八足机器人的足部结构特性分析(4)
八足步行机器人的机构是由机身、腿部、分动装置三部分组成，腿部的数量以及配置是整体设计的主要问题。常见的多足步行机器人包括四足步行机器人，优尔足步行机器人，八足步行机器人甚至腿部数量更多的机器人，腿部数量较多时适合重载和慢速的运动，而腿部数量较少的机器人运动更加灵活但是负重能力不强。影响步行机器人的足数选择的主要因素有：稳定性、节能性、关节控制性能的要求、制造成本、质量以及可能的步态等[12] 。腿的配置是指步行机器人的足相对于机体的位置和方位的安排，确定分布形式时，还需要考虑一些细节问题，如腿在主平面内的几何构形和腿杆件的相对弯曲方向等。
我们设计的机器人要求负重100kg,步行时速30km/h，指导老师用了“四平八稳”一词，所以我们所设计的机器人采用八足结构，既能保证高速稳定的行走能力又能有一定的负载能力，又考虑了机械结构和控制系统的简单性。我们发现昆虫如蚂蚁具有出色的负载能力和行走能力，因此步行机器人腿的配置采用正向对称分布，并且腿在主平面内的几何构型采用类似昆虫腿部的L型，八足步行机器人的机构模型如图2-1所示。
图2-1 八足步行机器人的机构模型
2.2 八足机器人的机身设计
为了便于加工以及安装腿部以及分动装置，多足步行机器人多的机体常采用箱型刚体结构[13]。
为了机器人行走稳定性，八足步行机器人在行走过程中，机体重心的投影必须落在四条支撑足的支撑点所构成的四边形区域内，其情况如图2-2所示。当重心投影靠近边界时会是机器人的稳定性急剧降低。为了是机器人在行走时的稳定性得到提高，我们将机身设计的窄而长，将八只腿尽量分散分布，这样就增大了支撑四边形区域的面积增加了机器人行走时的稳定性。
图2-2八足步行机器人行走时的支撑四边形
我们设计的机身侧边留有组装腿部的孔，机身内留出安装桁架限位装置的位置，图2-3为八足步行机器人的机体的三文实体模型。
图2-3 八足步行机器人的机体的三文实体模型
2.3 八足步行机器人的腿部设计
2.3.1 腿部参数确定
腿部机构是八足步行机器人的重要组成部分，也是八足步行机器人机械设计的关键之一。腿部结构设计的要求可归纳如下：
1.实现运动的要求
从八足步行机器人的行走性能出发，一方面要求机器人能走出直线运动，另一方面要求机器人能够以一定的半径实现转弯。同时机器人是通过分动装置将运动和动力传递给腿部，使腿部作出模拟划船的动作实现机器人的前进。因此腿部机构应为不少于三个自由度的空间机构。
2.承载能力的要求
八足步行机器人的腿在行走过程中交替的支撑机体的重量，并在负重状态下推进机器人向前运动，因此必须具备与整机质量相适应的刚性和承载能力。
3.结构实现和控制方便的要求
从结构设计的要求来看，八足步行机器人的腿部结构不能过于复杂，过于复杂会导致结构庞大和传动困难。
自然界中，大多昆虫的腿部结构大致可分为：跟关节，股节，膝关节，胫节和足部几个部分。如图2-4所示。
图2-4 昆虫腿部示意图
因此我考虑机器人的腿部主要有大腿，小腿，足部，以及大腿关节和小腿关节几个主要部分构成。
2.3.2 机器人腿部运动方式设计
腿部通过大腿关节与机身连接，为了完成模拟划船的动作，大腿关节至少要具有上下和前后两个自由度。小腿与大腿之间靠小腿关节连接，要求小腿可以绕小腿关节转动的角度为30°。而为了实现机器人转弯运动，考虑调节机器人两侧的腿伸出长度，当两侧伸出长度不一样时，机器人左右步幅就不一致，长腿边的步幅大，短腿边的步幅小，机器人就会想着短腿一侧发生转弯。
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