蚂蚁机器人设计.docx

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1、蚂蚁机器人设计灵感来源：蚂蚁是人们常见的一类昆虫，很简洁识别。蚂蚁在运动时具有较高的机动性和敏捷性，能够较轻易地完成行走、奔驰、越障、攀爬等动作，且身体构造相对简洁，简洁仿照。蚂蚁构造及原理：蚂蚁的身体分为头、胸、腹三局部，胸部有 6 足， 体壁薄且有弹性，有膜翅，硬而易碎。头部有触角，其作用之一是可以探明四周的环境，例如遇到障碍物时，通过触角可以感知其大小、外形、硬度等方面的状况，同类也是通过触碰触角来传递信息。胸部六足中前足的距大，梳状，为净角器清理触角用，蚂蚁肢体上的骨头长在肌肉外面，具有很强的硬度和韧性，适于完成行走、搬运等功能。各足均为 3 个主关节组成， 空间自由度大，可以敏捷转向

2、、越障、调整身体姿 态等。足尖具有较为特别的构造如下图：可以完成攀爬较为粗糙的物体如树皮、岩石等。腹部第 1 节或 1、2 节呈结状。设计用途：蚂蚁机器人可完成多项根本机器人功能，如搬运物体、智能识别、信息传递、空间位移等，由于具有小巧、敏捷等特点，蚂蚁机器人亦可完成一般机器人不能完成的任务，如搜寻、排查故障、甚至军事侦查、窃听等，可应用在地震救灾、极端环境探测、消遣效劳、航天航空和军事等领域。构造设计：蚂蚁机器人身体构造设计主要承受“关节式”构造设计，1马上全身各主要局部设计为各个独立的关节，每个关节都有局部相对独立的功能，关节与关节之间通过传动装置及掌握装置连接，以增加整体的敏捷性与机动性

3、。下面介绍各主要关节的特点及功能：1. 头部关节：此关节主要包含用于实际的探测传感装置。眼部设计为光线传感装置，可感受外界光线变化，获得相应信息，传递给主芯片处理；头部可加一对“天线触角”，用于与掌握人员交换信息。仿照蚂蚁安装两颚，呈钳钩式，用于简洁的搬运等。2. 胸部关节：此关节主要包括主掌握芯片及外部六足构造。主掌握芯片安装在“胸腔”内部，用于机器人各部位的主要掌握；胸部关节两侧各安装三个足式机构，用于完成行走、奔驰、转向、越障、低要求攀爬等运动功能。同时对称安装两对可伸缩小轮，以实现足轮混合移动。3. 腹部关节：此关节主要包括微型电池、平衡掌握装置、局部传感装置等。4. 足式机构：机器人

4、腿部亦承受关节式连杆构造。腿上各局部的摆 动或转动完全依靠直流伺服电机掌握，这样可以使构造紧凑，足 端可达运动空很大，且运动敏捷。由于关节式腿的关节是铰接的， 在步行过程中的失稳状态下具有较强的姿势恢复力量。同时，为 提高步行速度，将弹性步行机构应用于该蚂蚁机器人机器人，产 生缓冲和储能效果。每条腿为二连杆，在脚步增加仿蚂2蚁足部的钩爪，以增加其攀爬越障的力量。由于腿部可控自由度越多， 敏捷性越好，但每一个可控自由度需要配备一个驱动电机和一套传动机构。故二连杆构造在可行性上优于三连杆。腿部构造到达的初步要求：1.运动要求 2.承载负荷要求 3.机构实现和掌握力量要求 4.至少 3 个自由度，以

5、实现在空间内的移动 5.材料有足够的刚性，质量尽可能小对于大腿关节，由伺服电机驱动和绳传动，具有前后转动和上下转动两个自由度，膝关节具有一个上下转动的自由度。小腿承受缓冲装置如以下图，当 E 点受力时，BE 弹簧受压收缩；同时，CE 连杆带动 ABC 杆顺时针转动，AD 弹簧受拉力而伸长。通过调整两弹簧的劲度系数即可掌握器缓冲性能。连接小腿的爪部由三局部构成，中间的脚掌和两侧的钩爪。在平地行进时，脚掌接触地面，钩爪收于两侧，可以平稳行进。翻越障碍时， 钩爪通过与小腿连接的伸缩杆伸出，在脚掌下咬合以抓牢附着物，实现攀爬。3行进步态：机器人直行时，承受三角步态。即每侧前后足与另一侧中间的足为一组，

6、两组交替行进。任意时刻，总有3 只脚接触地面，到达稳定行进的效果。转向时，通过掌握两侧足部转角实现平稳转向。5.平衡掌握装置：如图3所示，机器人尾部左右两侧水平位置各安装有1个红外测距传感器，可以测量与地面之间的距离d1和d2。当机器人在竖直状态时，左右传感器距离差为零。当机器人倾倒时，距离差与倾倒角度成函数关系如下：sin =(d2-d1)D其中，D为传感器之间的距离。机器人在竖直动态掌握时倾倒角度范围较小，此时sin，即可由传感器的距离信息得到机器人的倾倒角度。角速度可以通过对时间求导获得。当尾部偏离平衡位置(竖直位置)向前倾斜时，传感器采集信息并传送到单片机进展计算和推断，腿部随之做出响

7、应向前运动，将机体向平衡位置调整；同样当机体向后倾斜时，腿部将向后运动。这样机器人始终处在倾斜推断、运动调整的动态过程中，使尾部始终保持在平衡位置四周，进而使整个机器人保持平衡，到达一种动态平衡。 6.关节连接装置：三大主要关节构造之间可利用轴套连接装置和齿 轮，头部关节具有较大自由度，可实现前后移动及转动，而腹部自由4度相对较小，调整重心，以兼顾平衡掌握。掌握方案：蚂蚁机器人的掌握主要表达在行走掌握，而行走掌握需要多个子系统来完成，这些子系统主要有：1） 六腿共 18 个自由度的关节协调掌握子系统，2） 不同步态和足的相位序列的掌握子系统特有的掌握子系统；3） 整体机身的姿势监控子系统；4） 地形环境的感知建模子系统；5） 基于感知环境地图的路径规划子系统；6） 障碍的躲避和越障策略子系统。系统的掌握主要利用单片机来实现。三对足的伺服掌握由一个单片机完成，头部、腹部的传感器各用一个芯片掌握，整个系统的掌握由另一主单片机统一掌握。材料选择：腿部主要构造选用 40Cr 合金调质钢，小腿部的缓冲弹簧选用Q235 一般碳素钢，机器人外壳局部选用ZAlSi12 铝合金。其他局部依据各相应工业标准选用即可。设计人：尹承振马天宇5