机械创新设计

专业：机械设计制造及自动化

班级：07机制（2）班

姓名：邹彦飞

学号：200701020002

仿生机器蟹的设计方案

一、仿生机器蟹的原理方案构思和拟定

螃蟹以其独特的横向行走方式而标新立异于动物界，从而备受注目。我正是捕捉到这一点，与仿生机械的创新设计联系起来，拟定做一个具有仿生功能的机器蟹。

此机器蟹首先必须仿螃蟹的横向行走，即也必须使其大腿能够抬起，而小腿能够向大腿所指方向迈出，当其脚落地时能够抓住地面，通过运动带动整个身体向一侧行进。

联想到曲柄摇杆机构，利用其在曲柄旋转时摇杆在两个极限位置摆动这一特性，恰好仿似螃蟹小腿的摆动。蟹有腿，我采用了八个经过改动后的曲柄摇杆机构来模拟。行走时四条腿着地作为支撑，并抓地向后运动而另外四条腿抬起，向前运动，当抬起运动的四条腿伸到前面最远时着地，此时抓地的四条腿运动到向后的极限处并抬起。以此循环往复，从而实现了蟹的横向行走。

蟹遇到障碍是可以转向的，但并不象其他动物一样能立即转开，而是不断的转动很小的角度，做一个类似弧线的运动。采用两个电机不同向旋转带动两个曲柄摇杆系统运动，从而带动身体在纵向缓慢挪动。

蟹的两个前螯能够一张一合来夹起食物，我通过一个电机拉动仿生机器蟹的两个前螯以实现其收拢与张开。

二、仿生机器蟹的原理方案初定

1. 仿生机器蟹的横向行走机构：

用更改后的曲柄摇杆机构来模拟蟹腿，用两个电机分别控制腿，每个电机控制前或后的四条腿。一条腿的设计简图为：

                        仿蟹腿的机械原理

其中大腿的根侧与电机都连在螃蟹的身体上，这样当电机带动曲柄（曲轴）转动时，大腿能实现向上摆动，即带动小腿离地。而在大腿摆到下面时，小腿的脚可以抓住地面。因电机始终在旋转，则摇杆与电机的相对摆动便使电机向指定的方向运动。

2、仿生机器蟹的转向机构：

   我采用两个电机不同时旋转带动两个曲轴系统的不同角度旋转，（1）：前面蟹脚移动一个步距Q，后面的蟹脚移动步距P，两个电机都是正向旋转时，Q和P是不相同的，可实现边行进边转向。

（2）：同理，但此时两电机是不同向旋转，可实现原地转向。

利用此原理实现蟹的转向。

 转向机构图

3、蟹的前螯与钳子设计

由于螃蟹的钳子只是半只能动的，故我设计了如图的机构来模仿钳子，用一只很小的电磁铁机构来控制钳子的张闭。

用一个电机转动带动齿轮旋转，从而拉动蟹的两个前螯，实现其张合，实现仿螃蟹的夹事功能，如图所示：

4.蟹的腿的横向行走时序：

蟹刚放到地上开始运动以前，电机不转。蟹右侧的四条腿中第一条（右一）与第四条（右四）的小腿处于与身体最远的极限位置，而第二条（右二）与第三条（右三）则处于与身体最近的极限位置；左一与左四也处在与身体最远的极限位置，左二与左三处在与身体最近的极限位置。但电机所带动控制两侧大腿的摇杆位置恰好相反。此时带动右一与右四、左二与左三的电机所带动的摇杆刚好位于小圆半径的开始处顶着大腿，而带动右二与右三、左一与左四的电机所带动的摇杆刚好位于大圆的半径的开始处顶到大腿。当电机旋转带动与此相连的摇杆和曲柄一起做等速转动时，右二与右三的脚开始离地，右一与右四的脚开始抓住地面拖动电机向右侧运动，同时左一与左四的脚与地面分离，左二与左三的脚开始推动电机向右侧运动。当右一与右四、左二与左三同时到达另一极限位置时，右二与右三、左一与左四也同时到达另一极限位置，此时带动大腿的摇杆处于的交替位置，即右一与右四、左二与左三的摇杆将使其离地，右二与右三、左一与左四落地开始，并且右边拉，左边推使身体向右侧运动。当左右侧的腿又到达极限位置时，便开始重复第一过程，且此时摇杆与曲柄均刚好旋转一周。一个周期的状态图如下所示：

左侧    右侧

    1        1

    2        2

    3        3

    4        4

 机器蟹八足的位置

    V

1、4    2、3      2、3    1、4

一个周期的第一状态

    V

2、3    1、4                1、4      2、3

一个行走周期的第二状态

三、尺寸与传动的设计计算与说明

1. 曲柄摇杆机构尺寸计算

建立各个杆件的三角函数关系，利用matlab计算各杆件的长度

初定AB=AC=18MM(一下单位都为MM)

AD=35  DE=42  EF=61  FG=51  GH=  BE=57  CG=93

利用catia v5与simdesigner运动仿真模拟一条腿的运动得出下列图线

曲线的下半段为触地点的运动曲线0.0到35.0之间接近直线符合方案。

2.传动方案的设计

   本设计采用电动机下肢的结构，这样可使机械螃蟹的重心降低，行走平稳，而且能合理利用空间。电机1轴上装一个齿轮与齿轮2的齿数相同，此处的此轮只做转动变向使用。齿轮2与曲轴同轴，由电动机带动齿轮1，传动到齿轮2进而带动曲轴的转动。

传动方案设计简图如下：

四、机械螃蟹的控制

   用一个测距传感器测量此机械与障碍物之间的距离，当距离达到某一设定值时发出转向信号给单片机。单片机控制驱动机械转动的两个电机，但单片机向电机发出正转或反转的驱动信号，尚取决于此电机带动的两条腿是否着地。我们在大腿上设计了一个类似于开关的装置，当大腿抬起时开关接通，给单片机发出一个使电机反转的信号，而当腿着地时，开关断开，给单片机发出一个驱动电机正转的信号。当避开障碍物时，测距信号消失，不管大腿上的开关是否发出信号，单片机不向电机发出任何转向信号。

上图为控制腿上发出信号的机构。静触头接单片机的某一中断口，动触头接地线。这样，当大腿抬起时两触头接触，则中断口接地，发生中断。

    否

    是

否

    是

五、材料及一些芯片和传感器的选择

1、材料的选择：

我选用ABS工程塑料作为整个机械主要的材料。ABS工程塑料

重量轻、硬度高，而且易于加工，完全符合我做蟹型机械的技术要求。

2、单片机的选择：

我选用的是ATS52。由于此单片机应用广泛性，故其主要特点在此不再详述。

3、传感器的选择：

1)电测距传感器：

我采用两个超声波传感器（工作范围是3cm~3m）分别装在仿生机器蟹的两侧。仿生机器蟹在行走时传感器一直是在工作的，我给了它一个设定值（此值大于仿生机器蟹的转弯半径）当障碍物进入此值范围内，传感器给单片机发出转向的信号。

2)触摸传感器：

我采用热释电传感器作为接受人体感应的信号的传感器。此传感器利用人体感应作为触发源。当人接触到传感器时，传感器发出信号给单片机，单片机立即使控制横向行走的电机急速转动，使仿生机器蟹立即逃跑，以此来模仿螃蟹的警觉性。

4、电机驱动芯片的选用：

我选用的是马达专用控制芯片LG9110。LG9110 是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立电路集成在单片IC之中，使外围器件成本降低，整机可靠性提高。该芯片有两个TTL/CMOS 兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动能力，每通道能通过750 ～800mA 的持续电流，峰值电流能力可达1.5 ～2.0A ；同时它具有较低的输出饱和压降；内置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流，使它在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠。LG9110 被广泛应用于玩具汽车电机驱动、步进电机驱动和开关功率管等电路上。

图

图 6 驱动芯片电路

六、设计小结

我设计的仿生机器蟹模仿了螃蟹行走时的步态，通过两个电机带动八个曲轴加摇杆的机构实现了整个机构的横向行走；通过两个电机的不同速度（方向）旋转来实现机械螃蟹的旋转。我还通过一个电机拉动蟹的两个前螯以实现其收拢与张开。我可以用红外遥控使之开始爬或终止爬行、向左爬或向右爬。当有人触摸仿蟹机器人时通过热释电传感器和控制电路仿生机器蟹会立即加速爬行。

横向行走时左右的超声波测距仪同时工作当障碍物进入设定范围内，控制部分开始控制转向电机工作使机械转向行走直至避开障碍。若进入死角或突然有障碍物进入设定范围内，且距离小于机器的转弯半径（实体实验时可测之其转弯半径，由于很多参数未定，故现在无法得知）仿蟹机器人会停止10s钟，然后反向行走直至达到最小转弯半径时再进行转弯的动作。

七、设计的评价

   本设计的优点在于机械机构和控制系统简单容易实现，在平地上能快速的作出需要的运动，灵敏度高。本设计可作为一个平台，在此平台上可搭载摄像头，机械手等，可用于娱乐，救生，排爆等作用，可最大的实现此设计的价值。缺点在于本设计的蟹腿设计采用固定的机械连杆机构，运动方式固定，故在比较坎坷的道路，山路上不能良好的实现运动。

    有

 无

    有

无

    有

    无

    无

      有

8、参考文献

     书籍                 出版社         主编                出版时间

机械原理第七版       高等教育出版社  孙桓 陈作模 葛文杰    2006.5

微机原理与接口技术   机械工业出版社  杨晓东                2007.8下载本文