四足步行機器人腿的機構(gòu)設(shè)計論文

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1、 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文） 四足步行機器人腿的機構(gòu)設(shè)計 學(xué)生： 學(xué) 號： 所在系部： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 日 期： 37 / 41 摘 要 本文介紹了國外四足步行機器人的發(fā)展?fàn)顩r和三維制圖軟件SolidWorks的應(yīng)用，著重分析了設(shè)計思想并對行走方式進行了設(shè)計并在此軟件基礎(chǔ)上四足步行機器人腿進行了繪制，對已繪制的零部件進行了裝配和三維展示。展示了SolidWorks強大的三維制圖和分析功能。同時結(jié)合模仿四足動物形態(tài)展示出了本次設(shè)計。對設(shè)計的四足行走機器人腿進行了詳細的分析與總結(jié)得出了該機

2、構(gòu)的優(yōu)缺點。本文對四足機器人腿的單腿結(jié)構(gòu)分析比較詳細，并結(jié)合三維進行理性的理解。 關(guān)鍵詞：SolidWorks；足步行機器人腿 Abstract In this paper, fouth inside and outside the two-legged walking robot and the development of three-dimensional mapping of the application of SolidWorks software, focused on an analysis of design concepts and approach to

3、 the design of walking and the basis of this software quadruped walking robot legs have been drawn on components have been drawn to the assembly and three-dimensional display. SolidWorks demonstrated a strong three-dimensional mapping and analysis functions. At the same time, combined with four-legg

4、ed animal patterns to imitate the design show. The design of four-legged walking robot legs to carry out a detailed analysis and arrive at a summary of the advantages and disadvantages of the institution. In this paper, four single-legged robot more detailed structural analysis, combined with a rati

5、onal understanding of three-dimensional. Keywords: SolidWorks; four-legged walking robot 目錄 摘要I AbstractII 1 緒論1 1.1 步行機器人的概述1 1.2 步行機器人研發(fā)現(xiàn)狀1 1.3 存在的問題5 2 四足機器人腿的研究6 2.1 腿的對比分析6 2.1.1 開環(huán)關(guān)節(jié)連桿機構(gòu)6 2.1.2 閉環(huán)平面四桿機構(gòu)9 2.2 腿的設(shè)計11 2.2.1 腿的機構(gòu)分析12 2.2.2 支撐與擺動組合協(xié)調(diào)控制器18 2.3 單條腿尺寸優(yōu)化21 2.3.

6、1 數(shù)學(xué)建模21 2.3.2 運動特征的分析23 2.4 機器人腿足端的軌跡和運動分析24 2.4.1 機器人腿足端的軌跡分析24 2.4.2 機器人腿足端的運動分析27 3 機體設(shè)計30 3.1 機體設(shè)計30 3.1.1 機體外殼設(shè)計30 3.1.2 傳動系統(tǒng)設(shè)計31 3.2 利用Solid Works進行腿與整個機構(gòu)輔助設(shè)計35 4 結(jié)論36 4.1 論文完成的主要工作36 4.2 總結(jié)36 參考文獻37 致39 1緒論 1.1 步行機器人的概述 機器人相關(guān)的研發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)如今早已變成每個國家的重要科研項目之一，通過運用機器人來代替人們的某些危險工作

7、或者幫助殘疾人完成自己所不能完成的事情。在工業(yè)，手工業(yè)，重工業(yè)等方面機器人的輔助功能尤為突出，大大提高了工作效率，節(jié)省開支。其中，行走機構(gòu)比較普遍，比如工業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的可以用來進行足球比賽的幾個四足機器人，在較小的場地里用機器人踢球看起來非常有趣。 步行是人和自然界的大多數(shù)動物所具有的一種運動方式。步行能夠比較有效的適應(yīng)環(huán)境的變化，相對于履帶式、輪式和蠕動式這些運動方式來說，明顯更有發(fā)展的前景。一些專家和學(xué)者從事于步行機器人的研發(fā)工作，并不是為了刻意去追求對復(fù)雜系統(tǒng)的研發(fā)，而是因為步行機器人確實具有廣泛的應(yīng)用前景，比如在替代危險環(huán)境下工作的人們、工廠的維護方面和崎嶇地面上的貨物搬運工作以與

8、災(zāi)害支援救助等方面都具有很好的發(fā)展前景。此外，隨著目前不斷加深的社會老齡化程度的問題，對于老年人的護理、康復(fù)醫(yī)學(xué)以與在普通家庭的家政服務(wù)等方面步行機器人也可以取得較好的應(yīng)用。 1.2 步行機器人研發(fā)現(xiàn)狀 20世紀(jì)60年代，對于四足步行機器人的研究工作剛剛開始起步。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和機器人控制技術(shù)方面的應(yīng)用研究?，20?世紀(jì)?80?年代之后，現(xiàn)代四足步行機器?人的研發(fā)工作進入了廣泛的發(fā)展階段。?? 到20世紀(jì)?80、90?年代比較具有代表性的四足步行機器人是由日本的一所名叫?Shigeo?Hirose?的實驗室研制的?TITAN?系列機器人。1981～1984年Hirose教授成功研制

9、在腳部安裝傳感和信號處理系統(tǒng)的TITAN-III機器人。?TITAN-Ⅵ機器人運用了一種新型的直動型腿機構(gòu)，有效避免了在上樓梯過程中各腿間的干涉，并且采用了兩級變速驅(qū)動機構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)腿部的擺動相和支撐相分別進行驅(qū)動。 圖1-1 Tekken-IV機器人 2000-2003?年，日本電氣通信大學(xué)的木村浩等人研制成功了具有寵物狗外形的機器人Tekken-IV，?如圖1-1所示。它的每個關(guān)節(jié)安裝了一個光電碼盤、陀螺儀、傾角計和觸覺傳感器。系統(tǒng)控制是由基于?CPG?的控制器通過反射機制來完成的。Tekken-IV?能夠?qū)崿F(xiàn)不規(guī)則地面的自適應(yīng)動態(tài)步行，同時它利用了激光和?CCD?攝像機進行導(dǎo)航，

10、能夠有效的躲避前方的障礙物，實現(xiàn)無碰撞的行走。? 如圖1-2所示為美國Boston Dynamics?實驗室研制的叫做BigDog的機器人，是目前最具代表性的四足步行機器人，它能在各種惡劣的地形上進行行走，最大負載達到52kg?，爬升斜坡可達?35°。其腿關(guān)節(jié)類似動物腿?關(guān)節(jié)，安裝有吸收?震動部件和能量?循環(huán)部件。同時，腿部連有很多傳感器，其運動通過伺服電機來控制。該機器人機動性和反應(yīng)能力都很強，平衡能力極佳。但由于汽油發(fā)電機需攜帶油箱，故工作時受環(huán)境影響大，可靠性差。另外，當(dāng)機器人行走時引擎會發(fā)出怪異的噪音。 圖1-2 BigDog 機器人 國具有代表性的采用四足機構(gòu)的機器人主要

11、包括: 如下圖1-3所示為交通大學(xué)所研制比較有代表性的兩款四足步行機器人，圖(a)所示的一款四足步行機器人步行機構(gòu)采用的是平面四桿機構(gòu)，該機器人在跨越障礙，溝槽，上下臺階以與通過凹凸不平的地面都具有良好的表現(xiàn)；圖(b)所示的一款四足步行機器人JTUWM-H也是由交通大學(xué)研制的關(guān)節(jié)式步行機器人。該機器人為足式機器人的經(jīng)典結(jié)構(gòu)，但速度緩慢，步行速度0.2千米/時。 (a) (b) 圖1-3 交通大學(xué)的二種四足步行機器人 清華大學(xué)所研制的兩款四足步行機器人，如圖1-4所示。它采用了開環(huán)關(guān)節(jié)連桿機構(gòu)作為步行機構(gòu)，通過對

12、動物運動機制的模擬，從而達到相對而言比較穩(wěn)定的有節(jié)奏的運動，可以獨立處理比較復(fù)雜的地形條件，能夠輕松完成上下坡行走、越障等功能。該機器人的不足之處是腿運動時的協(xié)調(diào)控制比較復(fù)雜，并且承載能力較小。 (a) (b) 圖1-4清華大學(xué)的二種四足步行機器人 從上面的例子可以看出美國和日本的研究最具有代表性，他們的技術(shù)已經(jīng)達到先進水平，實用化程度也在逐漸提高之中。由于國四足步行機器的研究起步比較晚，在上個世紀(jì)90年代以后才逐步有了成果，導(dǎo)致現(xiàn)在的研究水平距離世界先進水平還有一定的差距。 1.3 存在的問題 在處理多自由度的步行機器人運動控

13、制中，的確很難將這些方法應(yīng)用與機器人的運動控制中?；谛袨榈目刂撇呗栽谔幚矶嘧杂啥炔叫袡C器人這類復(fù)雜系統(tǒng)時，行為規(guī)則的設(shè)計十分困難。由于多關(guān)節(jié)步行機器人的運動學(xué)分析比輪式移動機器人要復(fù)雜得多，實現(xiàn)多關(guān)節(jié)步行機器人的傳感空間到關(guān)節(jié)運動空間的映射是非常困難的一件事情。 從以上的分析中能夠看出，對于多關(guān)節(jié)步行機器人的運動控制，傳統(tǒng)的運動控制方案大多數(shù)都不夠完善。主要原因是想要研制像現(xiàn)實世界中的動物那樣運動的機器人，就一定要集多學(xué)科研究成果之大成，它的模型建立和計算必然非常復(fù)雜。所以本文嘗試著從另外一個方向來解決步行機器人的行走運動控制問題。 2 四足機器人腿的研究 2.1 腿的對比分析 四足

14、行走機構(gòu)的機械部分是機器人所有控制與運動的載體，其中腿部結(jié)構(gòu)形式是行走機構(gòu)中重要組成部分，也是機械設(shè)計的關(guān)鍵之一。因此從某種意義上說，行走機構(gòu)的分析主要集中在步行機構(gòu)的分析上。一般而言，不要設(shè)計比較復(fù)雜的四足行走機構(gòu)，如果桿件太多的步行機構(gòu)會直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和傳動的實現(xiàn)更加困難，因此對于腿部機構(gòu)所具備的基本要：輸出一定的軌跡，實現(xiàn)給定的運動要求；具有一定的承載能力；方便控制的要求?，F(xiàn)在，世界各地的一些專家和學(xué)者對步行機器人的步行機構(gòu)已經(jīng)進行了大量的研究，其結(jié)構(gòu)有多種形式，主要結(jié)構(gòu)可以劃分成三種機構(gòu)：閉環(huán)平面四桿縮放式機構(gòu)；開環(huán)連桿機構(gòu)；特殊的步行機構(gòu)。 2.1.1 開環(huán)關(guān)節(jié)連桿機構(gòu) 在以前的步

15、行機器人的研究中，一般是仿照動物的腿部結(jié)構(gòu)來對步行機構(gòu)進行設(shè)計。這種機構(gòu)大部分是由關(guān)節(jié)式連桿機構(gòu)來實現(xiàn)。它的優(yōu)點是具有緊湊的結(jié)構(gòu)，步行機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)較大的運動空間，并且運動非常靈活，因為關(guān)節(jié)式的步行機構(gòu)的部分是關(guān)節(jié)，所以在行走的過程中不穩(wěn)定的狀態(tài)能夠快速的恢復(fù)平衡。缺點想要實現(xiàn)運動時的協(xié)調(diào)控制比較困難，并且它的承載能力比較小。 如圖2-1所示為常見的開環(huán)關(guān)節(jié)連桿步行機構(gòu)的三維模型圖形。這種機構(gòu)是由大、小腿以與髖關(guān)節(jié)等部分構(gòu)成的。平面運動機構(gòu)的主要組成部件是大、小腿，而空間運動則是由髖關(guān)節(jié)驅(qū)動該平面機構(gòu)從而實現(xiàn)。能夠建立如圖2-2所示的平面坐標(biāo)系，髖關(guān)節(jié)為第一關(guān)節(jié)，它在點環(huán)繞Z軸轉(zhuǎn)動，設(shè)它的旋轉(zhuǎn)

16、半徑為；大腿關(guān)節(jié)為第二個驅(qū)動關(guān)節(jié)，在A點環(huán)繞著和大、小腿的運動平面所垂直的軸進行轉(zhuǎn)動，大腿的桿長為；小腿關(guān)節(jié)為第三個驅(qū)動關(guān)節(jié)，在B點環(huán)繞著和大、小腿的運動平面垂直的軸轉(zhuǎn)動，小腿桿的長度為。同時設(shè)逆時針方向為正向角。 圖2-1開環(huán)連桿步行機構(gòu) 圖2-2開環(huán)連桿機構(gòu)坐標(biāo)系模型 如圖2-2所示，我們可以設(shè)髖關(guān)節(jié)、大腿關(guān)節(jié)、小腿桿的驅(qū)動轉(zhuǎn)角分別為、、，根據(jù)上圖可以建立足端C點的運動軌跡方程如下： 其中： 通過上式和圖形可以得到，小腿桿能夠在轉(zhuǎn)過大臂上部空間運動（就像人的小臂運動一樣），因此在運動的時候，由于臂的末端C點能運動到比較大的區(qū)域，在髖關(guān)節(jié)進行轉(zhuǎn)動時候，機構(gòu)的

17、運動空間可以實現(xiàn)三維橢圓狀。但是采用這種機構(gòu)作為步行機構(gòu)，在機器人的行走過程中，機器人足端的運動圍不能夠?qū)崿F(xiàn)整個可達運動空間的覆蓋，大腿桿在轉(zhuǎn)動時也不能到達所有的區(qū)域。從上面的原因中能看出，小腿和地面法線的夾角要在一定的圍之才能夠?qū)崿F(xiàn)。如圖2-3所示，設(shè)小腿能夠轉(zhuǎn)動最大的角度為和小腿的最大向（順時針）驅(qū)動角度為，這時小腿擺動的角度圍能夠表示為：。 又有角的求解公式為： 令小腿桿在二極限位置、對應(yīng)的值為、，所以可求得： 由上式可知，對于不同的高度值，足端的運動軌跡類似橢圓曲線，當(dāng)髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動時，將形成三維的運動空間，如下圖2-4所示。 圖2-3小腿的擺動約束 圖2-4足端

18、運動空間 2.1.2 閉環(huán)平面四桿機構(gòu) 閉環(huán)平面四桿機構(gòu)并沒有開鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)承載能力低的缺點，它擁有比較好的剛性和較小的功耗，因此具有較廣泛的應(yīng)用。如圖2-5所示為一種比較常見的閉環(huán)平面四桿步行機構(gòu)，它的協(xié)調(diào)控制非常簡單。縮放式腿部的結(jié)構(gòu)擁有比例特性，可以按比例放大驅(qū)動器的推動距離從而得到足端的運動距離，它的不足之處是：不論是圓柱坐標(biāo)還是直角坐標(biāo)的縮放機構(gòu)，都需要二個以上的線性驅(qū)動關(guān)節(jié)，這就導(dǎo)致了機械結(jié)構(gòu)較大，質(zhì)量較重，而且驅(qū)動距離限制了機器人足端的運動圍，很難得到比較大的運動空間。 圖2-5平面四桿步行機構(gòu) 圖2-6平面四桿步行機構(gòu)坐標(biāo)系模型 我們建立如圖2-6所示的坐標(biāo)系模型

19、。B點髖關(guān)節(jié)，繞Z軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)角為α，懸長為；點為大腿桿的旋轉(zhuǎn)點，桿長為，其與的延長線的夾角為β；點為大腿桿的旋轉(zhuǎn)點，桿長為，其與的延長線的夾角為φ；由此可推出A點的運動軌跡方程為： 其中： 從所周知，在四桿機構(gòu)中二根桿重合的時候，機構(gòu)將會出現(xiàn)死點，為了防止四桿機構(gòu)死點的產(chǎn)生問題，比較實用的做法是規(guī)定一個小腿桿與大腿桿的最小夾角和最大夾角，即在大小腿桿之間的夾角無論在任何情況下都必須要在最小夾角和最大夾角之間：。就是因為這種限制要求，導(dǎo)致了大小腿的運動受到比較大的限制，組成了平面運動機構(gòu)。 另一方面，平面四桿機構(gòu)具有較多的演化方式，比較典型的有：埃萬斯四連桿機構(gòu)，如圖2-7

20、所示為該機構(gòu)的簡化形式，用連桿曲線的軌跡作為足端軌跡。這種步行機構(gòu)能產(chǎn)生近似直線的運動，而且都具有設(shè)計比較簡單、方便的特點。但是由于四桿機構(gòu)比較容易產(chǎn)生死鎖現(xiàn)象，腿部機構(gòu)的工作空間受到了較大限制，同時也增加了控制的難度。 圖2-7埃萬斯四連桿機構(gòu) 2.2 腿的設(shè)計 從運動的角度來看，足端相對于機身應(yīng)該為直線軌跡，為了實現(xiàn)在崎嶇不平的地面上行走，腿的伸長必須是可以改變的。從整體的行走性能來看，一方面要求機體能夠走出直線的運動軌跡或平面的曲線軌跡（在崎嶇不平的地面行走的軌跡），另一方面要能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向。行走機構(gòu)腿部的主要任務(wù)是支撐本體和使本體能夠?qū)崿F(xiàn)移動，此外還必須具有腳部的抬起和擺動的動

21、作，如果把本體作為參照物，那么就可以得到足端的運動軌跡如下圖2-8（a）所示。 圖 2-8 足端軌跡圖 實際的足端運動軌跡圖如圖（b）所示，在支撐相描述出比較緩慢的直線段，而在擺動相描繪出快速的凸起曲線段。 根據(jù)上述，提出四足行走機構(gòu)中腿機構(gòu)的要求： 腿的足端部相對于機體的運動軌跡形狀應(yīng)如“”。 其中圖形的上半部分對應(yīng)的是腳掌離開地面的足端運動軌跡，下半部分對應(yīng)的就是足支撐機體的運動軌跡，支撐相和懸空相的相位角都為π/2。 2.2.1 腿的機構(gòu)分析 相對而言步行機器人的腿機構(gòu)是步行機器人一個很重要的組成部分，在設(shè)計步行機器人的腿過程中，要求它能夠?qū)崿F(xiàn)承載和運動的功能，同時也

22、要滿足結(jié)構(gòu)相對簡單、控制方便的要求。 行走機構(gòu)的腿機構(gòu)分為開鏈機構(gòu)和閉鏈機構(gòu)兩大類。 開鏈機構(gòu)具有工作空間大，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，但因為其承載能力小，剛度和精度都比較差，為了完善這些缺陷，從而產(chǎn)生了閉鏈機構(gòu)。不過閉鏈機構(gòu)的工作空間很有局限性，分析比較之后，本文選擇閉鏈腿機構(gòu)來進行研究較好。 腿機構(gòu)運動要求的必要條件是： （1）機構(gòu)所含運動副是轉(zhuǎn)動副或移動副； （2）機構(gòu)的自由度不能大于2； （3）機構(gòu)的桿件數(shù)目不宜太多； （4）須有連桿曲線為直線的點； （5）足機構(gòu)上的點，相對于機身高度是可變的； （6）機構(gòu)需有腿的基本形狀。 腿機構(gòu)的性能要求有： （1）推進運動、抬腿運動最

23、好是獨立的； （2）機構(gòu)的輸入和輸出運動關(guān)系應(yīng)盡可能簡單； （3）平面連桿機構(gòu)不能與其他關(guān)節(jié)發(fā)生干涉； （4）實現(xiàn)直線運動的近似程度，不能因直線位置的改變而發(fā)生較大的變化。 行走機構(gòu)腿按照自由度劃分為 1.一個自由度 一個自由度的結(jié)構(gòu)可以由四桿、六桿、八桿等組成。四桿機構(gòu)只擁有一個閉環(huán)，它的運動鏈基本形式只有一種。六桿機構(gòu)具有兩個閉環(huán)，其運動鏈的基本形式有兩種。八桿機構(gòu)具有三個閉環(huán)，其運動鏈基本形式有十六種。 2.二個自由度 二個自由度的機構(gòu)可以由五桿、七桿、九桿等組成，他們運動鏈的基本形式有多種。兩個自由度的行走機構(gòu)可以實現(xiàn)前進和抬腿兩個方向上的獨立運動，但兩個自由度的機構(gòu)輸

24、入和輸出運動關(guān)系比較復(fù)雜，因此不予考慮。 在設(shè)計中，將采用斯蒂芬（Stephonson）型六桿機構(gòu)作為步行機構(gòu)，步行器的大小腿以二桿組構(gòu)成，并讓它的足端相對運動軌跡能夠滿足要求，二桿組的構(gòu)件盡量跟大小腿的結(jié)構(gòu)類似，驅(qū)動機構(gòu)用四桿機構(gòu)組成。腿機構(gòu)以二桿組組成，如圖2-6 所示，A為跨關(guān)節(jié)，B為膝關(guān)節(jié)，C作為足端。 以二桿組作為腿機構(gòu)，如圖 2-9 所示，A 為跨關(guān)節(jié)，B 為膝關(guān)節(jié)，C 作為足端。 圖 2-9 腿機構(gòu)示意圖 步行機構(gòu)的運動軌跡應(yīng)該選為近似矩形的形狀，因為此時能夠保證有效的跨過障礙物，以防止還沒有跨過障礙物，其足端就落下，從而失去平衡。 暫取 AB，BC，并分別為 9c

25、m、17cm，取足端的相對運動軌跡為對稱于圖 1 的 y 軸，并且當(dāng) C 點到C1 和C2 兩個點的時候，大小腿近似于拉直狀態(tài)。這樣取得的足端軌跡上的 24 個點的坐標(biāo)值如表 2-1，這里選定步行機構(gòu)的步距為 S=14cm，抬足高度 h=5.25cm。 表2-1 坐標(biāo)值表 點位置 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 X 0.75 2 3.25 4.5 5.75 7 7 5.75 4.5 3.25 2 0.75 Y 33 33 33 33 32.25 31.5 29.5 28.75 28.38 28.1

26、 27.8 27.75 點位置 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 X -0.75 -2 -3.25 -4.5 -6 -7 -7 -5.75 -4.5 -3 -2 -0.75 Y 27.75 27.8 28.1 28.38 28.75 29.5 31.5 32.25 33 33 33 33 下面分析絞鏈點D的軌跡，按照圖2-9說所建立的坐標(biāo)，首先建立D的位置方程 (2-1)

27、 (2-2) 因為AB為大腿的長度，其為所取的定長，列方程 (2-3) 把式(2-1),(2-2)代入式(2-3)，并簡化得 (2-4) 式(2-4)查詢數(shù)學(xué)手冊，可以解得： (2-5) 將β用C點的位置坐標(biāo)表示后，可得D點的位置坐標(biāo) (2-6) (2-7) 上式(2-6)，(2-7)中的和是決定D點相對于動桿BC位置的參數(shù)，當(dāng)和取同一系列不

28、同數(shù)值時，可以繪制出D的圖譜如下圖2-10所示。 圖2-10 圖譜 D點軌跡由一個四桿機構(gòu)實現(xiàn)，為了驅(qū)動方便，取四桿機構(gòu)為曲柄搖桿機構(gòu)。對照四桿機構(gòu)圖譜，只有，能在圖譜中找到，綜合考慮D點軌跡與圖譜連桿曲線一致性以與機構(gòu)具有好的構(gòu)形，確定D的位置尺寸為，，相應(yīng)四桿機構(gòu)為下圖2-11。 圖2－11 四桿機構(gòu)圖 其連桿點與D點軌跡具有相似的形狀，該四桿機構(gòu)的相對尺寸為： 將相對尺寸轉(zhuǎn)換成絕對尺寸為： 根據(jù)D1與D點軌跡相等的原則，進行裝配，其裝配尺寸為： 其裝配后的圖形為圖2-12所示： 圖2-12裝配圖 2.2.2 支撐與擺動組合協(xié)調(diào)控制器 (1)問

29、題的提出 由于設(shè)計上的限制，四足步行機器人在關(guān)節(jié)層面上設(shè)置驅(qū)動器，關(guān)節(jié)層面的驅(qū)動空間是非直覺的。描述關(guān)節(jié)運動的數(shù)學(xué)方程一般都使用三角函數(shù)，引起的非線性控制問題，常常難以理解和形象化。例如，怎樣確定躁關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和艘關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩才能取得四足機器人的協(xié)調(diào)平滑運動呢?用逆運動學(xué)方法，以足底軌跡求得關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，進而驅(qū)動關(guān)節(jié)實現(xiàn)機器人運動，雖可實現(xiàn)四足機器人的動態(tài)步行，但運動的平滑性較差。這是因為，該控制方法在關(guān)節(jié)空間上采用直接位置控制驅(qū)動關(guān)節(jié)，而不是直接考慮關(guān)節(jié)空間的驅(qū)動力矩。在四足機器人動態(tài)步行時，擺動腿的非直接力矩控制，對運動的平滑性影響并不明顯，擺動腿的擺動效果也不錯。但在控制支撐腿關(guān)節(jié)運動時，由

30、于支撐腿與地非鉸鏈連接，且支撐腿需驅(qū)動機器人機體向前運動，不直接考慮關(guān)節(jié)空間驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的關(guān)節(jié)位置控制方法，對運動的平滑性帶來了不利的影響。此控制方法不適合支撐腿的驅(qū)動控制。 (2)虛擬模型直覺控制解決方案 為使機器人系統(tǒng)控制簡單、直觀。美國麻省理工學(xué)院的Prat提出了虛擬模型控制的概念步行機器人虛擬模型控制的要素是虛擬構(gòu)件和虛擬模型。 虛擬構(gòu)件是連接機器人末端和本體的假想結(jié)構(gòu)，它將描述末端行為的期望變量轉(zhuǎn)變?yōu)樽饔糜谀┒说膹V義虛擬力，虛擬構(gòu)件可以是虛擬彈簧、阻尼器甚至肌肉等任何假想的元件。虛擬構(gòu)件的選擇取決于末端的期望運動。期望運動確定了虛擬構(gòu)件的參數(shù)，并由虛擬構(gòu)件產(chǎn)生末端的虛擬力。 虛擬

31、模型將廣義虛擬力映射為相關(guān)的實際關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩。廣義虛擬力的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩映射，通過推導(dǎo)末端到本體的運動學(xué)、計算本體到末端串行連桿的雅可比矩陣、雅可比矩陣將虛擬力映射為實際關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩，這三個步驟實現(xiàn)。 圖2-13應(yīng)擬模型拉制器的構(gòu)成圖 由末端的期望位置到實際關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩的映射示意如圖2-13所示。 在虛擬模型控制中虛擬構(gòu)件用于描述機器人的期望行為。步行運動變化為虛擬構(gòu)件的參數(shù)調(diào)整。如果期望機器人維持某一高度可以在機器人本體和地面之間連接一個虛擬彈簧構(gòu)件。機器人本體的維持高度可以通過改變彈黃系數(shù)來調(diào)節(jié)。 利用虛擬構(gòu)件可將期望的機器人行為轉(zhuǎn)變?yōu)樽饔糜跈C器人上的一般虛擬力。虛擬力通過虛擬模型映射成關(guān)節(jié)

32、轉(zhuǎn)矩。當(dāng)實際轉(zhuǎn)矩作用于關(guān)節(jié)時，機器人的行為就像真的有虛擬構(gòu)件作用于其上一樣。 本文將Pra“的虛擬模型控制概念，推廣并應(yīng)用到JTUWM-II的對角小跑動態(tài)步行。對角小跑位于對角的兩腿動作完全一樣，或與地接觸支撐機體，或擺動向前找尋新的支撐點。對角支撐交互，完成步行運動。針對支撐腿控制采用傳統(tǒng)方法機體平滑性較差這一現(xiàn)象，提出以虛擬模型控制實現(xiàn)對支撐腿的控制，對擺動腿的控制仍然采用，以足底軌跡映射關(guān)節(jié)空間位置的傳統(tǒng)方法。 虛擬模型控制的一個重要步驟是確定物理本體和末端，設(shè)計期望的運動變量。將虛擬模型控制用于支撐腿的控制時，通常設(shè)置足底為本體，機體為末端。一旦確定了本體和末端，下一個關(guān)鍵步驟是設(shè)

33、計一個有效的虛擬構(gòu)件。 (3)支撐與擺動組合協(xié)調(diào)控制器 步行控制算法的簡單特性歸因于支撐腿控制器利用虛擬模型化解了關(guān)節(jié)控制的復(fù)雜性。直覺分別控制足和機體的運動。支撐與擺動組合協(xié)調(diào)控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。 圖2-14四足機器人對角小跑支撐與擺動組合協(xié)調(diào)控制器框圖 (4)支撐腿控制器 圖2-15四足機器人對角支撐腿桂制器框圈 機體的期望位置由虛擬構(gòu)件轉(zhuǎn)化為廣義虛擬力，并通過力分布函數(shù)，分解為作用于前后腿的廣義虛擬力，并由虛擬模型轉(zhuǎn)化為實際的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動機體至期望的位置。 (5)擺動腿控制器 擺動腿應(yīng)采用足底軌跡進行控制，以逆運動學(xué)理論規(guī)劃關(guān)節(jié)空間軌跡的傳統(tǒng)方法來實現(xiàn)，擺

34、動腿控制器的輸入是擺動腿足底的期望位置，輸出是擺動腿關(guān)節(jié)的實際位置。 2.3 單條腿尺寸優(yōu)化 2.3.1 數(shù)學(xué)建模 據(jù)幾何圖形HGEFH，HGEDBAFH的封閉型條件，得到兩個方程： (2-8) (2-9) 式(2-8) ， (2-9)中分別用表示了和，既： (2-10) (2-11) 引入符號： (2-12) (2-13) (2-14) (2-15) (2-16)

35、 (2-17) 在機構(gòu)的第i和位置，AD間的距離為： 引入符號： (2-18) (2-19) 在機構(gòu)的第i個位置，此時足端C在坐標(biāo)系xAy下的位置坐標(biāo)為： (2-20) (2-21) 按照表1給出的足端第i個點位的坐標(biāo)為(),則進行機構(gòu)尺寸優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)可建立如下： (2-22) 其中，為計算因子，根據(jù)具體要求選定，一般在足端著地的各點位上，為保證機構(gòu)運動的平穩(wěn)，應(yīng)該進行優(yōu)化選取，優(yōu)化設(shè)計變量應(yīng)該為： 優(yōu)化設(shè)計的約束條件主要是：機構(gòu)的封閉性條件，曲柄存在條件，與腿部的

36、構(gòu)形條件，既： 2.3.2 運動特征的分析 衡量該機構(gòu)傳動特性的指標(biāo)為傳動角和，如圖2-9所示，根據(jù)下面的式子，可以計算出傳動角的變化圍。 (2-23) (2-24) 此時l為AD的長度： 當(dāng)在之變化時，通過編制程序，由式(2-23)，( 2-24)計算可以得到，的變化圍在之間，可以知道傳動特性比較好；同時的變化圍為，的最小值較小，因此傳動特性有待進一步提高。 2.4 機器人腿足端的軌跡和運動分析 2.4.1 機器人腿足端的軌跡分析 如圖2-16建立坐標(biāo)系xoy，z軸垂直紙面向里，足端的軌跡，既是C點在xoy下的

37、位置坐標(biāo)方程。 向量方程為： 寫到坐標(biāo)系xoy中： (2-25) 引入中間角度變量： 上式中 由式(2-10)，(2-11)可以求解和，式子中的為式(2-12)至(2-17)所表示。 (2-26) (2-27) 圖2-16 坐標(biāo)系圖 計算后會得到兩個解，用plot函數(shù)畫圖時，當(dāng)兩者取大于零的時候，會得到不封閉的圖形，因此不符合要求，所以兩者應(yīng)同時取小于零的數(shù)值。 根據(jù)表2-1中給的數(shù)據(jù)，得到預(yù)想設(shè)計的軌跡圖為下圖2-17所示。 圖 2-17預(yù)想設(shè)計的軌跡圖 同時根據(jù)優(yōu)化出

38、來的尺寸，用MATLAB模擬的腿的軌跡如下圖 2-18所示： 圖2-18用MATLAB模擬的腿的軌跡 由MATLAB所繪出的圖，可以看出優(yōu)化出來的尺寸，實際軌跡與預(yù)先設(shè)計的軌跡是相符的；同時，該尺寸也滿足預(yù)先選定步行機構(gòu)的步距和抬足高度的大小要求。 2.4.2 機器人腿足端的運動分析 由上面分析，可以知道端點的位置坐標(biāo)為： 為主動桿的角度，其為勻速運動，故（其中為常數(shù)）對上式兩邊進行求導(dǎo)，可得： (2-27) 分別對式(2-12),(2-13),(2-14)兩邊求導(dǎo)，得到： (2-28) 對式(2-10),兩邊求導(dǎo)得到：

39、 (2-29) 將式(2-28)代入式(2-29)，化簡可得： (2-30) 對式(2-15)，(2-16)，(2-17)兩邊求導(dǎo)得到： (2-31) 根據(jù)式(2-11)，兩邊求導(dǎo)得： (2-32) 把式(2-31)代入(2-32)就可以求出與的數(shù)學(xué)關(guān)系式。 由式(2-27)，可以知道速度在X ，Y方向的分量為： 把所求出來的 ，的表達式代入 ，就可以求出速度行走機構(gòu)足端的速度；此過程可以用MATLAB進行編程計算，并可以畫出速度圖，如圖2-20. 圖2-20 MATLAB得出的速度圖 3

40、機體設(shè)計 3.1 機體設(shè)計 機體的設(shè)計包括了構(gòu)成腿的各桿的設(shè)計，傳動部件的設(shè)計，機體的設(shè)計，以與各個不見的安裝設(shè)計。 行走機構(gòu)的機體一般選用長方體，為了滿足穩(wěn)定性的需求，重心應(yīng)該要大概保持在機體中心。但是行走機構(gòu)在步行時腳的位置會改變，有時也會受到地面環(huán)境因素的影響，使得重心經(jīng)常產(chǎn)生很大的偏差，這時就容易發(fā)生翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，再加上要實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎和爬坡，要想維持重心的不變就顯得更為艱難，這些因素導(dǎo)致目前四足步行速度低，步幅小的問題。為保持行走穩(wěn)定，可以采取配置調(diào)節(jié)重心。配重可以采用蓄電池或者其他。 3.1.1 機體外殼設(shè)計 本行走機構(gòu)的機體取B為350mm，前后兩腿之間的距離B為450mm，機體

41、高H為400mm，長L為850mm。其三維圖形如下3-1圖所示： 圖3-1 機體外殼三維圖 3.1.2 傳動系統(tǒng)設(shè)計 按照驅(qū)動電機的數(shù)量可將四足行走機構(gòu)劃分為： 1.一臺電機 一臺電機驅(qū)動四條腿可以節(jié)省能量，控制比較簡單，但要實現(xiàn)行走，傳動系統(tǒng)將比較復(fù)雜。由于原動機裝再機體上，減輕了腿的重量。日本的MEG-2行機器人既用一臺電動機驅(qū)動復(fù)雜的連桿機構(gòu)，實現(xiàn)步行。 2.兩臺電機 兩臺電機驅(qū)動四條腿既每臺電機驅(qū)動兩條腿，同樣可以節(jié)省能量，控制相對復(fù)雜，但傳動系統(tǒng)相對簡單。 4.四臺電機 每臺電機驅(qū)動一條腿，加重了腿的支撐總量，功耗較大，同時也給控制帶來較大的難度。 考慮綜合因

42、素，本行走機構(gòu)將選擇一臺電機。 為了連接方便，與電機連接的主動桿應(yīng)該用驅(qū)動件代替，這就簡化了傳動部件的設(shè)計過程，該驅(qū)動件如圖3-2所示。 圖3-2 驅(qū)動件圖 腿各桿的裝配圖如圖3-3所示： 圖3-3 腿各桿裝配圖 這里我們將采用齒形帶傳動連接前后腿，在安裝過程中，必須要保持前后腿相位差大約180度，這樣在步行機器人的行走過程中，才能夠保證前后兩腿總是交替的支撐和行走。 一、電機與電源的選擇 電機的選擇主要是參照其轉(zhuǎn)速和功率兩個參數(shù)。 由于該機構(gòu)在行走的過程中不會產(chǎn)生太大的能量消耗，因此，電機容量可以按下面的方法進行估計： 按機體總體質(zhì)量20kg，能以0.4m/s的速

43、度沿坡度30度的坡行走，則功率為 參考《中國電機產(chǎn)品目錄》，選擇直流電機。 根據(jù)實際需要，將選擇70ZYT001J4000，其減速比為1/40，得到的轉(zhuǎn)速為100r/min，比較合適，其技術(shù)參數(shù)如下表3-1： 表3-1 技術(shù)參數(shù)表 輸出功率的計算方法如下： 單位：瓦(w) 其中：T－負載力矩 單位：克/厘米 (g/cm) N－負載轉(zhuǎn)速 單位：轉(zhuǎn)/分 rpm 此輸出功率即就是帶動腿機構(gòu)和機體行走的功率。故選擇24V電瓶作為直流電源。 二、選用齒形帶 因設(shè)計想實現(xiàn)渦輪傳導(dǎo)動力的過程，故用齒形帶與之相互嚙合。帶傳

44、動具有機構(gòu)簡單，傳動平穩(wěn)的優(yōu)點，同步帶還具有定傳動比傳動的特點，前后腿之間選用齒形帶傳動，根據(jù)計算本次設(shè)計選擇450H-075型同步帶。 圖3-4 效果圖a 圖3-4 效果圖b 3.2 利用Solid Works進行腿與整個機構(gòu)輔助設(shè)計 Solid Works是一款用來進行三維設(shè)計的軟件，它的軟件功能強大，組件繁多，而且具有功能強大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點，這使得SolidWorks 成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案?；赟olid Works繪制的裝配圖，參看上圖所示。 4 結(jié)論 4.1 論文完成的主要工作 本文主要完成了一下方面的工作： 理論分析與推導(dǎo)計算

45、 1.單腿的分析 依據(jù)幾何圖形的封閉型條件，得出數(shù)學(xué)模型，根據(jù)數(shù)學(xué)模型，求出機構(gòu)尺寸優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。應(yīng)用向量分析法，列出足端軌跡的向量方程，并對該向量進行求導(dǎo)，得出足端的運動形式。這就有助于后來的MATLAB編程分析其運動。 2.四腿的組合 行走機構(gòu)步態(tài)的選擇和設(shè)計，選擇了對角線小跑步態(tài)。 3.行走機構(gòu)設(shè)計 結(jié)合了一個電機帶動齒形帶與傳動輪的轉(zhuǎn)動做到步行狀態(tài)。 4.2 總結(jié) 通過對該四足步行機器人腿的理論分析，本文主要得出以下總結(jié)： 1.該四足步行機器人的設(shè)計是可行的，它在行走過程中重心橫向變化量不大，可以實現(xiàn)其穩(wěn)定性要求；其具備一定速度能力和一定跨越障礙的能力。 2.對于該

46、四足步行機器人腿的選擇和設(shè)計的步態(tài)是合適的，能夠減少電機的使用數(shù)量，增加承載能力。 該腿機構(gòu)采用了傳統(tǒng)的連桿機構(gòu)，齒形帶和蝸桿的相結(jié)合是本設(shè)計的一大亮點。 參考文獻 [1]邱宣懷.機械設(shè)計.：高等教育，2000 [2]濮良貴，等.機械設(shè)計.：高等教育，2001 [3]桓,等. 機械原理.：高等教育，1995 [4]黃錫愷.機械原理.：人民教育，1981 [5]華大年.機械原理.：高等教育，1994 [6]世民.機械原理.：中央廣播電視大學(xué)，1993 [7]孟憲源.現(xiàn)代機構(gòu)手冊.：機械工業(yè) [8]王旭輝,等.機器馬行走機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計.工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1996 [9]方亞彬,等.

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49、 致 在論文成稿之際，我想首先向指導(dǎo)我的老師懷玉老師表示衷心地感。老師淵博的知識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)作風(fēng)和一絲不茍的工作態(tài)度使我受益非淺。老師嚴(yán)于律己、寬以待人的生活作風(fēng)也給我留下了深刻的印象。 畢業(yè)設(shè)計的過程，不僅對以前學(xué)過的知識是個很好的總結(jié)、應(yīng)用，而且還讓我學(xué)會了很多以前沒接觸過的新知識。在新舊知識的融會貫通過程中，我鞏固了以前的學(xué)習(xí)，提高了自學(xué)的能力，掌握了對于知識的綜合理解和運用，擴展了我的知識面和解決問題的思路，也讓我領(lǐng)會了謙虛為人、嚴(yán)謹(jǐn)求學(xué)的道理。這一切對我今后的工作和生活都有著不可忽視的作用。 由于我的水平有限,設(shè)計中可能還存在許多不足的地方,希望在坐的各位老師、教授能夠批評指正，再次您們！