六足行走運動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計畢業(yè)論文

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著人類探索自然界步伐的不斷加速，各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)哂袕?fù)雜環(huán)境自主移動能力機器人的需求，日趨廣泛而深入。理論上，足式機器人具有比輪式機器人更加卓越的應(yīng)對復(fù)雜地形的能力，因而被給予了巨大的關(guān)注，但到目前為止，由于自適應(yīng)步行控制算法匱乏等原因，足式移動方式在許多實際應(yīng)用中還無法付諸實踐。另一方面，作為地球上最成功的運動生物，多足昆蟲則

2、以其復(fù)雜精妙的肢體結(jié)構(gòu)和簡易靈巧的運動控制策略，輕易地穿越了各種復(fù)雜的自然地形，甚至能在光滑的表面上倒立行走。因此，將多足昆蟲的行為學(xué)研究成果，融入到步行機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制中，開發(fā)具有卓越移動能力的六足仿生機器人，對于足式移動機器人技術(shù)的研究與應(yīng)用具有重要的理論和現(xiàn)實意義。</p><p>　　六足仿生機器人地形適應(yīng)能力強，具有冗余肢體，可以在失去若干肢體的情況下繼續(xù)執(zhí)行一定的工作，適合擔(dān)當(dāng)野外偵查、水下搜尋

3、以及太空探測等對自主性、可靠性要求比較高的工作。</p><p>　　關(guān)鍵詞：六足機器人，適應(yīng)能力強，結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the increasingly rapid step of human exploration of nature, the demand for

4、robots with autonomous mobility under complex environment has been getting broader and deeper in more and more application areas. Theoretically, legged robot offers more superior performance of dealing with complicated t

5、errain conditions than that provided by wheeled robot and therefore has been given great concern, however up to now, for the reason of absence of adaptive walk control algorithm, legged locomotion mea</p><p>

6、;　　Hexapod robots have strong abilities to adapt the terrain, and have redundancy in the legs, so they can go on carrying out jobs in the case of losing some legs. They are suit for tasks which have strict demands for in

7、dependency and reliability such as spying in the wild, searching underwater and exploring the outer space. </p><p>　　Key words: Hexapod robot, strong abilities，mechanical design</p><p><b>

8、;　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要 </b></p><p><b>　　Abstract </b></p><p><b>　　第一章 緒論 </b></p><p>　　1.1六足步行機器人的介紹及背景 …………………………………………

9、……………1</p><p>　　1.2六足步行機器人的發(fā)展現(xiàn)狀 …………………………………………………………1</p><p>　　1.3步行機器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 …………………………………………………………4</p><p>　　1.3.1國外研究現(xiàn)狀 ………………………………………………………………………4</p><p>　　1.3.

10、2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 ………………………………………………………………………7</p><p>　　1.4六足步行機器人的現(xiàn)階段的研究任務(wù) ………………………………………………8</p><p>　　第二章 六足機器人的機械結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.1多足機器人的機構(gòu)類型 …………………………………………………………… 10</p><p>　

11、　2.1.1單連桿式 ………………………………………………………………………… 10</p><p>　　2.1.2四連桿式（埃萬斯機構(gòu)）…………………………………………………………11</p><p>　　2.1.3縮放式 ……………………………………………………………………………11</p><p>　　2.1.4關(guān)節(jié)式 ………………………………………………

12、……………………………12</p><p>　　2.2多足步行機器人的運動規(guī)劃 ………………………………………………………12</p><p>　　2.2.1三角步態(tài) …………………………………………………………………………12</p><p>　　2.2.2跟導(dǎo)步態(tài) …………………………………………………………………………13</p><

13、p>　　2.2.3交替步態(tài) …………………………………………………………………………13</p><p>　　2.3設(shè)計原理 ……………………………………………………………………………13</p><p>　　2.4六足機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計………………………………………………………………15</p><p>　　2.5舵機的選擇 ……………………………………

14、……………………………………17</p><p>　　2.5.1舵機概述 …………………………………………………………………………17</p><p>　　2.5.2舵機的選擇 ………………………………………………………………………17</p><p>　　2.6腿部機構(gòu)運動學(xué)分析…………………………………………………………………18</p>&l

15、t;p>　　2.6.1 D－H坐標(biāo)系的建立 ………………………………………………………………18</p><p>　　2.6.2運動學(xué)逆解 ………………………………………………………………………19</p><p>　　第三章 三維模型的建立</p><p>　　3.1六足機器人的本體結(jié)構(gòu)的建立 ……………………………………………………21</p&g

16、t;<p>　　3.2 Solidworks軟件介紹 ………………………………………………………………21</p><p>　　3.3總圖……………………………………………………………………………………22</p><p>　　3.4三維圖…………………………………………………………………………………23</p><p><b>　　第四章

17、 總結(jié)與展望</b></p><p>　　4.1總結(jié) …………………………………………………………………………………28</p><p>　　4.2展望 …………………………………………………………………………………28</p><p>　　參考文獻 ………………………………………………………………………………29</p><p&

18、gt;　　致 謝……………………………………………………………………………………30</p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　1.1 六足步行機器人的介紹及背景</p><p>　　目前，用于在人類不宜、不便或不能進入的地域進行獨立探測的機器人主要分兩種，一種是由輪子驅(qū)動的輪行機器人，另一種是基于仿生學(xué)的步行機器人。輪行機

19、器人的不足之處在于對于未知的復(fù)雜自然地形，其適應(yīng)能力很差，而步行機器人可以在復(fù)雜的自然地形中較為容易的完成探測任務(wù)。因此多足步行機器人有廣闊的應(yīng)用前景，如軍事偵察、礦山開采、核能工業(yè)、星球探測、消防及營救、建筑業(yè)等領(lǐng)域。在步行機器人中，多足機器人是最容易實現(xiàn)穩(wěn)定行走的。在眾多步行機器人中，模仿昆蟲以及其他節(jié)肢動物們的肢體結(jié)構(gòu)和運動控制策略而創(chuàng)造出的六足機器人是極具代表性的一種。六足機器人與兩足和四足步行機器人相比，具有控制結(jié)構(gòu)相對簡單、

20、行走平穩(wěn)、肢體冗余等特點，這些特點使六足機器人更能勝任野外偵查、水下搜尋以及太空探測等對獨立性、可靠性要求比較高的工作。國內(nèi)外對六足機器人進行了廣泛的研究，現(xiàn)在已有70多種六足機器人問世，由于六足仿生機器人多工作在非結(jié)構(gòu)化、不確定的環(huán)境內(nèi)，人們希望其控制系統(tǒng)更加靈活，并且具有更大的自主性。同時六足仿生機器人肢體較多，運動過程中需要實現(xiàn)各肢體之間的協(xié)調(diào)工作，如何方便可靠的實現(xiàn)這種協(xié)調(diào)，也是六足仿生機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計研究的</p>

21、<p>　　1.2 六足步行機器人的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　早期的六足機器人：隨著美國宇航總署對外太空探測計劃的不斷深入，迫切需要一種可以在未知復(fù)雜星球表面執(zhí)行勘探任務(wù)的機器人。由于六足機器人的所具有的這方面優(yōu)點，使其早在上世紀(jì)八十年代就已被列入資助研究計劃。其研究成果包括八十年代末的Genghis和九十年代初的Attila和Hannibal。Genghis（如圖1–1左）是由irobot公司研

22、制于80年代，每條腿裝有兩個電機，使得它可以自由行動，但是因為每腿只有兩個自由度，行動有些笨拙。采用遞歸控制結(jié)構(gòu)，可以使Genghis在復(fù)雜路面上行走，包括橫越陡峭的地勢，爬過高大的障礙，避免掉下懸崖。</p><p>　　圖1—1 Genghis和Attila</p><p>　　Attila（如圖1–1右）和Hannibal是由麻省理工學(xué)院的移動式遙控機械裝置實驗室于九十年代早期研制成

23、功。他們是該實驗室最早用于自主行星探測的機器人。他們外形相同，只在顏色上有差異，都是Genghis的“后代”。它們在設(shè)計上強調(diào)模塊化子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，各個部分（如頭部、腿部和身體）被當(dāng)作獨立的模塊來處理。它的設(shè)計重量和尺寸受系統(tǒng)復(fù)雜程度的制約，為了保證其在太空運行的可靠性，采用了冗余設(shè)計：從機械角度看，六條腿行走時，一旦有某條腿失效，余下的腿仍然可以行走；從傳感器的角度看，這種冗余可以讓來自不同位置的傳感器將信號傳給主控制器，以更有效地分析地

24、形。當(dāng)有傳感器失效時，剩下傳感器仍可以讓機器正常運行。</p><p>　　九十年代中期的六足機器人：對于跨海登陸作戰(zhàn)的部隊來說，淺灘地雷無疑是最危險也最頭疼的登陸障礙，出于這點考慮，美國麻省理工大學(xué)和旗下的is-robot公司得到國防部高級研究計劃局的資助，研制了兩代淺灘探雷機器人Ariel。Ariel（如圖1–2左）由美國is-robots公司于1995年研制。身體配備多種傳感器，對周圍環(huán)境和自身狀況的感知非

25、常靈敏。并配備一套自適應(yīng)軟件，可對一些變化做出積極的反應(yīng)。它是可以完全翻轉(zhuǎn)的，如果海浪將它打翻，他還可以“底朝上”的繼續(xù)行走。Robot II（如圖1–2右）是由Case Western Reserve大學(xué),機械及航天工程學(xué)院的仿生機器人實驗室研制。它的控制器在場外的計算機中。步態(tài)控制器基于節(jié)肢動物腿部協(xié)調(diào)工作的機理。通過改變一個簡單的速度參數(shù)，步態(tài)可以從一個緩慢的波動步態(tài)轉(zhuǎn)換到快速的三足步態(tài)。通過將仿昆蟲反射與步態(tài)控制器結(jié)合，它可以在

26、復(fù)雜的路面上行走。</p><p>　　圖1—2 Ariel和Robot II</p><p>　　近年完成的典型六足機器人：Scorpion（如圖1–3）是由美國波士頓東北大學(xué)海洋科學(xué)中心自主水下機器人研究小組和德國Fraunhofer自主智能系統(tǒng)研究所（AIS）共同完成于2001年。這項工程的目標(biāo)是運用集成來自行為學(xué)實驗和無脊椎動物的神經(jīng)生物學(xué)數(shù)據(jù)的低級行為指令，通過高級的控制模式來組

27、成行為序列，實現(xiàn)復(fù)雜的行為。機器人的設(shè)計是根據(jù)來自多足節(jié)支動物的解剖學(xué)數(shù)據(jù)。其采用機器人的行走控制基于兩個仿生控制元：中央模式生成元和基本運動的高級行為元。</p><p>　　圖1—3 Scorpion和Tarry</p><p>　　Tarry（如圖1-4）由德國杜伊斯堡大學(xué)機械工程部機械學(xué)院研制，項目始于1998年。它是在前一代六足機器人TUM的基礎(chǔ)上研制的。仍然采用Holk Cru

28、se教授的Walknet控制結(jié)構(gòu)，完善了更多的智能策略如加入腿部反射等，這使其行動很靈活。</p><p>　　1.3步行機器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.3.1國外研究現(xiàn)狀</p><p>　　對移動機器人的專門研究始于60年代末期。斯坦福研究院(SRI)的Nils Nilssen和Charles Rosen等人在1966年至1972年中研制出了名為S

29、hakey的自主移動機器人，用于應(yīng)用人工智能技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境下機器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制的研究。與此同時,最早的操作式步行機器人也研制成功,美國的Shigley和Baldwin都使用凸輪連桿機構(gòu)設(shè)計了機動的步行車，但由于技術(shù)水平限制，所設(shè)計的步行機效率低而且對地面的適應(yīng)性也差，從而開始了機器人步行機構(gòu)方面的研究,以解決機器人在不規(guī)則環(huán)境中的運動問題。這一階段比較典型的是美國的Mosher于1968年設(shè)計的四足車“Walking Tr

30、uck”，如圖1—4，步行車的四條腿由液壓伺服馬達系統(tǒng)驅(qū)動，安裝在駕駛員手臂和腳上的位置傳感器完成位置檢測功能。雖然整機操作比較費力，但實現(xiàn)了步行及爬越障礙的功能，被視為是現(xiàn)代步行機發(fā)展史上的一個里程碑。但從步態(tài)規(guī)劃及控制的角度來說，這種要人跟隨操縱的步行機并沒有體現(xiàn)步行機器人的實質(zhì)性意義，只能算作是人操作的機械移動裝置。</p><p>　　圖1—4 四足車Walking Truck</p>&l

31、t;p>　　隨著電子技術(shù)發(fā)展，計算機性能的提高，使多足步行機器人技術(shù)進入了基于計算機控制的發(fā)展階段。其中有代表性的研究為：1977年，Robert McGhee在俄亥俄州立大學(xué)研制的似昆蟲的六足機器人。其采用多種標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)行走、轉(zhuǎn)彎、側(cè)移及跨越較小的障礙物，計算機的任務(wù)為對機器人運動學(xué)進行計算以協(xié)調(diào)產(chǎn)生驅(qū)動的18個電機，從而保證機器人的質(zhì)心落在支撐多邊形內(nèi)；為更好的適應(yīng)地形，在以后的發(fā)展中又為其增加了力傳感器和視覺傳感器。Hiros

32、e根據(jù)他研制機器蛇的經(jīng)驗，設(shè)計了采用三維縮放式腿部機構(gòu)并搭建了一個小型四足機器人；由于該機構(gòu)把驅(qū)動運動直接轉(zhuǎn)化為笛卡爾坐標(biāo)系下的運動，從而大大減輕了計算機的計算量，而且由于運動過程中驅(qū)動只做正功，因此該機器人具有較高的效率。1985年，Robert McGhee研制了一臺更先進的試驗樣機——適應(yīng)性主動隔振步行機(Adaptive Suspension Vehicle，簡稱ASV,圖1—5)。ASV是監(jiān)控式步行機，它攜帶一名提供監(jiān)控級命令

33、的操作者，其中使用了與自治式動作相同的那些機械技術(shù)和控制技術(shù)，但操作者不直接對驅(qū)動電機進行控制，而是通過控制桿和鍵控盒輸入指令來控制機器人</p><p>　　圖1—5 Adaptive Suspension Vehicle 圖1—6 Odex1步行機器人</p><p>　　圖1—7 MIT腿部實驗室的四足和雙足機器人 圖1—8 DANTE步行機

34、器人</p><p>　　由于新的材料的發(fā)現(xiàn)、智能控制技術(shù)的發(fā)展、對步行機器人運動學(xué)、動力學(xué)高效建模方法的提出以及生物學(xué)知識的增長促使了步行機器人向模仿生物的方向發(fā)展。2000年美國研制出六足仿生步行機器人Biobot（圖1—9）,采用氣動人工肌肉的方式驅(qū)動,壓縮空氣由步行機上部的管子傳輸,并由氣動作動力，驅(qū)動各關(guān)節(jié),使用獨特的機構(gòu)來模仿肌肉的特性。與電機驅(qū)動相比,該作動器能提供更大的力和更高的速度，使機器人像昆

35、蟲那樣在凸凹不平地面上仍能高速和靈活步行。2000～2003年，日本的木村浩等又研制成功四足步行機器人Tekken（圖1—10），其采用基于神經(jīng)振蕩子模型的CPG控制器和反射機制構(gòu)成的控制系統(tǒng)，其中CPG用于生成機體和四條腿的節(jié)律運動，而反射機制通過傳感器信號的反饋，來改變CPG的周期和相位輸出,Tekken具有中等不規(guī)則表面的自適應(yīng)步行能力。加拿大McGill大學(xué)的Martin Buehler本著“功能仿真”的目的，利用電動機作為驅(qū)動

36、研制了Scout I、Scout II四足步行機器人和RHex六足機器人，如圖1—11所示，雖然這類機器人的每個腿中具有較少自由度但能實現(xiàn)行走、轉(zhuǎn)彎、側(cè)向行走和上下臺階等</p><p>　　圖1—9 Biobot六足機器蟲 圖1—10 Tekken四足機器人</p><p>　　圖1—11 Scout I、Scout II四足機器人和RHex六足

37、機器人</p><p>　　1.3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀</p><p>　　我國步行機器人的研究開始較晚，真正開始是在上世紀(jì)80年代初。1980年，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械研究所采用平行四邊形和凸輪機構(gòu)研制出一臺八足螃蟹式步行機,主要用于海底探測作業(yè),并做了越障、爬坡和通過沼澤地的試驗。1989年，北京航空航天大學(xué)孫漢旭博士進行了四足步行機的研究，試制成功一臺四足步行機，并進行了步行實驗；錢

38、晉武博士對地、壁兩用六足步行機器人進行了步態(tài)和運動學(xué)方面的研究。1991年，上海交通大學(xué)馬培蓀等研制出JTUWM系列四足步行機器人，該機器人采用計算機模擬電路兩級分布式控制系統(tǒng),JTUWM-III以對角步態(tài)行走,腳底裝有PVDF測力傳感器，如圖1—12。2002年，上海交通大學(xué)的顏國正、徐小云等進行微型六足仿生機器人的研究，如圖1—13所示，該步行機器人外形尺寸為：長30 mm、寬40 mm、高20 mm，質(zhì)量僅為6.3 g，步行速度為

39、3 mm/s。此外還有清華大學(xué)開發(fā)的DTWN框架式雙三足機器人，圖1—14所示；華中科技大學(xué)研制了“4+2”多足步行機器人和MiniQuad多足步行機器人，圖1—15所示，同時對多足步行機器人的運動規(guī)劃與控制，以及機器人的腿、臂功能融合和模</p><p>　　圖1—12 JTUWM四足步行機器人</p><p>　　圖1—13微型六足機器人</p><p>　　圖

40、1—14 DTWN整體結(jié)構(gòu)圖 圖1—15“4+2”多足步行機器人</p><p>　　1.4六足步行機器人的現(xiàn)階段的研究任務(wù)</p><p>　　步行機器人是涉及到生物科學(xué)、仿生工程學(xué)、機構(gòu)學(xué)、電學(xué)、控制學(xué)、傳感技術(shù)以及信息處理技術(shù)等多學(xué)科的一門綜合性高技術(shù)學(xué)科。到目前為止，盡管多足步行機器人技術(shù)有了很大的發(fā)展，國內(nèi)外研究開發(fā)了很多原理樣機或?qū)嶒災(zāi)Ｐ?，但制約

41、多足步行機器人技術(shù)進一步發(fā)展的基礎(chǔ)理論問題并沒有得到根本的解決?，F(xiàn)階段的主要研究任務(wù)為：</p><p>　　(1)步行機動力學(xué)的研究。雖然現(xiàn)在對步行機的動力學(xué)建模和計算問題已經(jīng)有了很大提高，提出了多種與機器人廣義坐標(biāo)和約束方程數(shù)目成線性關(guān)系的高效動力學(xué)算法，但是把其用于對機器人的實時控制仍不能得到理想的效果。</p><p>　　(2)機器人步態(tài)的研究。早期步行機一般采用規(guī)則步態(tài)，其優(yōu)點

42、是容易控制，但不適合復(fù)雜的地形。后來的提出的自由步態(tài)和規(guī)則步態(tài)具有相反的優(yōu)缺點。目前已經(jīng)提出了許多不同類型的步態(tài)，使步行機具有了多種運動的可能。但是如何選擇和組合步態(tài)以及在步態(tài)生成后，對步態(tài)的控制問題還沒有很好的解決，目前有兩種方法分別為基于逆運動學(xué)和逆動力學(xué)的控制。</p><p>　　(3)步行機機械結(jié)構(gòu)的研究。從步行機的研究開始首先就對其機械結(jié)構(gòu)進行了研究，目前多足步行機機體類型主要有：長方形，圓形和框架式

43、。步行機的腿部機構(gòu)的研究是熱點問題，采用何種機構(gòu)能滿足產(chǎn)生機器人足部的理想的運動軌跡，同時能通過簡單的算法對其運動進行控制的要求，促使研究者們不斷設(shè)計出新的腿部機構(gòu)，具有柔性的腿機構(gòu)是下一個研究焦點。</p><p>　　第二章 六足機器人的機械結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.1多足機器人的機構(gòu)類型</p><p>　　一般來說，腿的構(gòu)造形式可分為昆蟲類和哺乳動物類

44、兩種不同形式。昆蟲類生物其腿的數(shù)目較多，一般在四足以上;其腿分布于身體的兩側(cè)，身體重心低，穩(wěn)定性好，且運動靈活，但過低的重心不利于昆蟲的越障能力;喃乳動物的行走腿則通常為兩足或四足，且腿多分布于身體下方，重心高，便于快速奔跑和越障，但在轉(zhuǎn)向等需要靈活性的場合不如昆蟲類有優(yōu)勢。</p><p>　　無論是昆蟲類亦或哺乳動物類的腿的構(gòu)造方式，在機器人機構(gòu)中的具體實現(xiàn)形式上，一般有以下幾種方式:</p>

45、<p><b>　　2.1.1單連桿式</b></p><p>　　出于簡易靈活、價格低廉的角度考慮，一些功能單一、以娛樂性為主機器人的六條腿采用單連桿機構(gòu)設(shè)計，并以較少的自由度實現(xiàn)了基本的步行功能，減少了執(zhí)行電機，簡化了設(shè)計。目前市面上有很多諸如此類的爬蟲玩具，如圖2一1所示為常見的單桿式腿結(jié)構(gòu)的機器人。但是，過于簡單的腿部結(jié)構(gòu)以及較少的自由度導(dǎo)致此類機器人難以完成復(fù)雜的動作，實

46、用性較差。不過這類機器人也可以通過簡單的控制完成倒退、轉(zhuǎn)彎等功能，只是無法實現(xiàn)精確定位。</p><p>　　圖2—1 單桿式腿結(jié)構(gòu)機器人</p><p>　　2.1.2四連桿式(埃萬斯機構(gòu))</p><p>　　該機構(gòu)有各種衍化形式，是可用連桿曲線軌跡作為足端軌跡的一種步行機構(gòu)，如圖2—2。以四桿機構(gòu)為腿部機構(gòu)的設(shè)計原則和目的都是為了盡可能保證足端運動軌跡的平整性

47、，達到使機器人平穩(wěn)運動的目的。其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單、輕便、可通過改變桿長實現(xiàn)不同軌跡的行走。本論文將詳細(xì)的就連桿機構(gòu)設(shè)計六足行走機器人展開討論。</p><p><b>　　2.1.3縮放式</b></p><p>　　早期的四足、六足步行機器人都用過此類步行機構(gòu)?？s放機構(gòu)由于在其運動主平面具有運動解藕性，易于控制，當(dāng)縮放比大時，能以較小本體實現(xiàn)較大的空間運動等優(yōu)點，被

48、廣泛應(yīng)用于多足步行機器人的腿部機構(gòu)?？s放式腿機構(gòu)具有比例性，可將驅(qū)動器的推動距離比例放大為足端運動距離。以中南大學(xué)設(shè)計過的一款液壓控制的采用縮放式腿機構(gòu)的六足機器人為例，其原理如圖2—3。其中AC//EO，EB//CF，當(dāng)E點固定時，A點的運動將以KI=FD/OC的比例傳到F點;當(dāng)A點固定時，E點的運動將以K=KI+1的比例傳到F點。因此可以用A點和E點的獨立控制來實現(xiàn)垂直方向與水平方向的分離驅(qū)動。這就是該機構(gòu)的運動解藕性。該機構(gòu)有3個

49、自由度.即A點的沿Oy軸方向的移動，E點的沿Ox軸方向的移動以及整個機構(gòu)繞Oy軸的轉(zhuǎn)動?？s放式步行機構(gòu)的剛性較大，傳動誤差較小，腿部末端在機體下部的運動空間較大，在機體上部的運動空間較小，機構(gòu)存在死點。由于機構(gòu)至少需要兩個線性驅(qū)動關(guān)節(jié)，使得機械結(jié)構(gòu)較大，質(zhì)量較重。</p><p>　　圖2—2 艾萬斯機構(gòu)形式簡圖 圖2—3 縮放式機構(gòu)示意圖</p>&l

50、t;p><b>　　2.1.4關(guān)節(jié)式</b></p><p>　　由于多關(guān)節(jié)機構(gòu)具有活動范圍大，靈活性好的優(yōu)點，所以為近幾年步行機器人采用。此外，開環(huán)關(guān)節(jié)式機構(gòu)的末端操作點無論是在機體的上部還是下部都有非常大的運動空間，且機構(gòu)不存在死點的情況，機構(gòu)比較簡單;但是剛性較差，傳動誤差大而且不易控制。如圖2—4。</p><p>　　圖2—4 關(guān)節(jié)式腿結(jié)構(gòu)機器人<

51、;/p><p>　　2.2多足步行機器人的運動規(guī)劃</p><p>　　通俗地說，步態(tài)是行走系統(tǒng)抬腿和放腿的順序。從1899年Muybridge用連續(xù)攝影法研究動物的行走開始，人們對步行行走機構(gòu)的步態(tài)進行了大量的研究工作，尤其是近二三十年來，關(guān)于步態(tài)研究的重要成果不斷涌現(xiàn)。下面介紹的是目前應(yīng)用較廣的幾種多足機構(gòu)行走方式。</p><p><b>　　2.2.1

52、三角步態(tài)</b></p><p>　　三角步態(tài)也稱交替三角步態(tài)，是“六足綱”昆蟲最常使用的一種步態(tài)，也被譽為最快速有效的靜態(tài)穩(wěn)定步態(tài)。大部分六足機器人都是從仿生學(xué)的角度出發(fā)使用這一步態(tài)。昆蟲三角步態(tài)的移動模式較簡單，非常適合步行架構(gòu)的機器人的直線行走，行進速度也比較快。本論文也采用這種步態(tài)實現(xiàn)機器人的直線行走，該步態(tài)的具體方式將會在后文中具體給出。</p><p><b&

53、gt;　　2.2.2跟導(dǎo)步態(tài)</b></p><p>　　通常，三角步態(tài)的研究通常都局限在平坦地面，并且假設(shè)對于不平地面也是合理的。然而隨著1974年Sun首先提出了跟導(dǎo)步態(tài)的概念，并于1983年由Tsai成功地把這種步態(tài)應(yīng)用于俄亥俄州立大學(xué)的電動六足機器人中，這些為跟導(dǎo)步態(tài)的研究和發(fā)展，為提高機器人在不平地面上的行走速度奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　對于六足機器人來說，跟

54、導(dǎo)步態(tài)的重點是選擇前兩足下一步的落點，而一對中足和一對后足的下一步落點由當(dāng)前前足和中足的立足點決定。跟導(dǎo)步態(tài)每次只需要選擇前兩足的立足點，因而具有控制簡單，穩(wěn)定性較好，越溝能力強等特點，所以特別適合多足步行機在不平地面行走時采用。</p><p><b>　　2.2.3交替步態(tài)</b></p><p>　　與跟導(dǎo)步態(tài)類似，為了充分發(fā)揮六足機器人相對于輪式機器人在復(fù)雜地

55、形的行走優(yōu)勢，交替步態(tài)成為新興的六足機器人研究的重點。這種單腿交替行走步態(tài)，也被稱為五角步態(tài)。</p><p>　　在交替步態(tài)中，各腿的運動可分為抬升和前進兩個部分。當(dāng)某腿的相鄰各腿均已觸地時，該腿開始運動，并給其相鄰各腿發(fā)出信號。同樣，在該腿觸地時，也會給相鄰各腿發(fā)出觸地信號。這樣，一旦整個六足系統(tǒng)進入行走狀態(tài)，這種順次的步態(tài)運行狀態(tài)就可以一直維持下去。</p><p>　　由于各腿等待

56、其相鄰?fù)扔|地的時間取決于其相鄰?fù)鹊膭幼骷捌溆|地位置，因而，對于崎嶇不平的地面而言，這種步態(tài)本身是不可預(yù)測的。然而，對于理想的平整地面而言，各腿的運動周期應(yīng)該是一致的，故而此時的交替步態(tài)實質(zhì)上等同于三角步態(tài)，這己在實驗中得到證實。</p><p><b>　　2.3設(shè)計原理</b></p><p>　　六足仿生機器人采用六足昆蟲的行走步態(tài),步行時把6條足分為兩組,以一邊

57、的前足后足與另一邊的中足為一組,形成一個三角架支撐機體。因此在同一時間,只有一組的3條足起支撐作用,前足用爪固定物體后拉動蟲體前進,中足用以支撐并舉起所屬一邊的身體,后足則推動機體前進,同時使機體轉(zhuǎn)向。行走時機體向前,并稍向外轉(zhuǎn),3條足同時行動,然后再與另一組3條足交替進行。直線行走時的步態(tài)如圖2—5所示。機器人開始運動時左側(cè)的2號腿和右側(cè)的4、6號腿抬起,準(zhǔn)備向前擺動,另外3條腿1、3、5處于支撐狀態(tài),支撐機器人本體確保機器人的原有重

58、心位置處于3條支撐腿所構(gòu)成的三角形內(nèi),使機器人處于穩(wěn)定狀態(tài)不至于摔倒,見圖2—5a，擺動腿2、4、6向前跨步,見圖2—5b,支撐腿1、3、5一面支撐機器人本體,一面在小型直流驅(qū)動電機和皮帶傳動機構(gòu)的作用下驅(qū)動機器人本體,使機器人機體向前運動一個半步長S,見圖2—5c;在機器人機體移動到位時,擺動腿2、4、6立即放下,呈支撐態(tài)。使機器人的重心位置處于2、4、6三條支撐腿所構(gòu)成的三角形穩(wěn)定區(qū)內(nèi),原來的支撐腿1、3、5已抬起并準(zhǔn)備向前跨步,見

59、圖2—5d擺動腿1、3、5向前跨步,見圖2—5e,支</p><p>　　圖2—5　機器人步態(tài)示意圖</p><p>　　在機器人希望轉(zhuǎn)彎時其6支腳的運動順序與直行時基本相同,唯一的不同在于在期望轉(zhuǎn)向的那一側(cè)的3支腳運動方向完全逆向。例如當(dāng)希望機器人向左轉(zhuǎn)向時,機器人右側(cè)3支腳運動狀態(tài)保持不變,左側(cè)3支腳的運動完全逆向,但是運動速度與運動相位差保持不變。值得注意的是這樣實現(xiàn)的轉(zhuǎn)向方式,是在

60、原地實現(xiàn)的,即當(dāng)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向時機器人本身,不會出現(xiàn)平移。</p><p>　　2.4六足機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　軀干縱向長214mm，寬240mm，站立時高110mm。機器人每條腿有三個自由度，前兩個自由度的轉(zhuǎn)動軸線相互垂直，后兩個自由度的轉(zhuǎn)動軸線相互平行，分別由三個獨立的舵機驅(qū)動。后兩個自由度采用四連桿方式傳動。為增加支撐的穩(wěn)定性，六個足端呈橢圓形分布。</p>

61、<p>　　圖2—6六足機器人機構(gòu)</p><p>　　對于每條腿，按照由軀干到足端的順序，三個自由度的傳動方式如下：</p><p>　　第一個自由度，由舵機直接帶動轉(zhuǎn)節(jié)前后擺動，從而使整條腿前后擺動。</p><p>　　第二個自由度，由舵機通過一個四桿機構(gòu)A2B2C2D2，帶動股節(jié)D2G上下擺動，其機械結(jié)構(gòu)如圖2–7 a)所示，對應(yīng)的機構(gòu)簡圖如圖2–

62、7 b)所示。</p><p>　　第三個自由度，由舵機通過四桿機構(gòu)A1B1C1D1和D1E1F1G，帶動脛節(jié)GH上下擺動，其機械結(jié)構(gòu)如圖2–8 a)所示。對應(yīng)的機構(gòu)簡圖如圖2–8 b)所示。</p><p>　　機器人腿部完整的機構(gòu)簡圖如圖2–9所示。三個自由度的原動件分別為軸OO1、桿A2B2和桿A1B1，它們都是由舵機直接驅(qū)動。</p><p><b&g

63、t;　　圖2—7 股節(jié)機構(gòu)</b></p><p><b>　　圖2—8 脛節(jié)機構(gòu)</b></p><p>　　圖2—9 腿部完整機構(gòu)</p><p>　　腿部機構(gòu)可以等效成三自由度的開式桿機構(gòu)，即圖OO1－D1－G－H，即圖2–9中實線部分所示。如果確定了此開式桿機構(gòu)的各關(guān)節(jié)角度，虛線部分機構(gòu)的各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角就可以通過求解四桿機構(gòu)得到

64、，從而舵機的轉(zhuǎn)角就確定了。</p><p><b>　　2.5舵機的選擇</b></p><p>　　2.5.1 舵機概述 </p><p>　　舵機主要是由外殼、電路板、核心馬達、齒輪與位置檢測器所構(gòu)成。其工作原理是由接收機發(fā)出訊號給舵機，經(jīng)由電路板上的 IC判斷轉(zhuǎn)動方向，再驅(qū)動無核心馬達開始轉(zhuǎn)動，透過減速齒輪將動力傳至擺臂，同時由位置檢

65、測器送回訊號，判斷是否已經(jīng)到達定位。位置檢測器其實就是可變電阻，當(dāng)舵機轉(zhuǎn)動時電阻值也會隨之改變，藉由檢測電阻值便可知轉(zhuǎn)動的角度。一般的伺服馬達是將細(xì)銅線纏繞在三極轉(zhuǎn)子上，當(dāng)電流流經(jīng)線圈時便會產(chǎn)生磁場，與轉(zhuǎn)子外圍的磁鐵產(chǎn)生排斥作用，進而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動的作用力。依據(jù)物理學(xué)原理，物體的轉(zhuǎn)動慣量與質(zhì)量成正比，因此要轉(zhuǎn)動質(zhì)量愈大的物體，所需的作用力也愈大。</p><p>　　2.5.2 舵機的選擇 </p>

66、<p>　　按照所需扭力來選擇相應(yīng)舵機，選擇FUTUBA系列的舵機。</p><p>　　圖2—10 S3101尺寸參數(shù)</p><p>　　2.6腿部機構(gòu)運動學(xué)分析</p><p>　　2.6.1 D－H坐標(biāo)系的建立</p><p>　　對圖2–9中實線部分的機構(gòu)建立D-H坐標(biāo)系，如圖2–11所示。</p>

67、<p>　　圖2—11機器人腿部D-H坐標(biāo)系</p><p>　　足端坐標(biāo)系在軀干坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)變換就表示了足端在軀干坐標(biāo)系中的位置與姿態(tài)。根據(jù)圖2–5的坐標(biāo)系可以由、和得到如式所示齊次坐標(biāo)變換矩陣：</p><p>　　2.6.2運動學(xué)逆解</p><p>　　在六足機器人足端與地面不發(fā)生滑動摩擦的情況下，足端與地面的接觸點相當(dāng)于一個球鉸鏈，而對于每

68、條腿有3個自由度的多足機器人，當(dāng)與地面接觸的支撐腿大于等于3個時，其軀干具有完全的6個自由度（位置、姿態(tài)完全自由）。</p><p>　　當(dāng)足端的位置已知，并且軀干的位置與姿態(tài)都確定時，足端點在軀干坐標(biāo)系中的位置是已知量，假設(shè)其三個坐標(biāo)分別為、、，根據(jù)齊次坐標(biāo)變換矩陣的幾何意義可以得到以下方程組：</p><p>　　方程組中，分別表示的正、余弦函數(shù)。由此方程組可以解得各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角如下式

69、：</p><p><b>　　上述等式中， 。</b></p><p>　　考慮到機器人機械結(jié)構(gòu)的限制，取值范圍為，取值范圍為，取值范圍為。根據(jù)求得的解析解，結(jié)合轉(zhuǎn)角的取值范圍，即可唯一確定的值，從而確定了圖2–11中實線部分機構(gòu)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角。進而根據(jù)平面四桿機構(gòu)的計算可以得出各舵機的轉(zhuǎn)角值。這樣，對應(yīng)每個末端位置，其運動學(xué)逆解是唯一的。</p><

70、;p><b>　　三維模型的建立</b></p><p>　　3.1 六足機器人的本體結(jié)構(gòu)的建立</p><p>　　為了快速準(zhǔn)確地建立六足機器人的模型，并方便日后的修改和計算，運用三維實體造型軟件solidworks軟件，建立機器人各個部件的三維實體模型，并根據(jù)系統(tǒng)中各個部件的相對位置關(guān)系，組裝成裝配體。</p><p>　　3.2

71、 Solidworks軟件介紹</p><p>　　相比傳統(tǒng)的2D繪圖，三維實體造型不僅可以提供幾何拓?fù)湫畔?，而且可包含模型的材料、質(zhì)量、質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動慣量等物理信息，因此三維實體造型件己經(jīng)成為現(xiàn)代設(shè)計師鐘愛的使用工具。目前市面上流行的三維實體造型軟件SolldworkS，Pro/e，UG，Ideas，它們都帶有功能相當(dāng)完善的實體建模模塊，可以快速準(zhǔn)確的完成復(fù)雜系統(tǒng)的實體建模。相比其它造型軟件，Solidwork

72、s價格低廉，易學(xué)易用，并且支持Iges，Parasolid，Step，Dxf，Dwf等數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，這樣保證了跟其它CAD/CAE軟件比如Ansys，ADAMS，Pro/e，Ideas等軟件之間進行數(shù)據(jù)傳遞。</p><p>　　Solidworks是一套基于特征的參數(shù)化機械設(shè)計自動化軟件，它采用了大家所熟悉的Microsoft Windows圖形用戶界面。使用這套簡單易學(xué)的工具，機械設(shè)計工程師能快速、方便地按照

73、其設(shè)計思想繪制出草圖及三維實體模型;在設(shè)計過程中，可應(yīng)用特征、尺寸及約束功能，準(zhǔn)確制作設(shè)計模型，并繪制出詳細(xì)的工程圖;根據(jù)各零件間的相互裝配關(guān)系，可快速實現(xiàn)零部件的裝配，完成總體設(shè)計任務(wù)。</p><p>　　Solidworks軟件功能強大，組件繁多。 Solidworks 功能強大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks 的三大特點，使得SolidWorks 成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。Solid

74、Works 能夠提供不同的設(shè)計方案、減少設(shè)計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks 不僅提供如此強大的功能，同時對每個工程師和設(shè)計者來說，操作簡單方便、易學(xué)易用。</p><p><b>　　3.3總圖</b></p><p><b>　　3—1 總體結(jié)構(gòu)圖</b></p><p>　　采用每條腿部3個舵機分別

75、控制抬腿動作、左右移動動作、跨腿動作。共采用18個舵機。因此共使用18個舵機控制整個六足行走機器人的全部運動。當(dāng)然，由于采用三角步態(tài)運動，3個腿的運動相同，可以采用2個舵機控制6條腿的跨腿動作，所以可以節(jié)省4個舵機。采用連桿機構(gòu)的好處是可以實現(xiàn)不同軌跡的行走，并在一定程度是增強的運動的可靠性和穩(wěn)定性。</p><p><b>　　3.4三維圖</b></p><p>

76、　　3—2 FGH腿部機構(gòu)圖</p><p>　　底部采用半圓頭，適應(yīng)性強，較易地跨過比較大的障礙（如溝、坎等）。</p><p>　　3—3 股節(jié)裝配體圖</p><p>　　由舵機通過一個四桿機構(gòu)A2B2C2D2，帶動股節(jié)D2G上下擺動，實現(xiàn)抬腿運動。</p><p>　　3—4 脛節(jié)裝配體圖</p><p>　　

77、由舵機通過四桿機構(gòu)A1B1C1D1和D1E1F1G，帶動脛節(jié)GH擺動，實現(xiàn)左右搖擺運動。</p><p><b>　　3—5 單足組裝圖</b></p><p>　　第一個自由度，由舵機直接帶動轉(zhuǎn)節(jié)前后擺動，從而使整條腿前后擺動。</p><p>　　第二個自由度，由舵機通過一個四桿機構(gòu)A2B2C2D2，帶動股節(jié)D2G上下擺動，</p&g

78、t;<p>　　第三個自由度，由舵機通過四桿機構(gòu)A1B1C1D1和D1E1F1G，帶動脛節(jié)GH擺動，實現(xiàn)左右搖擺運動。</p><p>　　機器人腿部完整的機構(gòu)簡圖如圖2–9所示。三個自由度的原動件分別為軸OO1、桿A2B2和桿A1B1，它們都是由舵機直接驅(qū)動。</p><p><b>　　3—6 舵機三維圖</b></p><p&g

79、t;　　由單片機控制舵機旋轉(zhuǎn)，然后再由舵機控制每個自由度的運動軌跡。</p><p><b>　　3—7 固定架圖</b></p><p>　　用于連接軀體和腿部，由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，因此多處需要焊接來實現(xiàn)。</p><p><b>　　3—8軀體圖</b></p><p>　　用于連接腿部機構(gòu)，并安

80、裝單片機以實現(xiàn)六足行走機器人的智能化。</p><p><b>　　3—9 三維組裝圖</b></p><p><b>　　第四章 總結(jié)與展望</b></p><p><b>　　4.1總結(jié)</b></p><p>　　多足行走機器人，具有運動穩(wěn)定好，適應(yīng)性強，控制方便的優(yōu)點。

81、它可以較易地跨過比較大的障礙（如溝、坎等），并且機器人足所具有的大量的自由度可以使機器人的運動更加靈活，對凹凸不平的地形的適應(yīng)能力更強；足式機器人的立足點是離散的，跟地面的接觸面積較小，因而可以在可達到的地面上選擇最優(yōu)支撐點，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴(yán)格選擇足的支撐點，也能夠行走自如。</p><p>　　在此次設(shè)計的過程中，培養(yǎng)了我的綜合運用所學(xué)知識的能力，分析和解決實際中所遇到問題的能力，并且能鞏固

82、和深化我所學(xué)的專業(yè)知識，使我在調(diào)查研究和收集資料等方面的能力有了顯著的提高，同時在理解問題，分析問題、設(shè)計機構(gòu)和繪圖能力方面有較大的進步。</p><p><b>　　4.2展望</b></p><p>　　步行機器人是一個新興的多學(xué)科交叉領(lǐng)域，對步行機器人的科學(xué)研究和應(yīng)用開發(fā)在世界上方興未艾，許多關(guān)鍵技術(shù)還有待解決和改進，同時，許多新的理論和技術(shù)開始向步行機器人領(lǐng)域

83、滲透，大大擴展了步行機器人領(lǐng)域的研究空間。步行機器人的運動學(xué)和動力學(xué)作為運動控制和其他功能的基礎(chǔ)必然在其以后的研究中起到越來越重要的作用。結(jié)合課題研究中的經(jīng)驗，認(rèn)為以下幾個方面需進一步研究：</p><p>　　(1)動力學(xué)分析理論方面，雖然已提出了許多高效的動力學(xué)算法，但對系統(tǒng)包含閉環(huán)、需考慮連接桿件柔性的情況下所需計算量很大的情況下，仍達到實時控制的要求。</p><p>　　(2)步

84、行機的能量消耗方面，目前的步行機器人運動時消耗的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于動物做同樣的運動所消耗的能量，這就限制的步行機的應(yīng)用，造成這種情況的主要原因是為實現(xiàn)規(guī)劃的步態(tài)在整個運動過程中具有需要通過驅(qū)動元件對關(guān)節(jié)做負(fù)功的情況，被動步行機的研究已在這一方面取得了一定的成果。</p><p>　　(3)步行機機動性、靈活性方面，目前的步行機器人還遠(yuǎn)未達到像動物那樣的步行機動性和靈活性,存在步行速度低,效率差等問題。進一步深入研究功能

85、、控制和群體仿生,提高步行機器人的速度和靈活性,充分實現(xiàn)多足步行機器人的優(yōu)點,是今后研究步行機器人的重點之一。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　【1】雷靜桃，高峰，崔瑩.多足步行機器人的研究現(xiàn)狀及展望[J].機械設(shè)計，2006（9）:1~3</p><p>　　【2】蔡自興.機器人學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社

86、，2000</p><p>　　【3】黃俊軍，葛世榮，曹為.多足步行機器人研究狀況及展望[D]. 江蘇徐州：中國礦業(yè)大學(xué)可靠性與救災(zāi)機器人研究所, 221008.</p><p>　　【4】陳學(xué)東等.多足步行機器人運動規(guī)劃與控制[M].湖北:華中科技大學(xué)出版社，2006</p><p>　　【5】克拉克·丹尼斯等.機器人設(shè)計與控制[M].北京:科學(xué)出版社，

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89、<p>　　【12】郭鴻勛，陳學(xué)東. 六足步行機器人機械系統(tǒng)[D].武漢：華中科技大學(xué).200804</p><p>　　【13】安麗橋，朱磊.六腳足式步行機器人的設(shè)計與制作[D].上海：上海交通大學(xué). 200602</p><p>　　【14】劉靜，趙曉光，譚民.腿式機器人的研究綜述[J].中國科學(xué)院自動化研究所復(fù)雜系統(tǒng)與智能科學(xué)實驗室,北京　100080</p>

90、<p>　　【15】馬東興，王延華，岳林.新型四足機器人步態(tài)仿真與實現(xiàn)[J].南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇南京，210016.</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　畢業(yè)意味著一個人一個階段學(xué)習(xí)生涯的結(jié)束。在大學(xué)里，畢業(yè)論文是宣告這一事實的標(biāo)準(zhǔn)。從大一到現(xiàn)在四年的學(xué)習(xí)四年的磨煉，在此刻沉淀成一篇畢業(yè)論文。</p>

91、<p>　　通過這次畢業(yè)設(shè)計，不但使我將大學(xué)期間所學(xué)知識再次回顧學(xué)習(xí)，而且也使我學(xué)到了更多在課本上學(xué)不到的知識，xx老師言傳身教使我受益匪淺，終生難忘。從飛思卡爾到論文課題的研究到論文的撰寫，他都給予了大量的幫助和關(guān)心。一年半以來，導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的專業(yè)知識、靈活開放的思路寶貴的經(jīng)驗以及忘我的工作精神對我產(chǎn)生了深刻的影響，這些影響將使我在以后的學(xué)習(xí)中受益匪淺。</p><p>　　非常感謝曾給予

92、我耐心指導(dǎo)和親切關(guān)懷的老師及幫助我的同學(xué)，正是由于他們的幫助和鼓勵才使我能夠在畢業(yè)設(shè)計過程中克服種種困難，最終順利完成設(shè)計。</p><p>　　在此，請允許我再次向曾給予我多次幫助的xx老師表示最忠的敬意。再感謝大學(xué)四年的班主任田寶香老師給予我們班級無微不至的關(guān)懷，謝謝，謝謝，衷心的感謝各位老師！</p><p>　　最后我還要感謝我的家人和朋友在本科階段給我的物質(zhì)上的幫助和精神上的鼓勵