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浙江大学“海特杯”第十届大学生机械设计竞赛
“四足机器人”设计方案书
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“四足机器人”设计理论方案
自从人类发明机器人以来，各种各样的机器人日渐走入我们的生活。仿照生物的各种功能而发明的各种机器人越来越多。作为移动机器平台，步行机器人与轮式机器人相比较最大的优点就是步行机器人对行走路面的要求很低，它可以跨越障碍物，走过沙地、沼泽等特殊路面，用于工程探险勘测或军事侦察等人类无法完成的或危险的工作；也可开发成娱乐机器人玩具或家用服务机器人。四足机器人在整个步行机器中占有很大大比重，因此对仿生四足步行机器人的研究具有很重要的意义。
所以，我们在选择设计题目时，我们选择了“四足机器人”，作为我们这次比赛的参赛作品。
一.装置的原理方案构思和拟定：
随着社会的发展，现代的机器人趋于自动化、高效化、和人性化发展，具有高性能的机器人已经被人们运用在多种领域里。特别是它可以替代人类完成在一些危险领域里完成工作。
科技来源于生活，生活可以为科技注入强大的生命力，基于此，我们在构思机器人的时候想到了动物，在仔细观察了猫.狗等之后我们找到了制作我们机器人的灵感，为什么我们不可以学习小动物的走路呢，于是我们有了我们机器人行走原理的灵感。
为了使我们所设计的机器人在运动过程中体现出特种机器人的性能及其运动机构的全面性，我们在构思机器人的同时也为它设计了一些任务：
1. 自动寻找地上的目标物。
2. 用机械手拾起地上的目标物。
3．把目标物放入回收箱中。
4. 能爬斜坡。
图一
如图一中虚线所示的机器人的行走路线，机器人爬过斜坡后就开始搜寻目
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标物体，当它发现目标出现在它的感应范围时，它将自动走向目标，同时由于相关的感应器帮助，它将自动走进障碍物中取出物体。
二.原理方案的实现和传动方案的设计：
机器人初步整体构思如上的图二和图三，四只腿分别各有一个电机控制它的转动，用一个电机驱动两条腿的抬伸。根据每只腿的迈步先后实现机器人的前进，后退，左转和右转，在机器人腿迈出的同时，它也会相应地进行抬伸，具体实现情况会在下文详细说明。
图二
图三
机器人初步整体构思如上的图二和图三，四只腿分别各有一个电机控制它的转动，用一个电机驱动两条腿的抬伸。根据每只腿的迈步先后实现机器人的前进，后退，左转和右转，在机器人腿迈出的同时，它也会相应地进行抬伸，具体实现情况会在下文详细说明。
任务的实现主要是利用单片机来控制机器人的四条腿以及几个传感器的共同工作，并通过它们的协调工作来完成的。如图一中所示，让机器人爬过了斜坡之后，就先进行扫描，如果发现有目标出现在它的视野之内，它就会寻着目标前进。如果没有发现目标，机器人会原地转弯并搜寻在它视野之外的目标。由于目标物有可能正好被障碍物遮住，此时我们会设计相应的程序告诉机器人现在先向右行走一定的距离再进行扫描。又由于尽管已经扫描到了目标物，当机器人走向
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目标物时，机身正好被障碍物挡住，无法前进拾取目标。此时我们也设计了相应的程序告诉它，让它先向后退一定的距离，然后右转，再向前行走一定的距离，然后左拐，当然其中的距离我们都是计算好了的，这样机器人就可以顺利进入障碍物中拾取目标物了。当机器人停在目标之前时，它的机械手臂就会向下抓取目标，然后抬起。
由于障碍物的大小有限，使得机器人无法转身，因而此时机器人就会自动后退，当后退到一定距离时，它就会开始搜寻回收箱的位置，并向其走去，在停止在回收箱之前的同时，它的机械手臂就会放下，然后松开，这样目标就被机器人拾取并回收了。就这样我们就实现了机器人的前进后退，并附加了转弯和拾取物体两个功能。
三.关键技术的分析与实现及主要结构的设计简图：
1）.四肢的驱动：
图四
图五
鉴于成本上的考虑，我们选择用一个电机来驱动它单腿的迈步，用另一个电
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机来驱动两条腿的抬伸。如图四，中间的电机通过驱动凸轮的转动，根据“杠杆原理”来控制两条腿的抬升（其中点A为支点），前两条腿共用一个电机，后两条腿共用一个电机。图四下面的图五是一个关键的连接点，通过这个连接点我们实现了连接机器人腿的杆MN，可以在纸平面以及垂直纸平面的两个平面内运动，如图五，为其放大图，杆MN由PQ，JK连杆组成，杆PQ，JK可绕圆心O′在垂直纸平面内转动，杆PQ，JK可绕圆心O在纸平面内转动。
图六（俯视） 注：只画出关键啮合部位
图六为机器人的其中一条腿运动的轨迹图，其中虚线为其可运动的范围。 前进与后退运动的实现：
四足机器人最重要的是要协调好它的行走，但是想要协调好它的四肢的迈步情况较其他的多足机器人难。在反复观察动物行走以及仔细考虑机器人自身的特点后，我们觉得让机器人按以下方式行走是比较恰当的:如图七，先让机器人两侧相错的腿同时抬起，然后迈步，再把腿放下。例如：先迈右前、左后腿，机器人的腿原先处在状态1，进行一次迈腿过程后，两条腿处于状态2的位置，当迈左前、右后腿时，右前、左后腿就由电机驱动返回状态1，因为右后、左前腿着地，左前、右后腿迈出离地，此时身体就会向前移动，达到了“行走”的目的。由于机器人的四肢迈步衔接的较为紧密，很大程度上避免了机器人走路时的不稳定。
同理，后退时，腿的状态由状态2开始向状态1运动，然后依次循环。
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图七
图七是机器人行走时各条腿运动循环图。
关键分析：如图八,
右前脚和左后脚在状
态1时,两脚之间相距
L＇,同时向前转动30
度角后,两脚处于状态
2,此时,它们之间相距
为L,但是L=L＇,所以
当两脚着地后从状态2
返回状态1时,因为两
点之间的距离仍旧是L,
所以可以将机器人的
身体向前移动.
图八
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行走模拟图（图九）：
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