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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 凸輪驅(qū)動(dòng)控制式四足機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類(lèi)：
- 機(jī)械與控制
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作A類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 本四足行走機(jī)器人采用雙軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)十二個(gè)凸輪，實(shí)現(xiàn)四足行走機(jī)器人的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，較好的模擬出了四足行走機(jī)器人在真實(shí)情況下的運(yùn)動(dòng)。
- 詳細(xì)介紹：
- 本四足行走機(jī)器人的雙軸電動(dòng)機(jī)在單片機(jī)控制狀態(tài)下，能夠?qū)崿F(xiàn)不同速度的轉(zhuǎn)動(dòng)，以及不同方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，能很好的模擬動(dòng)物在不同速度下的運(yùn)動(dòng)情況。電機(jī)兩頭帶動(dòng)兩個(gè)錐齒輪旋轉(zhuǎn)，通過(guò)與這兩個(gè)錐齒輪相嚙合的錐齒輪，將運(yùn)動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)90度，改變了傳動(dòng)方向，同時(shí)將動(dòng)力傳到了下一傳動(dòng)軸上，進(jìn)而保持了運(yùn)動(dòng)的延續(xù)，該兩側(cè)的傳動(dòng)軸上各有6個(gè)凸輪，總計(jì)12個(gè)，這是本四足模擬動(dòng)物的最核心部件，主要通過(guò)這12個(gè)凸輪將運(yùn)動(dòng)形式傳遞到四足行走機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)上，進(jìn)而通過(guò)凸輪的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)四足行走機(jī)器人的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹Ｆ渲邪ㄗ⊥馆喺{(diào)節(jié)，髖關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)，膝關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)，三中調(diào)節(jié)互不影響，但是協(xié)同工作，這三種調(diào)節(jié)都是通過(guò)彈簧復(fù)位實(shí)現(xiàn)凸輪推桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)與凸輪推桿相連動(dòng)的髖關(guān)節(jié)，大腿，小腿的運(yùn)動(dòng)。這里主要介紹膝關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)，膝關(guān)節(jié)凸輪通過(guò)推動(dòng)齒條（推桿）運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)與齒條相嚙合的齒輪運(yùn)動(dòng)，繼而通過(guò)與齒輪剛性相連的帶輪，帶動(dòng)帶輪，再通過(guò)帶輪3級(jí)帶動(dòng)，將運(yùn)動(dòng)形式傳遞給膝關(guān)節(jié)，從而調(diào)節(jié)小腿的運(yùn)動(dòng)，大腿主要通過(guò)髖關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)，主凸輪調(diào)節(jié)大腿與身體之間部分的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)為了減輕四足行走機(jī)器人身體的重量，本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)四足行走機(jī)器人的主要零部件，以及輔助零部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化；同時(shí)為了保持四足行走機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的平衡，對(duì)四足行走機(jī)器人身體進(jìn)行了保持狗身平衡運(yùn)動(dòng)的優(yōu)化嘗試，盡最大可能的保持四足行走機(jī)器人平衡運(yùn)動(dòng)。
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的： 仿生機(jī)器人是目前國(guó)際上研究的熱點(diǎn)，四足機(jī)器人作為仿生機(jī)器人的一種重要形式，得到了廣泛的研究與關(guān)注。目前，四足機(jī)器人的研究側(cè)重于在四足機(jī)器人的關(guān)節(jié)處安裝伺服電機(jī)，采用復(fù)雜的控制算法，控制機(jī)器人的步態(tài)與行走軌跡。然而，伺服電機(jī)的采用致使機(jī)器人的本體機(jī)構(gòu)重量增加，成本增加，控制策略復(fù)雜。因此，對(duì)于簡(jiǎn)單的機(jī)器人步行，引入凸輪驅(qū)動(dòng)控制方式，代替驅(qū)動(dòng)電機(jī)，無(wú)疑具有較大的理論意義與工程實(shí)踐意義。 基本思路： 1.以狗為例分析四足動(dòng)物的步態(tài)規(guī)律，為機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)； 2.提出適當(dāng)假設(shè)，簡(jiǎn)化步態(tài)公式，進(jìn)行步態(tài)建模； 3.根據(jù)步態(tài)建模，分析腿機(jī)構(gòu)的行走機(jī)理并建模，確定行走軌跡； 4.根據(jù)腿機(jī)構(gòu)的行走機(jī)理，反推驅(qū)動(dòng)凸輪輪廓，并建立行走機(jī)構(gòu)模型； 5.采用三維建模軟件Pro/E和動(dòng)力學(xué)仿真軟件Adams進(jìn)行虛擬樣機(jī)建模與分析； 6.加工機(jī)械零部件，對(duì)于凸輪軸采用快速成型等先進(jìn)的加工方式； 7.裝配樣機(jī)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)； 8.樣機(jī)實(shí)驗(yàn)與改進(jìn)。 創(chuàng)新點(diǎn)： （1）提出一種凸輪驅(qū)動(dòng)控制式四足機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)； （2）提出一種四足機(jī)器人的腿機(jī)構(gòu)模型； 技術(shù)關(guān)鍵： （1）四足動(dòng)物的步態(tài)規(guī)律與行走軌跡約簡(jiǎn)； （2）四足機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)機(jī)理分析與建模； （3）凸輪型線(xiàn)建模與分析； （4）物理樣機(jī)研制。 主要技術(shù)指標(biāo)： 重量：5.2Kg；外形尺寸：（長(zhǎng)寬高）50cm×25cm×50cm；步距：20cm；步行速度：可變；最大離地高度：50mm；負(fù)載：無(wú)。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本項(xiàng)目引入凸輪驅(qū)動(dòng)控制方式，代替?zhèn)鲃?dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，來(lái)驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人行走，具有較大先進(jìn)性。項(xiàng)目組發(fā)表中文核心期刊論文3篇，《四足機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)理論分析》，《基于凸輪控制驅(qū)動(dòng)式的四足機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與理論分析》，《凸輪控制驅(qū)動(dòng)式四足機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)》。 電氣控制即利用伺服電機(jī)作為執(zhí)行裝置，由控制器按照控制函數(shù)對(duì)應(yīng)的控制算法，產(chǎn)生控制信號(hào)。目前，很多四足機(jī)器人的研究主要側(cè)重于在四足機(jī)器人的關(guān)節(jié)處安裝伺服電機(jī)，采用非常復(fù)雜的控制算法，控制機(jī)器人的步態(tài)與行走軌跡。然而，伺服電機(jī)的采用致使機(jī)器人的本體機(jī)構(gòu)重量增加，成本增加，控制策略復(fù)雜。在本課題中，由于每條腿有三個(gè)參數(shù)需要控制，四條腿就有12個(gè)參數(shù)要控制，即若選擇伺服電機(jī)作為執(zhí)行裝置，就需要安裝12部伺服電機(jī)，再加上與這些電機(jī)匹配的減速器，電氣控制的重量輕、體積小的特點(diǎn)就顯示不出來(lái)了。針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)于簡(jiǎn)單的機(jī)器人步行，引入凸輪驅(qū)動(dòng)控制方式，代替驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2010年10月獲得全國(guó)三維數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽山東賽區(qū)一等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)未轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 模型，圖片
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 該設(shè)計(jì)可以用一個(gè)電機(jī)通過(guò)四套凸輪機(jī)構(gòu)，對(duì)四足行走機(jī)器人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，克服了用多個(gè)電機(jī)分別控制前后足行走的而造成四足不能完全協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，該設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，可以減小四足行走機(jī)器人自身的重量，為運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)提供很大便利。也可以為以后該設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中材料的選取提供了一定的可選性。隨著經(jīng)濟(jì)生活的提高，現(xiàn)在人越來(lái)越需要由機(jī)器人來(lái)替人完成一定的工作。四足行走機(jī)器人可以在生活中幫助人們完成許多繁瑣的工作，節(jié)約大量的時(shí)間，提高工作效率。在未來(lái)10～20年之內(nèi)，四足行走機(jī)器人將會(huì)廣泛應(yīng)用到人們的生活、學(xué)習(xí)和工作等各個(gè)領(lǐng)域，成為人們不可或缺的工具。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 足式機(jī)器人是近年來(lái)機(jī)器人研究的一個(gè)比較活躍的領(lǐng)域，其涉及學(xué)科主要有機(jī)器人學(xué)、生物學(xué)、控制理論、傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)等。因其運(yùn)動(dòng)方式不同于傳統(tǒng)的輪式、履帶式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，并克服上述兩種機(jī)構(gòu)在崎嶇路面運(yùn)動(dòng)過(guò)程的種種缺點(diǎn)，如平穩(wěn)性、通過(guò)性和機(jī)動(dòng)性等，所以得到了各國(guó)科學(xué)家的大力關(guān)注。其中四足機(jī)器人因其機(jī)構(gòu)和控制方法相對(duì)簡(jiǎn)單故成為足式機(jī)器人的一種理想研究對(duì)象。 自20世紀(jì)80年代機(jī)器人學(xué)的開(kāi)拓者、美國(guó)著名機(jī)器人學(xué)專(zhuān)家R.B.McGhee等開(kāi)始研究四足步行機(jī)器人以來(lái)，步行機(jī)器人的研究一直是眾多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。 1．國(guó)外研究現(xiàn)狀 （1）1994年，日本電氣通信大學(xué)的木村浩等研制成功四足機(jī)器人Patrush-II。從2000~2003年，日本人木村浩等又研制成功四足步行機(jī)器人Tekken。 （2）從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，日本東京工業(yè)大學(xué)的瀨茂男等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行四足機(jī)器人研究。所在實(shí)驗(yàn)課題組持續(xù)研究20多年，共試制成功3個(gè)系列，12款四足機(jī)器人。 （3）美國(guó)的MIT，卡耐基梅隆大學(xué)，加拿大，德國(guó)，法國(guó)，新加坡，韓國(guó)等國(guó)家均有四足機(jī)器人樣機(jī)研制成功。 2．國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 （1）吉林工業(yè)大學(xué)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，由陳秉聰教授和莊繼德教授分別帶領(lǐng)的兩個(gè)研究小組，開(kāi)始進(jìn)行非常規(guī)行走機(jī)構(gòu)的研究。 （2）1985年，陸懷民博士研制出一臺(tái)具有兩條平行四邊形腿的步行機(jī)耕船試驗(yàn)臺(tái)車(chē)，在土槽試驗(yàn)中表現(xiàn)出較高的牽引效率，主要用于無(wú)硬底層的水田耕作。 （3）1989年，北京航空航天大學(xué)在張啟先教授的指導(dǎo)下，孫漢旭博士進(jìn)行了剛性足步行機(jī)的研究，試制成功了一臺(tái)四足步行機(jī)，并進(jìn)行了步行實(shí)驗(yàn)。 （4）清華大學(xué)機(jī)器人及智能自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室正在研制QW-1四足全方位步行機(jī)器人。 （5）1991年，上海交通大學(xué)馬培蓀等研制出JTUWM系列四足步行機(jī)器人。
