第3章 仿生六足机器人的设计
能好，且有较高的柔性和可靠性，十分适用于高精度、高性能的机器人。伺服电机包括带有反馈的直流电机、交流电机、无刷电机等。其中，直流电机是最常见的和成本最低的小型电机，其特性使它成为调速系统最容易使用的电机，并且已广泛用于各领域。无刷直流电机以电子组件和传感器取代电刷，不存在整流子与电刷之间的摩擦，也不存在高速回转下杜绝整流火花而要求的转矩界限，因此不但可以延长电机寿命、减少维护成本，而且能提供更高的可靠性以及更低的噪声。基于这些特性，我设计的仿生六足机器人采用无刷直流电机作为驱动器。
为了满足仿生六足机器人作业使命的各项要求，其驱动电机的选择至关重要，它与机器人运动功能的实现、控制硬件的配置、电源能量的消耗、系统控制的效果都有很大关系。首先必须考虑电机能够提供负载所需的瞬时转矩和转速，从注重系统安全的角度出发，还要求电机具备能够克服峰值负载所需的功率。此外，其他方面的诸多因素也需要加以考虑。但在多种影响因素中，主要因素有以下几种：
（1） 质量和体积。在初拟设计方案时，机器人的总体质量往往是预先给定的，而在机器人的总体系统中，电机及其附件的质量和体积所占比例较为突出，因而选择体积小、质量轻的电机，能够有效达到减轻系统总体质量、缩小系统总体体积的目的。
（2） 驱动功率。仿生六足机器人在不同地形条件下行走时，各条腿的姿态不同，各关节所需的驱动力矩也不同，需要具体问题具体分析、不同问题不同处理。因此，电机的确定必须综合考虑系统的驱动效率、安全系数以及所需最大驱动力矩等多项要求。
（3） 转速。相对而言，仿生六组机器人的步行速度较慢，所有关节的转速都是从高速转动的电机轴上经过减速得到的，因此电机必须有足够的转速调节范围。
仿生六组机器人的受力状况非常复杂，需要对其进行仔细分析和科学研究才能为机器人驱动性能指标的合理确定提供依据，通过对机器人进行静力学分析来初步估算机器人腿部稳定工作条件下的受力情况，并得到一些有价值的结论。
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燕山大学本科生毕业设计（论文）
从机器人支撑腿受力简图2－4可知，跟关节回转轴线与其他关节轴线垂直，且与地面支撑反力P所在平面平行，所以支撑反力P对于跟关节施加的负载扭矩的矢量方向与跟关节转轴垂直，该转矩大部分由跟关节转动轴承承受，并作用于其他关节上，所以此处不对跟关节进行深入研究。
针对仿生六足机器人支撑腿的受力状况，其虚位移平衡方程的分析如下：
首先用q1，q2，?，qn表示质点系的广义坐标，既有
?x??xi?q??xi?i?q?q???xi12?qn1?q2?qn
xs2?12l2cos?2?xs2?q??l2sin?222?xs2?q?03x1s3?l2cos?2?2l3cos(?2??3)?xs31?q??l2sin?2?322l3sin(?2??)?xs3?1?q2l3sin(?2??3)3xp?l2cos?2?l3cos(?2??3)?xp?q??l2sin?2?l3sin(?2??3)2?xp?q?l3sin(?2??3)3则仿生六足机器人步行足的广义平衡方程为：
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，
，，，，，，，，第3章 仿生六足机器人的设计
??gsinm2m3?lM22??Pl2sin2?l3sin(2?3)?0?2gl2sin?12?????2??
1sin(2l3??2??)3??
M3?1gsin(?)?Pl3sin?(2??3)?0 2m3l3?2?3其中M2、M3为髋关节和膝关节所需扭矩，l2、l3、m2、m3为股节、胫节的长度和质量。
从保证机器人机械结构设计的合理性出发，希望知道机器人在运动过程中腿部处于何种姿态承受的负载力最大，腿上每个关节所需的驱动力矩有多少，需要多大的关节驱动力矩才能够满足机器人在复杂环境中的运动。要回答以上问题，就必须求得机器人腿部承受的最大负载和关节承受的最大力矩。假设仿生六足机器人按“三角步态”行走时，支撑相三足均匀承受负荷，则足部支反力为：
1P?mg3
经分析与比较，决定选用瑞士MAXON公司生产的maxon电机、减速器以及相应配套使用的编码器和制动器，电机+减速器+编码器+制动器总质量为304g，总长度为121.5mm。经测量可知，仿生六足机器人腿部各节质量和长度为：l2=160mm，m2=400g，l3=240mm，m3=450g，机器人总质量和有效负载为m=13kg。在仿生六足机器人实际运动中，存在45°≤?2≤135°，-30≤?2-?3≤30°。据此，可估算各关节所需扭矩为：
M
2?Pl2sin?1?sinm2l22?2??gsinm3?l22??l3sin(2?3)??????1?l3sin(22?2???)3??M3??1gl3sin(m32?2?3)?Pl3sin(?2??3)
当θ2=90°，θ2-θ2=30°时，关节所需输出扭矩最大值为：
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M2max?11??g?g?sin30????Pl2?l3sin30??9.8N?m2m2l2m3?l22l3???1gsin30??Pl3sin30??4N?m mM3max3l32通过计算可知，该仿生六足机器人的髋关节、膝关节驱动系统必须具有
??9.8N·m和4N·m的转矩。前面所选MAXON公司的EC-max22电机和GP32C减速器，其输出最大连续转矩MB为6 N·m，允许瞬间输出的转矩Mmax为7.5 N·m，已经满足膝关节驱动的基本要求，至于髋关节的驱动，虽然转矩有所不够，但可以通过齿轮传动副来增大转动比、提高驱动转矩，使之达到规定的要求。
2. 传动设计
仿生六足机器人跟关节的驱动装置为电机＋减速器，跟关节的转动由减速器主轴的旋转运动予以实现，而髋关节和膝关节的驱动装置中除采用电机＋减速器外，还增加了一级锥齿轮传动，将经减速器主轴传出的旋转运动改变方向，使转动的输出轴线和腿部中心线重合，以适应仿生六足机器人腿部细长的机构外形。机器人腿部三关节驱动器与减速器的选型及相关参数如下所示，其中总长、总重指电机+减速器+编码器+制动器的长度与质量。
由于仿生六足机器人髋关节驱动所需最大转矩为9.8 N·m，因此所加锥齿轮传动副的减速比应为：
igear?M??M2maxB?9.8?1.80.9?6
如果选取锥齿轮传动副小、大齿轮的齿数比为16：30，则减速比
30?n1igear?16?1.88 n2此时电机和减速器的选择都是可靠的。
下面根据仿生六足机器人预期运动目标，对减速器和传动比进行选择。为了实现仿生六足机器人巡航前进速度0.2m/s的要求，由一下校核公式可初步选取有关参数：步长S=200mm，步长周期T=0.6s，在占空系数β=0.5
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的情况下，估算关节转速大约为25r/min。所以总传动比i=8000/25=320，由于机器人膝关节处还采用了一级锥齿轮传动副减速，故与电机配套使用的减速器，其传动比应为
i 型号 GP?ii?gear320?1691.89
表3-1 驱动系统选型及相关参数列表
电机 标称 最大连 最大允 功率 续转矩 许转矩 减速器 型号 总长 备注 减速比 （mm） 齿轮 传动比 320：1 128.1 无 16：30 16：30 跟关节 EC-max 髋关节 22 膝关节
25W 20.2mNm 18000r/m GP-32C 190：1 121.5 190：1 121.5 需要指出，仿生六足机器人传动系统采用锥齿轮传动副主要出于两个考虑，一方面用于相互垂直的轴线间的运动传递，以改变电机输出运动的方向；另一方面，可将该锥齿轮传动副的传动比设置为大于1，以提高所在关节处的驱动力矩。
3. 轴承选择
仿生六足机器人的运动是靠运动副（关节）的正常工作来实现的，因此运动副的摩擦性能对机器人的工作性能影响很大。采用什么样的轴承，提供什么样的润滑，如何保持良好的工作条件，这些都对机器人的正常运动起着非常重要的作用。不同结构的轴承具有不同的工作特性，不同的适用场合和安装部位对轴承的结构和性能也有不同的要求。选择轴承时，通常都是从轴承的有效空间、承载能力、速度特性、摩擦特性、调心性质、运动精度和疲劳寿命等方面进行综合考虑。在为仿生六足机器人选择轴承时，还需要注意下面两个因素。
第一，由于微小型系统自身的能量十分有限，如关节电机的连续转矩只有6 N·m，如果能够通过选取合适的轴承来减小摩擦力矩、降低系统能耗，
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