基于3D打印技術(shù)的一種仿生機械狗的設(shè)計與制作

肖 穎 青曉雨 貟歡樂

航天工程大學(xué)士官學(xué)校 北京 102200

目前,大多數(shù)陸地上的交通工具進行運動的方式主要是電機驅(qū)動車輪或履帶,這種方式的缺點是對路面狀況的依賴度較高,在崎嶇的路上難以通行。但是擁有腿部的動物卻可以十分輕松的通過這些路段,因為它們的腿部的運動方式具有完全不同的原理。動物的自如行走,給科學(xué)家們帶來啟示,開始研究仿生學(xué),從足式機器人入手,來模仿動物的行走方式。

現(xiàn)有的足式步行機器人的腿部機構(gòu)分為單腿,雙腿,三腿,四腿,六腿,八腿甚至還有更多,其中偶數(shù)腿占這些中的絕大多數(shù),因為從直線運動來看的話,偶數(shù)的腿部更容易控制并產(chǎn)生有效的步態(tài),而偶數(shù)腿中,四足機器人又比雙足機器人具有更好地穩(wěn)定性和承載能力,同時在結(jié)構(gòu)和控制算法的復(fù)雜程度方面又優(yōu)于六足、八足機器人,綜合性能是最佳的。

本文設(shè)計了一種以四桿機構(gòu)為支撐,設(shè)計多連桿機械機構(gòu),通過改變腿部設(shè)計參數(shù)確定腿部桿件運動軌跡,要求運動須平穩(wěn),有持續(xù)行走能力,不出現(xiàn)故障,將設(shè)計好的機構(gòu)利用SolidWorks軟件對多桿機構(gòu)進行三維建模,仿真驗證其運動有效性。確定尺寸參數(shù)、繪制圖紙,通過3D打印技術(shù)加工完成各個零件,組裝完成仿生機械狗。最后模擬各種復(fù)雜地形驗證其有效性。

一、仿步態(tài)機構(gòu)的設(shè)計

（一）方案的選擇

經(jīng)過多方論證和調(diào)研,決定采用四桿仿生機構(gòu)。四足動物的腿部運動順序為:開始起步時如果是右前足先向前邁步,對角線的左后足就會跟著向前走,接著是左前足向前走,然后對角線的右后足跟向向前,接著繼續(xù)循環(huán),完成行走的整個過程。設(shè)計時要求狗在行走時晃動不能過大,高度方向不能超過身體高度的8%,寬度方向變化量不能超過總寬度的5%。狗腿落地的時候機構(gòu)能接近自然狀態(tài),以便于提高狗的承載能力。狗邁步的步距最好在狗身長的1/4左右,跨步高度要高,以提高越障能力。狗蹄在運動時形成的封閉曲線,要求在下面的那一段最好是直線,或接近直線。

（二）四桿仿步態(tài)機構(gòu)設(shè)計

在設(shè)計仿生機構(gòu)時,其足部軌跡曲線是首要考慮的重要條件,因為它會直接影響到仿生機構(gòu)對地形的適應(yīng)能力和行進時的穩(wěn)定性。因此,要首先確定理想的足部軌跡特性。

理想足部軌跡曲線的要求如下:

1）由足部產(chǎn)生的軌跡曲線必須為一封閉且不相交叉的曲線,以避免產(chǎn)生無效的軌跡曲線。

2）足部軌跡曲線中的支撐段曲線應(yīng)為直線段,以避免機構(gòu)重心的上下起伏。

3）足部軌跡曲線中的跨越段曲線的垂直高度越高越好,以利于提高機構(gòu)跨越障礙的能力。

4）根據(jù)真實狗的步態(tài)動作,四桿機構(gòu)機械狗前腿的足部軌跡線與后腿的足部軌跡線應(yīng)是不相同的;前腿的抬腿動作要較高些。

狗在換腿時,其后腿與前腿的足部會相當(dāng)接近,為防止干涉,要求四桿仿生機構(gòu)的前、后腿機構(gòu)的足部軌跡曲線的右極點和左極點必須要接近步行機構(gòu)的中心點位置,為了模擬真狗的運動狀態(tài),根據(jù)膝關(guān)節(jié)鎖定原理限制四桿仿生機構(gòu)的前、后腿機構(gòu)的小腿桿件相對于大腿桿件的運動范圍,一般最大不可超過180°,小腿桿件相對于大腿桿件的運動范圍限制在89°—179°。前后腿機構(gòu)的性能要求如下表所示。

表2.1 前腿機構(gòu)的性能要求

表2.2 后腿機構(gòu)的性能要求

四桿仿步態(tài)機構(gòu)能模擬真實狗運動時的步態(tài)動作,設(shè)計時要限制四桿仿生機構(gòu)的前、后腿機構(gòu)的運動范圍。因為運動范圍過大,會使抬腿動作過于夸張不符合真狗的動作;反之,若運動范圍過小,會使步行機構(gòu)沒有真狗的抬腿動作,而無法跨越障礙。因此,首先確定大腿與機架之間的運動范圍一般為45°—135°

在設(shè)計具有急回運動特性的四桿機構(gòu)時,通常按實際需要先給定行程速度變化系數(shù)K的數(shù)值,然后根據(jù)機構(gòu)在極限位置的幾何關(guān)系,結(jié)合有關(guān)輔助條件來確定機構(gòu)運動簡圖的尺寸參數(shù)。確定各桿件的長度尺寸如下表所示:

表2.3 四桿仿步態(tài)機構(gòu)尺寸參數(shù)

（三）傳動機構(gòu)設(shè)計

四桿仿生機構(gòu)驅(qū)動采用一個直流電機驅(qū)動,通過二級減速器傳遞動力,帶動四個曲柄旋轉(zhuǎn),從而確定四只腿按嚴(yán)格的相位關(guān)系運轉(zhuǎn),控制每條腿的運動順序及運動軌跡。此設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單,便于實現(xiàn)四只腿間動作的協(xié)調(diào)。

圖2.2 傳動機構(gòu)內(nèi)部布局圖

通過數(shù)次計算,最終得出各個齒輪構(gòu)件的詳細(xì)參數(shù),如表2.4:

表2.4 傳動機構(gòu)零件的尺寸參數(shù)

電動機的輸出轉(zhuǎn)速為300-800r/min之間,經(jīng)過齒輪輪系組成2級變速箱,對傳輸速度進行減速處理,使傳動軸的轉(zhuǎn)速為20—50r/min之間,齒輪的傳動比為16:1,使用3組斜齒輪改變動力傳輸方向,齒輪齒數(shù)分別為10、20、40。最終采用轉(zhuǎn)速較慢但轉(zhuǎn)矩較大的電動機,確定使用電動機的輸出轉(zhuǎn)速為=560r/min的電動機。如下圖所示:

圖2.3 所用電機實物圖

二、3D打印完成項目制作

（一）3D打印技術(shù)

3D打印,又稱增材制造,是快速成型技術(shù)的一種,其原理是先通過計算機建?；驋呙柙?得到數(shù)字化模型,然后將三維模型分解成多層的二維截面數(shù)據(jù),再通過軟件與數(shù)控系統(tǒng)將材料進行逐層打印,最終形成三維實體。其中FDM是將絲狀的熱塑性材料加熱熔融,在計算機的控制下,根據(jù)三維模型信息,將材料選擇性地涂敷在工作臺上,快速冷卻后形成一層截面;一層成型完成后,機器工作臺下降一個高度再涂覆下一層,直至形成整個三維造型。FDM工藝能兼容多種類型的材料且更換方便,維護成本低,可以快速成型厚度較小的實體。

FDM使用的熱塑性高分子材料[5–6]主要有丙烯腈 –丁二烯 – 苯乙烯塑料（ABS）、聚乳酸（PLA）、聚碳酸脂（PC）、尼龍（PA）、聚醚醚酮（PEEK）等。其中ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene,ABS）是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物,是FDM第二大應(yīng)用量的耗材,是一種具有較高的強韌結(jié)合性、易于加工成型的熱塑型高分子材料結(jié)構(gòu),在模型設(shè)計領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。本文采用的是ABS樹脂材料打印。

（二）模型設(shè)計

設(shè)計初期,腿部桿件采用圓柱形設(shè)計,利用3D打印技術(shù)打印腿部桿件。在經(jīng)過幾次試驗后,發(fā)現(xiàn)圓柱形腿部桿件在腿部運動中,靈活度較低,不能滿足整個腿部 機構(gòu)的運動軌跡,達不到理想的效果。隨后,我們針對這一問題,經(jīng)過深入細(xì)致的研究,最終決定,將腿部桿件改為扁平狀,能夠有效克服因靈活度較低帶來的一系列問題,保證了整個腿部機構(gòu)的靈活性。

設(shè)計過程中,由于足部底面與地面的接觸面積有限,造成了在行走過程中,整個機構(gòu)出現(xiàn)晃動現(xiàn)象,無法保證行走過程的整個機構(gòu)的穩(wěn)定性。決定對桿件厚度進行加固,克服了因桿件自身重量較輕存在的問題。然后,從人體關(guān)節(jié)的靈活度出發(fā),決定給各個桿件加上類似于人類鞋子的足部零件,改進后的足部就像人體關(guān)節(jié)一樣,可進行360度旋轉(zhuǎn),有效的增加了足部與地面的接觸面積,提高了足部與地面的摩擦力,保證了腿部行走機構(gòu)的穩(wěn)定性和運動軌跡。

圖3.1 腿部桿件與足部零件設(shè)計圖紙

三、結(jié)束語

本設(shè)計基于3D打印技術(shù)完成了四足仿生機器人樣機中腿部機構(gòu)和身體的制作,可實現(xiàn)腿部機構(gòu)的穩(wěn)定運動,能夠滿足在不規(guī)則路面、沼澤、沙地、跨越障礙物等崎嶇復(fù)雜的路面上穩(wěn)定行走,具有較好的穩(wěn)定性和承載能力。主要是針對特殊環(huán)境和特殊任務(wù),比如,在執(zhí)行裝備搬運、故障排除、搶險救災(zāi)、情況偵查、翻越障礙等任務(wù)。

圖3.2 3D打印的內(nèi)部零件與外殼