机构中不安装驱动原件，系统依靠内部动力学耦合实现动态站立平衡、起跳、稳定连续跳跃运动其特点是：体积小、重量轻、能耗低、速度快、适应能力强其研究的意义在于：一方面，在理论上促进了仿生跳跃机器人的研究；另一方面，结合现有双足行走机器人的研究成果，有助于开发下一代更为先进的跑步机器人参考文献[1]刘壮志，席文明，朱剑英等．弹跳式机器人研究[J]．机器人，2003，25(6)：568—573．[2]李保江，朱剑英．弹跳式机器人研究综述[J]．机械科学与技术，2005，24(7)：803—807．[3] Marc H Raibert，Jessca K Hodgins．Animation of dynamicleged．Computer Graphics，1991，25(4)：349 — 358． [4]詹望，葛文杰．仿袋鼠跳跃机器人着地阶段的动力特性研究[J]．机械设计，2007，24(6)：93—97．[5]王瑜，双臂单腿跳跃机器人的动力学建模与仿真[J]．北方工业大学学报，2003，3：46—48．。