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1、仿生機械螃蟹的設(shè)計 機械創(chuàng)新設(shè)計 專業(yè)：機械設(shè)計制造及自動化 班級：07機制（2）班 姓名：鄒彥飛 學(xué)號：200701020002 仿生機器蟹的設(shè)計方案 一、 仿生機器蟹的原理方案構(gòu)思和擬定 螃蟹以其獨特的橫向行走方式而標(biāo)新立異于動物界，從而備受注 目。我正是捕捉到這一點，與仿生機械的創(chuàng)新設(shè)計聯(lián)系起來，擬定做 一個具有仿生功能的機器蟹。 此機器蟹首先必須仿螃蟹的橫 向行走，即也必須使其大腿能夠抬起， 而小腿能夠向大腿所指方向邁出，當(dāng)其腳落地時能夠抓住地面，通過 運動帶動整個身體向一側(cè)行進。 聯(lián)想到曲柄搖桿機構(gòu)，利用其在曲柄旋轉(zhuǎn)時搖桿在兩個極限位置 擺動這一特性，恰好仿似螃蟹

2、小腿的擺動。蟹有八條腿，我采用了八 個經(jīng)過改動后的曲柄搖桿機構(gòu)來模擬。行走時四條腿著地作為支撐， 并抓地向后運動而另外四條腿抬起，向前運動，當(dāng)抬起運動的四條腿 伸到前面最遠(yuǎn)時著地，此時抓地的四條腿運動到向后的極限處并抬 起。以此循環(huán)往復(fù)，從而實現(xiàn)了蟹的橫向行走。 蟹遇到障礙是可以轉(zhuǎn)向的，但并不象其他動物一樣能立即轉(zhuǎn)開， 而是不斷的轉(zhuǎn)動很小的角度，做一個類似弧線的運動。采用兩個電機 不同向旋轉(zhuǎn)帶動兩個曲柄搖桿系統(tǒng)運動，從而帶動身體在縱向緩慢挪 動。 蟹的兩個前螯能夠一張一合來夾起食物，我通過一個電機拉動仿 生機器蟹的兩個前螯以實現(xiàn)其收攏與張開。 二、仿生機器蟹的原理方案初定 1. 仿生機

3、器蟹的橫向行走機構(gòu)： 用更改后的曲柄搖桿機構(gòu)來模擬蟹腿，用兩個電機分別控制八條 腿，每個電機控制前或后的四條腿。一條腿的設(shè)計簡圖為： 搖桿3 仿蟹腿的機械原理 其中大腿的根側(cè)與電機都連在螃蟹的身體上，這樣當(dāng)電機帶動曲 柄（曲軸）轉(zhuǎn)動時，大腿能實現(xiàn)向上擺動，即帶動小腿離地。而在大 腿擺到下面時，小腿的腳可以抓住地面。因電機始終在旋轉(zhuǎn)，則搖桿 與電機的相對擺動便使電機向指定的方向運動。 2、仿生機器蟹的轉(zhuǎn)向機構(gòu)： 我采用兩個電機不同時旋轉(zhuǎn)帶動兩個曲軸系統(tǒng)的不同角度旋轉(zhuǎn)， （1） ：前面蟹腳移動一個步距Q，后面的蟹腳移動步距P，兩個電機 都是正向旋轉(zhuǎn)時，Q和P是不相同的，可實現(xiàn)邊行

4、進邊轉(zhuǎn)向。 （2） ：同理，但此時兩電機是不同向旋轉(zhuǎn)，可實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。 利用此原理實現(xiàn)蟹的轉(zhuǎn)向。 轉(zhuǎn)向機構(gòu)圖 3、蟹的前螯與鉗子設(shè)計 由于螃蟹的鉗子只是半只能動的，故我設(shè)計了如圖的機構(gòu)來模仿鉗子，用一 只很小的電磁鐵機構(gòu)來控制鉗子的張閉。 用一個電機轉(zhuǎn)動帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，從而拉動蟹的兩個前螯，實現(xiàn)其張合，實現(xiàn) 仿螃蟹的夾事功能，如圖所示： 電磁鐵 4. 蟹的八條腿的橫向行走時序： 蟹剛放到地上開始運動以前，電機不轉(zhuǎn)。蟹右側(cè)的四條腿中第一 條（右一）與第四條（右四）的小腿處于與身體最遠(yuǎn)的極限位置，而 第二條（右二）與第三條（右三）則處于與身體最近的極限位置；左 一與左

5、四也處在與身體最遠(yuǎn)的極限位置，左二與左三處在與身體最近 的極限位置。但電機所帶動控制兩側(cè)大腿的搖桿位置恰好相反。此時 帶動右一與右四、左二與左三的電機所帶動的搖桿剛好位于小圓半徑 的開始處頂著大腿，而帶動右二與右三、左一與左四的電機所帶動的 搖桿剛好位于大圓的半徑的開始處頂?shù)酱笸取．?dāng)電機旋轉(zhuǎn)帶動與此相 連的搖桿和曲柄一起做等速轉(zhuǎn)動時，右二與右三的腳開始離地，右一 與右四的腳開始抓住地面拖動電機向右側(cè)運動，同時左一與左四的腳 與地面分離，左二與左三的腳開始推動電機向右側(cè)運動。當(dāng)右一與右 四、左二與左三同時到達另一極限位置時，右二與右三、左一與左四 也同時到達另一極限位置，此時帶動大腿的搖桿處于的

6、交替位置，即 右一與右四、左二與左三的搖桿將使其離地，右二與右三、左一與左 四落地開始，并且右邊拉，左邊推使身體向右側(cè)運動。當(dāng)左右側(cè)的腿 又到達極限位置時，便開始重復(fù)第一過程，且此時搖桿與曲柄均剛好 旋轉(zhuǎn)一周。一個周期的狀態(tài)圖如下所示： 1 1 2 2 機器蟹八足的位置 3 4 3 4 一個周期的第一狀態(tài) 右側(cè) 左側(cè) 一個行走周期的第二狀態(tài) 三、尺寸與傳動的設(shè)計計算與說明 1. 曲柄搖桿機構(gòu)尺寸計算 建立各個桿件的三角函數(shù)關(guān)系，利用matlab計算各桿件的長度 初定 AB=AC=18MM（ —下單位都為MM） AD=35 DE=42

7、 EF=61 FG=51 GH=64 BE=57 CG=93 利用catia v5與simdesigner運動仿真模擬一條腿的運動得出下列圖 線 創(chuàng) Ml] sMMMM HHOH IBEBlial -1 I rwa I MolhI 曲線的下半段為觸地點的運動曲線0.0到35.0之間接近直線符合方 案。 2. 傳動方案的設(shè)計 本設(shè)計采用電動機下肢的結(jié)構(gòu)，這樣可使機械螃蟹的重心降低， 行走平穩(wěn)，而且能合理利用空間。電機1軸上裝一個齒輪與齒輪2的 齒數(shù)相同，此處的此輪只做轉(zhuǎn)動變向使用。齒輪2與曲軸同軸，由電 動機帶動齒輪1，傳動到齒輪2進而帶動曲軸的轉(zhuǎn)動。 傳動方案設(shè)計簡

8、圖如下： 電機與齒輪1同軸, 齒輪2 吿輪I 齒輪2與曲軸同軸 齒輪1 齒輪2 四、機械螃蟹的控制 用一個測距傳感器測量此機械與障礙物之間的距離，當(dāng)距離達到 某一設(shè)定值時發(fā)出轉(zhuǎn)向信號給單片機。單片機控制驅(qū)動機械轉(zhuǎn)動的兩 個電機，但單片機向電機發(fā)出正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的驅(qū)動信號，尚取決于此電 機帶動的兩條腿是否著地。我們在大腿上設(shè)計了 一個類似于開關(guān)的裝 置，當(dāng)大腿抬起時開關(guān)接通，給單片機發(fā)出一個使電機反轉(zhuǎn)的信號， 而當(dāng)腿著地時，開關(guān)斷開，給單片機發(fā)出一個驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)的信號。 當(dāng)避開障礙物時，測距信號消失，不管大腿上的開關(guān)是否發(fā)出信號， 單片機不向電機發(fā)出任何轉(zhuǎn)向信號。 靜觸頭

9、 動觸頭 上圖為控制腿上發(fā)出信號的機構(gòu)。靜觸頭接單片機的某一中斷口，動 觸頭接地線。這樣，當(dāng)大腿抬起時兩觸頭接觸，則中斷口接地，發(fā)生 中斷。 五、材料及一些芯片和傳感器的選擇 1、 材料的選擇： 我選用ABS工程塑料作為整個機械主要的材料。ABS工程塑料 重量輕、硬度高，而且易于加工，完全符合我做蟹型機械的技術(shù)要求。 2、 單片機的選擇： 我選用的是AT89S52。由于此單片機應(yīng)用廣泛性，故其主要特點 在此不再詳述。 3、 傳感器的選擇： 1） 電測距傳感器： 我采用兩個超聲波傳感器（工作范圍是3cm~3m）分別裝在仿生機器 蟹的兩側(cè)。仿生機器蟹在行走時傳感器一直是

10、在工作的，我給了它一 個設(shè)定值（此值大于仿生機器蟹的轉(zhuǎn)彎半徑）當(dāng)障礙物進入此值范圍 內(nèi)，傳感器給單片機發(fā)出轉(zhuǎn)向的信號。 2） 觸摸傳感器： 我采用熱釋電傳感器作為接受人體感應(yīng)的信號的傳感器。此傳感器利 用人體感應(yīng)作為觸發(fā)源。當(dāng)人接觸到傳感器時，傳感器發(fā)出信號給單 片機，單片機立即使控制橫向行走的電機急速轉(zhuǎn)動，使仿生機器蟹立 即逃跑，以此來模仿螃蟹的警覺性。 4、 電機驅(qū)動芯片的選用： 我選用的是馬達專用控制芯片LG9110。LG9110 是為控制和驅(qū) 動電機設(shè)計的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，將分立電路 集成在單片IC之中，使外圍器件成本降低，整機可靠性提高。該芯 片有兩個TT

11、L/CMOS 兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性；兩個 輸出端能直接驅(qū)動電機的正反向運動，它具有較大的電流驅(qū)動能力， 每通道能通過750?800mA 的持續(xù)電流，峰值電流能力可達1.5? 2.0A ;同時它具有較低的輸出飽和壓降；內(nèi)置的鉗位二極管能釋放 感性負(fù)載的反向沖擊電流，使它在驅(qū)動繼電器、直流電機、步進電機 或開關(guān)功率管的使用上安全可靠。LG9110被廣泛應(yīng)用于玩具汽車電 機驅(qū)動、步進電機驅(qū)動和開關(guān)功率管等電路上。 圖6驅(qū)動芯片電路 六、設(shè)計小結(jié) 我設(shè)計的仿生機器蟹模仿了螃蟹行走時的步態(tài)，通過兩個電機帶 動八個曲軸加搖桿的機構(gòu)實現(xiàn)了整個機構(gòu)的橫向行走；通過兩個電機 的不同速度

12、（方向）旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)機械螃蟹的旋轉(zhuǎn)。我還通過一個電機 拉動蟹的兩個前螯以實現(xiàn)其收攏與張開。我可以用紅外遙控使之開始 爬或終止爬行、向左爬或向右爬。當(dāng)有人觸摸仿蟹機器人時通過熱釋 電傳感器和控制電路仿生機器蟹會立即加速爬行。 橫向行走時左右的超聲波測距儀同時工作當(dāng)障礙物進入設(shè)定范 圍內(nèi)，控制部分開始控制轉(zhuǎn)向電機工作使機械轉(zhuǎn)向行走直至避開障 礙。若進入死角或突然有障礙物進入設(shè)定范圍內(nèi)，且距離小于機器的 轉(zhuǎn)彎半徑（實體實驗時可測之其轉(zhuǎn)彎半徑，由于很多參數(shù)未定，故現(xiàn) 在無法得知）仿蟹機器人會停止10s鐘，然后反向行走直至達到最小 轉(zhuǎn)彎半徑時再進行轉(zhuǎn)彎的動作。 七、設(shè)計的評價 本設(shè)計的優(yōu)點在于機械機構(gòu)和控制系統(tǒng)簡單容易實現(xiàn)，在平地上 能快速的作出需要的運動，靈敏度高。本設(shè)計可作為一個平臺，在此 平臺上可搭載攝像頭，機械手等，可用于娛樂，救生，排爆等作用， 可最大的實現(xiàn)此設(shè)計的價值。缺點在于本設(shè)計的蟹腿設(shè)計采用固定的 機械連桿機構(gòu)，運動方式固定，故在比較坎坷的道路，山路上不能良 好的實現(xiàn)運動。 八、參考文獻 出版社 高等教育出版社 機械工業(yè)出版社 出版時間 2006.5 2007.8 書籍 機械原理第七版 微機原理與接口技術(shù) 主編 孫桓陳作模葛文杰 楊曉東