第3章多足机器人 3.1多足越障机器人 3.2多足电铲机器人 3.1多足越障机器人本案例由江苏电子信息职业学院提供。 3.1.1设计需求 任务关键点： (1) 多足机器人应满足尺寸要求，重量限制，还有行走方式的不同，目前常见的行走方式有“船足”式、“小老鼠”式和“牛魔王”式的。其他行走方式要么不适用，要么达不到要求。因此在多足运动方式方面就很难有突破口，只能考虑在原有的基础上加以改良。 (2) 数量上虽然没有要求，但是在重量和行走方式的限制下，只能精益求精，多多益善显然是不可行的。 (3) 好马配好鞍，多足机器人能够在比赛中脱颖而出，出奇制胜，主要依靠的就是移动行走方式(也就是常说的“船足”)和攻击结构。因此，如何设计攻击结构也是一项技术难题。 (4) 自救功能： 多足机器人虽然没有生命柱的限制，但是如果操作失误同样是致命的，因此能否自救也是设计的关键点。 (5) 攻击性能： 发挥正常的情况下，通过攻击的有效性从而达到得分的目的。 (6) 安全： 所有制作的机器人不应该给队员、裁判、工作人员、观众、设备和比赛场地造成伤害。如果在现场，裁判认为机器人的行为对人员或设备有潜在危险，可以禁止该机器人参赛或者随时终止比赛。 (7) 优势： 在势均力敌的赛场里，性能强劲的多足机器人更容易攻进对方区域，登上对面高地对堡垒进行撞击，从而得分获胜。 (8) 越障性能： 在道闸处和摆锤处两条日常进攻路线的传统讨论之外，考虑制造仿生车通过峡谷、环形山这一路线以突破对面机器人防守，对对方堡垒进行攻击进而得分。 综上所述，多足机器人设计需求总结为以下三点： (1) 多足机器人如何登上高300mm的环形山； (2) 如何将攻击结构和攀登结构融为一体； (3) 仿生运动机构的调整，如何增加多足机器人的抓地力、运动速度和操控性。 3.1.2机械结构 1. 功能需求 如文后场地图(彩插)所示黄色箭头表示常规的进攻路线。参考以往的比赛情况，数量众多的机器人往往会在这些黄色箭头处形成对峙，很难进行攻击得分。因此可以考虑机器人从绿色箭头处攀爬上环形山，通过峡谷这一路线突破对峙到达对方高地及攻击对方堡垒而得分。 图312019年比赛场地环形山 由于2020年的比赛规则是从2019年的比赛（图31）演化而来，因此环形山的设计增加了两级台阶，削弱了难度。2020年没有对抗环节，这在一定程度上减小了多足机器人的作用。为了以后的比赛回归到对抗上，还是以机器人能独立登上2019年比赛场地环形山为目标。 多足机器人对复杂地形具有很强的适应能力，而且具有行动速度快、行走平稳等特点，但是在攀越300mm环形山时存在困难，所以设计了一种可爬环形山的仿生多足机器人，在爬升支撑爪、爬升辅助爪以及四组多足行走组件的协同作用下，能够实现攀越环形山的功能。 2. 设计图 仿生爪是典型的曲柄摇杆机构，为了提高效率，增加强度，通常采用多个行走脚并联的方式组成一个仿生爪。行走脚之间采用导向柱、销柱以及支撑柱进行连接。端部采用支撑板进行定位固定。仿生爪零件图如图32所示。 这里困难的是确定各个行走脚的曲柄角度位置。利用UG软件对仿生爪的运动进行了动作仿真，以检查曲柄带动各自爪子移动所形成轨迹的情况。通过仿真可以非常直观地了解不同运动时刻的曲柄角度、行走脚的位置信息。通过调节以及实验，得到最适合的运动模式。如图33所示的就是一个运动周期内，四个行走脚运行的状态，分别用不同轨迹表示。这也为后续装配曲柄提供了直观的参考。 图32仿生爪零件图 1—行走脚； 2—导向柱； 3—支撑柱； 4—支撑板； 5—曲柄； 6—销柱 图33仿生爪运动轨迹仿真 图34~图37为设计的多足机器人从部件装配到整体的一个完整的结构图。可以通过图38、图39完整地了解多足机器人，特别是足部的细节构成。 设计好的机器人需要通过运动仿真来检验以下几个问题。 图34单侧侧板及仿生爪组装 图35双侧侧板及横梁组装 图36加装底板 图37整体结构示意图 图38多足仿生机器人装配图 1—侧板； 2—管状支撑横梁； 3—底板； 4—多足行走组件； 5—电路保护罩； 6—爬升电机保护罩； 7—爬升辅助爪； 8—爬升支撑爪； 9—蜗轮蜗杆减速器； 10—减速器输出轴联轴器； 11—支撑柱 尺寸超标检查： 主要是检查爬升支撑爪的两个突出部的尺寸有没有超过规则的限制（≤600mm）。虽然2020年的规则有1200mm的放宽，但是那是在比赛开始以后机器人存在变形时才具备的，考虑到常规情况这里还是做600mm的限制。由于爬升支撑爪的两个突出部是机器人尺寸的最大外延，因此对它们进行仿真可以检测机器人尺寸超标与否。因为两个突出部相对电机旋转中心存在角度差，所以分别做了它们两个的运动高度仿真模拟，如图312所示。 运动构件干涉检查： 在船足零件设计过程中，对腰形孔与定位销柱进行了动态测量分析，计算多足行走机构运动过程中每一步中两个组件之间的最小距 图39多足仿生机器人装配爆炸图 2—管状支撑横梁； 12—管状支撑横梁法兰； 13—行走电机； 14—底板安装箍； 41—第一曲柄； 42—轴承； 43—行走脚； 44—销柱； 45—第二曲柄； 46—第三曲柄； 47—导向柱； 48—支撑柱； 49—支撑板 图310机器人运动过程仿真 图311机器人攀爬环形山示意图 图312爬升支撑爪运行高度仿真结果 离，为腰形孔的尺寸及位置的优化设计提供依据。此外，在辅助脚的尺寸设计及蜗轮蜗杆减速箱输出轴的定位过程中设置了辅助脚与车体的运动干涉分析，追踪有可能发生干涉的位置，为辅助脚的设计以及减速箱输出轴的定位提供指导。通过运动仿真分析，大大提高了机器人设计的准确性，以及多足机器人的设计与迭代效率。 运动平稳性： 作为对抗性的比赛，冲击难以避免。但是机器人自身运动时则需要尽量保持运动平台的稳定性。设计类似一个三自由度的“防抖”的系统。通过如图313所示仿真，选取机器人上四点做位移量仿真计算，发现均存在较好的平顺性，且基本保持一致。这样就使得整个机器人平台具有了一定的平稳度。从而使基于平台定位的各个部件也都具有了平稳性。 图313机器人运动稳定性仿真 动作可行性： 仿生机器人设计的最终目的就是登上环形山，然而在攀爬过程中，其各个姿态的确定需要通过仿真来确定。利用UG软件可以很方便地将机器人的重心变化情况反映出来(图314)。从而得到机器人攀爬环形山的各个阶段（图315），尤其是重心突变的阶段需要电机输出更大的转矩来做功。 图314机器人攀爬环形山重心移动示意图 图315机器人攀爬环形山各阶段姿态图 3. 材料和加工 材料和加工见表31。 表31 零件材料性能采购成本加工 行走脚 支撑板 曲柄 6061铝合金 极限抗拉强度为≥205MPa 受压屈服强度为55.2 MPa 弹性系数为68.9GPa 弯曲极限强度为228 MPa 当地的五金市场； 淘宝低数控铣 导向柱 支撑柱 304不锈钢 极限抗拉强度≥520MPa 条件屈服强度≥205MPa 伸长率δ5 (%)≥40 断面收缩率ψ(%)≥60 硬度： ≤187HBW； ≤92HRB； ≤210HV 淘宝中等钳工 工艺流程： 行走脚： 备料—铣削加工—钻孔攻牙加工 导向柱： 备料—铣削加工—钻孔攻牙加工 支撑柱： 备料—车削加工—钻孔加工 支撑板： 备料—铣削加工—钻孔攻牙加工 曲柄： 备料—铣削加工—铣削加工 销柱： 备料—车削加工—钻孔加工 零件编程图(基于UG)，如图316，图317所示。机器人零件（支撑板）工艺卡如图318所示。 图316机器人零件(侧板、 爬行支撑爪)编程图 图317机器人零件(支撑板)编程图 3.1.3控制系统 1. 控制系统框图 控制系统由硬件层和软件层构成。图319表示整个控制系统的总体结构。