機械類專業(yè)畢業(yè)設(shè)計-----步態(tài)機器人

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要……I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論3</b></p><p>　　1.1 課題的來源及研究的目的和意義3</p>&

2、lt;p>　　1.2 國內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析3</p><p>　　1.3 本文的主要研究內(nèi)容8</p><p>　　第2章 機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計9</p><p>　　2.1 多運動方式機器人的工作原理9</p><p>　　2.2 工作要求及技術(shù)參數(shù)9</p><p>　　2.2.1 技術(shù)要求

3、9</p><p>　　2.2.2 技術(shù)參數(shù)9</p><p>　　2.3 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計10</p><p>　　2.3.1 傳動方式10</p><p>　　2.3.2 主體結(jié)構(gòu)組成11</p><p>　　2.3.3 材料的選擇12</p><p>　　2.3.4 驅(qū)動方式13

4、</p><p>　　2.3.5 傳動機構(gòu)（足部）14</p><p>　　2.4 本章小結(jié)18</p><p>　　第3章 三維結(jié)構(gòu)設(shè)計19</p><p>　　3.1 Pro/E簡介19</p><p>　　3.2 三維實體裝配22</p><p>　　3.2.1 三維實體裝配的基

5、本過程22</p><p>　　3.2.2 機器人的三維實體裝配23</p><p><b>　　3.3 小結(jié)27</b></p><p>　　第4章 運動方程與步態(tài)規(guī)劃28</p><p>　　4.1 多運動方式機器人運動學(xué)分析28</p><p>　　4.1.1 運動學(xué)模型28&l

6、t;/p><p>　　4.1.2 并聯(lián)運動模型和運動方程28</p><p>　　4.1.3 串聯(lián)運動學(xué)模型及其方程29</p><p>　　4.2 總體步態(tài)規(guī)劃31</p><p>　　4.2.1 步態(tài)術(shù)語31</p><p>　　4.2.2 穩(wěn)定性原32</p><p>　　4.2.3

7、 最佳步態(tài)33</p><p>　　4.3 本章小結(jié)36</p><p><b>　　結(jié)論37</b></p><p><b>　　致謝38</b></p><p><b>　　參考文獻39</b></p><p><b>　　附錄

8、41</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　課題的來源及研究的目的和意義</p><p>　　隨著計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，國際上移動服務(wù)機器人的研究與開發(fā)速度明顯加快，同時人們也深刻地體會到移動機器人的優(yōu)越性。如在核工業(yè)、化工行業(yè)代替工人進行檢測、檢查等；在辦公室、醫(yī)院、賓館、家庭等從事服務(wù)；對

9、建筑、大型船體、罐體進行清洗；在有毒環(huán)境下進行自動焊接作業(yè)；用于未知星球表面的探測等等。因此發(fā)達國家對移動機器人的研究非常重視，其研究、開發(fā)、生產(chǎn)、銷售等所帶動的行業(yè)已初步形成朝陽產(chǎn)業(yè)的雛形和態(tài)勢。同時，移動機器人技術(shù)的研究涉及到先進機構(gòu)（如仿生機構(gòu)、機器人機構(gòu)重構(gòu)等）、機械學(xué)、機械力學(xué)、人工智能控制、先進控制算法及理論、多傳感器融合技術(shù)、拓撲學(xué)理論與計算機圖形學(xué)、計算機視覺等多交叉學(xué)科，對于移動機器人的研究必將促進各相關(guān)學(xué)科的發(fā)展[]

10、[][]。</p><p>　　國際上現(xiàn)有的移動機器人一般都是足式或者輪式機器人。足式機器人有很好的運動靈活性，避障能力很強，但是現(xiàn)有的機構(gòu)水平導(dǎo)致運動速度普遍較低；輪式機器人有較高的運動速度，但是避障能力和非結(jié)構(gòu)環(huán)境下移動性能不夠[]。而將開展的課題——多運動方式四足智能移動機器人的研究能很好結(jié)合輪式機器人和足式機器人的優(yōu)點，達到良好的運動靈活性和較高的移動速度，提供良好的應(yīng)用平臺。另外，我國目前在多足移動機器

11、人領(lǐng)域的研究基本處于空白，而且研究工作沒有很好的連續(xù)性，因此，該課題的研究成功必將提升我國在該領(lǐng)域的國際競爭能力。</p><p>　　本課題主要的也是最直接的應(yīng)用領(lǐng)域是作為特種機器人平臺，由于具有靈活的運動方式和較高的運動速度，所以附加一定的功能裝置后可以涉足人類不宜的場所完成一些危險任務(wù)，比如掃雷、探險、排除核污染威脅等。此外，由于具有較強的環(huán)境識別能力和適應(yīng)能力，本課題還有一個潛在的重要應(yīng)用場所就是作為航天

12、探測機器人。</p><p>　　本課題來源于黑龍江省科技攻關(guān)重點項目。</p><p>　　國內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析</p><p>　　移動機器人由于其靈活性、快速性，因此發(fā)達國家對移動機器人的研究非常重視。國內(nèi)外就移動機器人的控制算法、步態(tài)規(guī)劃都有深入地研究。下面就本課題研究的方向步態(tài)規(guī)劃，追溯一下國內(nèi)外的研究歷史、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢并加以分析。<

13、/p><p>　　因為機器人的仿生性，注定了步態(tài)的研究開始于對動物的步態(tài)研究。步態(tài)規(guī)劃的研究最早來自于1872年，美國的動物學(xué)家E.核帕瑞基（Huybridge）就使用拍攝動物連續(xù)行走時各腿運動的連續(xù)照片來研究動物的行走過程。1965年，M.漢丁勃瑞得（Hildobrand）用較先進的照相機拍攝了四足動物慢走、小跑、奔跑等不同運動情況下各腿運動的連續(xù)照片來研究四足動物的慢走、小跑、奔跑的過程[]。1961年至1966

14、年南斯拉夫的R.特母維克（Tomovic）將有限狀態(tài)理論應(yīng)用到腿的行走運動過程中，認為一條腿在某一時刻可處于支撐狀態(tài)和懸空狀態(tài)的其中一種步態(tài)[]。1968年R.B.麥吉（Meghee）系統(tǒng)的研究了以往的成果，用步態(tài)矩陣的方法來研究步態(tài)。同年，他又和A.A.弗蘭克（Frank）一起用步態(tài)公式和步態(tài)矩陣方法研究了四足直線行走爬行步態(tài)的穩(wěn)定性，并指出四足動物和四足機器人的眾多步態(tài)中有一種穩(wěn)定性最好的步態(tài)就是對稱步態(tài)，并給出了這種步態(tài)的穩(wěn)定裕度

15、的數(shù)學(xué)表達式。1972年R.A.麥吉和A.K.驕恩（Jain）定義了另一種數(shù)學(xué)描述，他們用事件序列來描述步態(tài)，研究論文規(guī)則步態(tài)矩陣的一些性質(zhì)，給出了步態(tài)可實現(xiàn)</p><p>　　1995年西班牙P.Gonzalez De Santos and M.A.Jimwnezzai規(guī)劃了四足步行機器人的對稱規(guī)則步態(tài)[]。下圖1-1為該機器人一個周期內(nèi)的步態(tài)圖。首先軀體重心調(diào)整到1、2、3腿所組成的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)后邁4腿，接著

16、邁2腿。然后把軀體調(diào)整到1、2、4腿所組成的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)后邁3腿，接著邁1腿。</p><p>　　1989年北京航空航天大學(xué)的孫漢旭在前人的基礎(chǔ)上進行了全方位水平行走和彎道行走的探討[]。2001年集美大學(xué)徐軼群對四足機器人的步態(tài)和穩(wěn)定性的關(guān)系進行了分析[]。如下圖1-2、圖1-3是中國集美大學(xué)徐軼群規(guī)劃出的四足運動狀態(tài)圖和一周期內(nèi)各腿相對機體的位置。</p><p>　　步態(tài)規(guī)劃首先遇到

17、的問題就是靜態(tài)穩(wěn)定，以上研究都是針對靜態(tài)穩(wěn)定進行的。靜態(tài)規(guī)劃主要考慮的問題是移動時重心應(yīng)落在其支撐面內(nèi)，主要思路是每單步結(jié)束時根據(jù)身體位姿調(diào)整重心，以便下一步移動時能夠穩(wěn)定。靜態(tài)穩(wěn)定運動速度較慢,一般小于0.1m/s，但是直觀、容易控制、數(shù)學(xué)描述比較簡單。</p><p>　　隨著步態(tài)研究的深入和對速度及靈活性的要求，動態(tài)穩(wěn)定逐漸成為研究的主要對象。研究動態(tài)穩(wěn)定的方法以前主要是利用記錄人類行走的數(shù)據(jù)來進行步態(tài)軌跡

18、合成和加平衡塊法，利用記錄人類行走的數(shù)據(jù)的方法是由日本在研究初期提出的[]。加平衡塊法是以通過調(diào)節(jié)平衡塊在兩個水平方向上的移動, 進而控制機器人所受兩個水平方向慣性力的大小和方向得到期望的軌跡；再由軌跡規(guī)劃位姿。</p><p>　　下面圖 1-4是日本研制的CENTRUE機器人[]，此機器人是把身體作為平衡快來調(diào)節(jié)重心使其落在支撐區(qū)內(nèi)來達到動態(tài)穩(wěn)定控制。軀體在上平臺上移動，首先軀體調(diào)節(jié)到平臺的后端邁前腿，然后把

19、軀體調(diào)整到前端邁后腿。 </p><p>　　有時為了提高行走速度，非穩(wěn)定步態(tài)也常見于文獻。下圖1-5是上海交通大學(xué)的JTUWM---Ⅱ型機器人的行走過程[]。起始時對角線上兩擺動腿1, 3 抬起向前擺動, 另兩條腿2, 4 支撐機體確保機器人原有重心位置在其支撐腿的對角線上（a）, 擺動腿1，3向前跨步造成重心前移（b）, 此時機器人有摔倒趨勢. 支撐腿2, 4 一面支撐機體, 一面驅(qū)動相應(yīng)的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié),

20、使機體向前平移L/2 步長。此時機體重心已偏離對角線2, 4 中點, 將至擺動腿1, 3 的中點（c）。</p><p>　　九十年代以后國內(nèi)外對步態(tài)的研究主要是基于ZMP的規(guī)劃方法。1988年伍科布拉托維奇（M.Vukobratovic）給出了零力矩點ZMP的定義并給出零力矩點方程，從此開創(chuàng)了動態(tài)穩(wěn)定研究的新局面[]。</p><p>　　1994年日本學(xué)者Ahikiko在四足機器人的三

21、維補償?shù)膭討B(tài)行走中（Three-dimensional Adaptive Dynamic Walking of a Quadruped Robot）論述了三維方向上的零力矩點的應(yīng)用，并實現(xiàn)了機器人平穩(wěn)的動態(tài)行走。2001年日本學(xué)者 Ryo kurazume在基于前饋和反饋的四足移動機器人疾走步態(tài)控制中（Feedforward and feedback dynamic trot gait control for quadruped wa

22、lking vehicle）中根據(jù)ZMP理論規(guī)劃了三維補償軌跡并從耗能的角度進行了優(yōu)化[]。</p><p>　　這種規(guī)劃方法一般分為以下兩步:規(guī)劃出ZPM軌跡；規(guī)劃位姿。但由于耦合現(xiàn)象，使其規(guī)劃出精確的ZPNM軌跡非常困難，一般都進行簡化，把機器人看作一個整體。首先由期望的ZMP軌跡先規(guī)劃出機器人重心運動參數(shù), 然后根據(jù)重心軌跡再規(guī)劃出機器人的行走姿態(tài)。步態(tài)規(guī)劃僅滿足平衡條件是不夠的, 實際軌跡的規(guī)劃需要精確地

23、規(guī)劃出ZMP的軌跡, 使形成的ZMP軌跡基本上落在支撐面的中間位置, 而且軌跡平滑、無尖點, 以獲取足夠大的步行運動穩(wěn)定裕度, 保證擺動和支撐狀態(tài)的平穩(wěn)過渡, 防止過渡時期運動軌跡、速度的突變和不連續(xù), 然而這一點也正是機器人步態(tài)規(guī)劃的難點所在。所謂姿態(tài)的規(guī)劃, 是指機器人行走過程中其各組成部分運動軌跡的規(guī)劃。比如說, 腳掌何時離開地面、擺動相中整個腳掌在空中的軌跡、何時落地等等，一般來說姿態(tài)的規(guī)劃相對比較簡單。在這方面國內(nèi)的清華大學(xué)進

24、行了深入的研究，圖1-6為研究的仿真結(jié)果。</p><p>　　圖1-7是日本東京大學(xué)研制TITAN-VIII機器人，此機器人運動方式為疾走。它對角線的雙腳同時離地，以達到其快速性。在線規(guī)劃出其ZMP軌跡，使其在支撐區(qū)內(nèi)，然后再規(guī)劃出位姿和各腿的軌跡。</p><p>　　圖1-8是2001年日本東京大學(xué)研制的TITAN-Ⅸ機器人的一個周期內(nèi)動態(tài)行走過程。先規(guī)劃出邁腿軌跡，然后根據(jù)ZMP方

25、程求解出軀體的軌跡，該行走步態(tài)為對稱規(guī)則步態(tài)[]。</p><p>　　2001年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了一種基于地面反力的雙足機器人期望步態(tài)軌跡規(guī)劃方法。通過D’Alembert 定理推導(dǎo)出地面反力與機器人關(guān)節(jié)運動之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。 結(jié)合ZMP（零力矩點） 穩(wěn)定性原則和其他物理性約束條件,給出了雙足機器人期望步態(tài)軌跡[]。該方案與傳統(tǒng)的雙足機器人步態(tài)軌跡生成方法不同之處是能實現(xiàn)穩(wěn)定的行走,具有上體的運動范圍小,適用

26、于單、雙腳支撐期等優(yōu)點。其地面反力及力矩分配如圖1-9所示。</p><p><b>　　本文的主要研究內(nèi)容</b></p><p>　　1．對機器人進行本體結(jié)構(gòu)設(shè)計 </p><p>　　本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計包括對其本體結(jié)構(gòu)、傳動方式、驅(qū)動方式進行了設(shè)計分析，詳細論述了電機和傳動齒輪的設(shè)計計算。</p><p><b&

27、gt;　　2．三維結(jié)構(gòu)設(shè)計</b></p><p>　　通過對實體的分析和理解，利用Pro/E三維實體造型的方法，讓它更具有真實性，更容易理解它的結(jié)構(gòu)特點。內(nèi)容主要是三維裝配過程。</p><p>　　3．運動分析和步態(tài)規(guī)劃 </p><p>　　運動分析包括建立運動學(xué)模型、并聯(lián)運動模型和運動方程和串聯(lián)運動學(xué)模型及其方程?？傮w步態(tài)規(guī)劃是整個步態(tài)規(guī)劃的基

28、礎(chǔ)，在本章在假定條件下證明平地穩(wěn)定行走的最佳步態(tài)并給出相應(yīng)的初始位姿。</p><p><b>　　機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計</b></p><p>　　多運動方式機器人的工作原理</p><p>　　多運動方式機器人是有軀干和四條腿及其控制系統(tǒng)組成。每條腿又由小腿、大腿、髖關(guān)節(jié)三部分組成。髖關(guān)節(jié)和軀體間有一轉(zhuǎn)動副約束，它能使腿能繞軀體前后轉(zhuǎn)動，大腿

29、和髖關(guān)節(jié)之間、小腿和大腿之間各有一轉(zhuǎn)動副，使得腿能夠抬起和放下，所以四個腿共有十二個轉(zhuǎn)動副。另外兩前腿足端裝有輪子以便能夠在平坦路面上滾動。本機器人可以在足式移動方式和輪式移動方式之間進行切換，來實現(xiàn)機器人的多種運動方式。這樣就可以代替人類來運輸、搬運一些重的物品。其工作原理見圖2-1。</p><p><b>　　工作要求及技術(shù)參數(shù)</b></p><p><

30、b>　　技術(shù)要求</b></p><p>　　1. 機器人的重量有嚴格的要求，單個重量<110Kg，而負載很大，在國內(nèi)外同類型的多運動方式機器人在該負載下重量一般在250kg以上。</p><p>　　2. 危險環(huán)境下（如在煤窯運輸，探險，星球考擦等），惡劣條件(如山路)下。</p><p><b>　　技術(shù)參數(shù)</b>

31、</p><p>　　自由度數(shù)：每條腿有3個，共有12個。</p><p>　　坐標形式：垂直關(guān)節(jié)型</p><p><b>　　額定負荷：15kg</b></p><p>　　本體體重：<110Kg</p><p><b>　　主體結(jié)構(gòu)設(shè)計</b></p>

32、<p>　　多運動方式機器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要問題是選擇連桿和運動副組成的坐標形式。最廣泛使用的機器人坐標形式有：直角坐標式、圓柱坐標式、球面坐標式、關(guān)節(jié)坐標式（包括平面坐標式）。</p><p>　?。?）坐標型 三個關(guān)節(jié)運動方向互相垂直，其控制方案和數(shù)控機床相似。這一結(jié)構(gòu)各軸線位移分辨率在操作空間內(nèi)任意點上均為恒定，但是操作靈活性較差。</p><p>　?。?）圓柱坐標

33、型 在水平轉(zhuǎn)臺上裝有立柱，水平臂可沿立柱做上下運動并可在水平方向伸縮。這種結(jié)果優(yōu)點是動作過程中負荷變動少，容易控制，缺點是動作區(qū)域狹窄。</p><p>　?。?）球坐標型 和圓柱坐標結(jié)構(gòu)相比，這種結(jié)構(gòu)更為靈活，占地面積小，工作空間大，但是移動關(guān)節(jié)不易防護。</p><p>　　（4）關(guān)節(jié)型 這類機器人由兩個肩關(guān)節(jié)和一個軸關(guān)節(jié)進行定位，由兩個或三個腕關(guān)節(jié)定向。其中一個肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸旋轉(zhuǎn)

34、，另一個肩關(guān)節(jié)實現(xiàn)俯仰，這兩個肩關(guān)節(jié)軸線正交。肘關(guān)節(jié)平行于第二個肩關(guān)節(jié)軸線。這種結(jié)構(gòu)動作靈活，工作空間大，在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，手爪可獲得較高的線速度。目前中小型機器人多采用這種結(jié)構(gòu)。</p><p>　　此多運動方式機器人要求具有結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，工作空間大等特點，所以選擇關(guān)節(jié)型坐標。</p><p><b>　　傳動方式</b><

35、;/p><p>　　傳動方式是指驅(qū)動源及傳動裝置與關(guān)節(jié)部件的連接形式和驅(qū)動方式?；镜倪B接形式和驅(qū)動方式有如下幾種：</p><p>　?。?）直接連接傳動。驅(qū)動源或帶有機械傳動裝置直接與關(guān)節(jié)相連。</p><p>　?。?）遠距離連接傳動。驅(qū)動源通過遠距離機械傳動后與關(guān)節(jié)相連。</p><p>　?。?）間接驅(qū)動。驅(qū)動源經(jīng)一個速比遠大于1的機械

36、傳動裝置與關(guān)節(jié)相連。</p><p>　　（4）直接傳動。驅(qū)動源不經(jīng)過中間環(huán)節(jié)或經(jīng)過一個速比等于1的機械傳動這樣的中間環(huán)節(jié)與關(guān)節(jié)相連。</p><p>　　本設(shè)計根據(jù)機器人的技術(shù)要求，選擇了間接傳動的傳動方式和遠距離機械傳動方式，各運動部件傳動方式如下圖2-2所示。</p><p>　　間接驅(qū)動機器人是驅(qū)動電機和關(guān)節(jié)之間有一個速比遠大于1的機械傳動裝置。使用機械傳動

37、裝置的理由是：</p><p>　　（1）多運動方式機器人與其他機械設(shè)備相比，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的速度不高，而驅(qū)動力矩要求比較大。一般電機滿足不了要求，所以需要采用速比較大、傳動效率較高的機械傳動裝置作為電機和關(guān)節(jié)之間傳遞力矩和速度的中間環(huán)節(jié)。 </p><p>　?。?）直接驅(qū)動對載荷變化十分敏感。</p><p>　?。?）采用機械傳動裝置后，可選用高速低轉(zhuǎn)矩電機，對制動

38、器設(shè)計和選用十分有利，制動器尺寸小。</p><p>　　（4）可以通過機械傳動裝置解決可能出現(xiàn)的傾斜軸之間、平行軸之間與以及轉(zhuǎn)動-移動之間的運動轉(zhuǎn)換。</p><p><b>　　主體結(jié)構(gòu)組成</b></p><p>　　多運動方式機器人的主體組成如圖2-3所示。</p><p><b>　　材料的選擇<

39、;/b></p><p>　　結(jié)構(gòu)件材料選擇是工業(yè)機器人機械系統(tǒng)設(shè)計中的重要問題之一。正確選材不僅可以降低成本價格，更重要的是可適應(yīng)機器人的高速化、高載荷化及高精度化，滿足其靜力及動力特性要求。</p><p>　　與一般機械設(shè)備相比，機器人結(jié)構(gòu)的動力特性是十分重要的，這是選材的出發(fā)點。材料選擇的基本要求是：</p><p>　?。?）強度高 機器人的腿是直

40、接受力的構(gòu)件，高強度材料不僅能滿足機器人腿的強度條件，還可望減少腿的截面尺寸，減輕重量。</p><p>　　（2）彈性模量大 構(gòu)件剛度與材料的彈性模量E，G有關(guān)，彈性模量越大，變形量越少，剛度越大。不同材料的彈性模量差異較大，而同一種差別不大。</p><p>　?。?）重量輕 在機器人手臂變形很大部分是自身重力產(chǎn)生的，與構(gòu)件質(zhì)量有關(guān)。也就是說為提高剛度選用彈性模量E較大而密度ρ也大

41、的材料是不合理的。因此，可用E/ρ指標來衡量。表2-1列出了幾種材料的E/ρ值。</p><p>　?。?）阻尼大 由于構(gòu)件會產(chǎn)生慣性力和慣性力矩，因而會產(chǎn)生振動，為提高定位精度和傳動平穩(wěn)性，需要材料的阻尼大。</p><p>　?。?）材料價格低 材料價格越低，機器人經(jīng)濟性越高。</p><p><b>　　驅(qū)動方式</b></p

42、><p>　　驅(qū)動部分是機器人系統(tǒng)的重要組成部分，機器人的驅(qū)動方式可分為以下幾類:</p><p>　　氣壓驅(qū)動 使用壓力通常在0.4～0.6Mpa，最高可達1Mpa。氣壓驅(qū)動主要優(yōu)點是氣源方便（一般工廠都由壓縮空氣站供應(yīng)壓縮空氣），驅(qū)動系統(tǒng)具有緩沖作用，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可以在高溫、粉塵等惡劣的環(huán)境中工作。氣壓驅(qū)動的缺點是功率質(zhì)量比小，裝置體積大，同時由于空氣的可壓縮性使得機器人在任意定位

43、時，位姿精度不高。適用于易燃、易爆和灰塵大的場合。</p><p>　　液壓驅(qū)動 液壓驅(qū)動系統(tǒng)用2～15Mpa的油液驅(qū)動機器人，體積較氣壓驅(qū)動小，功率質(zhì)量比大，驅(qū)動平穩(wěn)，且系統(tǒng)的固有效率高，快速性好，同時液壓驅(qū)動調(diào)速比較簡單，能在很大范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速。用電液伺服控制液體流量和運動方向時，可以使機器人的軌跡重復(fù)性提高。液壓驅(qū)動的缺點是易漏油，這不僅影響工作穩(wěn)定性和定位精度，而且污染環(huán)境。液壓驅(qū)動多用于要求輸出力

44、較大，運動速度較低的場合。</p><p>　　電氣驅(qū)動 電氣驅(qū)動是利用各種電機產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過減速機構(gòu)去驅(qū)動負載，減少了由電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié)，直接獲得要求的機器人運動。由于電氣驅(qū)動具有易于控制，運動精度高，響應(yīng)快，使用方便，信號監(jiān)測、傳遞和處理方便，成本低廉，驅(qū)動效率高，不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點，電氣驅(qū)動已經(jīng)成為最普遍、應(yīng)用最多的驅(qū)動方式，90年代后生產(chǎn)的機器人大多數(shù)采用這種驅(qū)動方式。</p

45、><p>　　由于本論文所設(shè)計的多運動方式機器人驅(qū)動負載較大，要求結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕，所以選用了電氣驅(qū)動方式。如圖2-2所示有腿驅(qū)動和各關(guān)節(jié)的驅(qū)動方案。機器人的驅(qū)動裝置為直流電機，它通過電機軸和傳動機構(gòu)配合，將電機的旋轉(zhuǎn)運動傳遞到關(guān)節(jié)，減小了功率損耗。選用了電氣驅(qū)動方式，使得整個系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊，成本低廉，操作方便等優(yōu)點，適合于本機器人。</p><p><b>　　1. 選擇電機類型

46、</b></p><p>　　電動機有直流電動機和交流電動機兩類。常用的交流電動機由三相異步電動機（或感應(yīng)電動機）和同步電動機。異步電動機結(jié)構(gòu)簡單，維護容易，運行可靠，價格便宜，具有較好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性，因此，它是工業(yè)中使用的最為廣泛的一種電動機。直流電動機雖不及交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、維護方便、運行可靠，但由于長期以來交流電動機的調(diào)速問題未能得到滿意的解決，在此之前，直流電動機具有交流電動機不

47、能比擬的良好的啟動性能。到目前為止，雖然交流電動機的調(diào)速問題已經(jīng)得到解決，但是在速度調(diào)節(jié)要求較高，正、反轉(zhuǎn)和啟、制動頻繁或多單元同步協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械上，仍采用直流電動機拖動。</p><p>　　在本設(shè)計中，機器人末端的最大負載為10kg，作用點距第一軸等校距離400mm。下面結(jié)合各軸所受的外力力矩以及自身的等效慣量來大致估算出各個軸處電機所需要的扭矩和電機功率，以此來選擇電機。由于機器人在完全伸展狀態(tài)時，其繞

48、自身軸的轉(zhuǎn)動慣量最大，因此在計算中使用的轉(zhuǎn)動慣量為該狀態(tài)下的值。</p><p>　?。?） 二軸和三軸電機相同</p><p>　　等效重量： 4.5Kg；</p><p>　　等效慣量：0.3274 kg.m2；</p><p>　　外力力矩 ：10Kg×400mm=40N.m；自身：4.5×20mm =0.9N.m

49、；</p><p>　　齒帶傳動： 減速比：2.5；傳動效率：90%；</p><p>　　加速度：≤1rad/s2；</p><p>　　運動所需力矩：τ==40.9N.m/(50%×400)=0.2045N.m； </p><p>　　確定電機型號：SGMAH A5A1A4E AC200V 16比特絕對值編碼器，帶油封，平

50、直，帶鍵，DC24V制動，輸出功率0.05KW，額定輸出轉(zhuǎn)矩0.22N.m，瞬間最大輸出轉(zhuǎn)矩為：0.477N.m，轉(zhuǎn)動慣量：2.2×kg.，重量0.4kg； </p><p>　　電機轉(zhuǎn)速：3000rpm；</p><p>　　額定輸出轉(zhuǎn)速：3000rpm/400=7.5rpm（45°/s）。</p><p>　?。?）一軸和四軸電機相同<

51、/p><p>　　等效重量14.5Kg </p><p>　　等效慣量：0.15kg. </p><p>　　外力力矩：當(dāng)工具垂直于軸線時最大：10Kg×400mm=40N.m；</p><p>　　蝸輪蝸桿傳動：傳動比150；傳動效率80%~90%； </p><p>　　加速度：≤1rad/s2；</p

52、><p>　　運動所需力矩：τ= =0.2963N.m；</p><p>　　確定電機型號：SGMAH 01AAA4E AC200V 16比特絕對值編碼器，帶油封，平直，帶鍵，DC24V制動，輸出功率0.1KW，額定輸出轉(zhuǎn)0.318 N.m瞬間最大輸出轉(zhuǎn)矩0.955 N.m,轉(zhuǎn)動慣量：3.64×kg.，重量為0.5kg；</p><p>　　電機轉(zhuǎn)速：3

53、000rpm；</p><p>　　額定輸出轉(zhuǎn)速：3000rpm/120=25 rpm（150°/s）。</p><p><b>　　傳動機構(gòu)（足部）</b></p><p>　　足部驅(qū)動部分的輸出軸為水平軸，機構(gòu)部分的關(guān)節(jié)軸為水平軸，傳遞此運動可選擇圓錐齒輪傳動或者蝸輪蝸桿傳動。考慮蝸輪蝸桿傳動的效率過低，故本設(shè)計選擇標準圓錐齒輪傳

54、動。</p><p>　　圓錐齒輪的設(shè)計與計算</p><p><b>　　1．設(shè)計參數(shù)</b></p><p>　　選取標準圓錐齒輪傳動：</p><p><b>　　傳動比u=1：1，</b></p><p><b>　　軸交角=90度，</b>&l

55、t;/p><p>　　最大傳遞扭矩=300(N.m)，</p><p>　　轉(zhuǎn)速n=7.5rpm</p><p><b>　　試取齒數(shù)=25</b></p><p>　　齒數(shù)比u、錐距R、分度圓直徑、平均分度圓直徑、當(dāng)量齒數(shù)的分度圓直徑之間的關(guān)系分別為：</p><p>　　u====

56、 （2-1）</p><p>　　R= （2-2）</p><p>　　===1-0.5 （2-3）</p><p>　　(=，齒寬系數(shù)取=)</p><p><b>　　平均分度圓直徑： </b></p><p>　　=d(1-0

57、.5) （2-4）</p><p>　　當(dāng)量直齒圓柱齒輪的分度圓半徑：</p><p>　　= （2-5）</p><p><b>　　當(dāng)量齒數(shù):</b></p><p>　　=== (:平均模數(shù)) （2-

58、7）</p><p>　　== （2-8）</p><p>　　=(1-0.5) (:大端模數(shù)) （2-9）</p><p><b>　　2. 輪齒受力分析</b></p><p><b>　?。?-11）</b>&l

59、t;/p><p><b>　　（2-12）</b></p><p><b>　?。?-13）</b></p><p><b>　?。?-14）</b></p><p><b>　　（2-15）</b></p><p><b>

60、　　：法向載荷</b></p><p>　?。呵信c分度圓錐面的周向分力</p><p>　?。捍怪迸c分度圓錐母線的分力</p><p><b>　?。旱膹较蛄?lt;/b></p><p><b>　?。旱妮S向力</b></p><p>　　式中與及與大小相等，方向相

61、反。</p><p>　　3. 齒跟彎曲疲勞強度計算</p><p><b>　?。?-16）</b></p><p><b>　　：載荷系數(shù) </b></p><p>　?。菏褂孟禂?shù)，=1.00</p><p>　?。簞虞d荷系數(shù)，=1.00</p><p

62、>　　齒間載荷分配系數(shù)取1</p><p><b>　　齒向載荷分布系數(shù)：</b></p><p>　?。ǎ狠S承系數(shù) 取=1.25 ）</p><p>　　即： </p><p><b>　　K=1.875</b></p><p>　　查表可

63、得齒形系數(shù)及分別為2.544、1.613</p><p>　　引入式： </p><p><b>　　b=R=m</b></p><p>　　將以上數(shù)據(jù)代入下式：</p><p>　　mm （2-17）</p><p>　　由式（2.13）得：</p><p

64、><b>　　1.87mm</b></p><p>　　取 m = 2 mm</p><p>　　4. 齒面接觸疲勞強度計算</p><p>　　選取=的直齒圓錐齒輪，</p><p>　　Mpa （2-18）</p><p><b>　　MPa </b>

65、</p><p>　　由式（2.14）可得</p><p>　　mm （2-19）</p><p>　　將各參數(shù)代如式（2.15）得： </p><p><b>　　mm</b></p><p><b>　　取=60mm</b></p&g

66、t;<p><b>　　5. 結(jié)論</b></p><p>　　綜上所述，應(yīng)選取模數(shù)m=2mm，齒數(shù)25，傳動比1：1的標準直齒圓錐齒輪，其機構(gòu)幾何尺寸如下：</p><p>　　表2-2 圓錐齒輪參數(shù)</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章根據(jù)多運動

67、方式機器人的工作要求，對其本體結(jié)構(gòu)、傳動方式、驅(qū)動方式進行了設(shè)計分析，詳細論述了電機和傳動齒輪的設(shè)計計算。并對材料的選擇進行了論述。</p><p><b>　　三維結(jié)構(gòu)設(shè)計</b></p><p><b>　　Pro/E簡介</b></p><p>　　Pro/E是美國參數(shù)技術(shù)公司PTC推出的新一代CAD/CAM/CAE

68、軟件，它具有基于特征、全參數(shù)、全相關(guān)和單一數(shù)據(jù)庫等特點。自推出以來，由于其強大的功能，很快得到業(yè)內(nèi)人士的普遍歡迎，并迅速成為當(dāng)今世界最為流行的CAD軟件之一。為進一步實現(xiàn)機械設(shè)計自動化，PTC公司于世紀末又成功推出了i-系列產(chǎn)品。在i-系列產(chǎn)品中，PTC引入了新的建模技術(shù)—行為建模技術(shù)，此技術(shù)現(xiàn)已成為Pro/E的核心技術(shù)。另外，由于其的微機版本的推出和操作界面的完全視窗化，使初學(xué)者學(xué)習(xí)更為便利。目前Pro/E已成為易學(xué)易用的百萬級CAD

69、/CAM/CAE應(yīng)用軟件，并風(fēng)靡歐美和日本等地區(qū)。在中國，自20世紀90年代以來，許多大型企業(yè)都開始選用Pro/E，發(fā)展至今已形成相當(dāng)規(guī)模的用戶群。同時，國內(nèi)許多大學(xué)也紛紛選用Pro/E作為其教學(xué)和研究開發(fā)的基礎(chǔ)軟件平臺。</p><p>　　參數(shù)化實體造型技術(shù)是Pro/E系統(tǒng)的核心技術(shù)，其主要特點如下。</p><p>　?。?）基于特征：將某些具有代表性的實體幾何形狀定義為特征，并將其

70、所有尺寸存為可變參數(shù)，以此為基礎(chǔ)來進行更為復(fù)雜的幾何形體的構(gòu)造。</p><p>　?。?）全尺寸約束：將形狀和尺寸聯(lián)合起來考慮，通過尺寸約束實現(xiàn)對幾何形狀的控制。造型必須以完整的尺寸參數(shù)為出發(fā)點（全約束），不能漏標尺寸（欠約束），不能多標尺寸（過約束）。</p><p>　?。?）尺寸驅(qū)動設(shè)計修改：通過編輯尺寸數(shù)值來驅(qū)動幾何形狀的改變。</p><p>　?。?）

71、全數(shù)據(jù)相關(guān)：尺寸參數(shù)的修改導(dǎo)致其他相關(guān)模塊的相關(guān)尺寸得以全盤更新。采用參數(shù)化技術(shù)的好處在于它徹底改變了自由建模的無約束狀態(tài)，幾何形狀均以尺寸的形式而被有效控制。如打算修改零件形狀時，只需編輯一下尺寸的數(shù)值即可實現(xiàn)形狀的改變。尺寸驅(qū)動已經(jīng)成為大改進造型系統(tǒng)的基本功能，無此功能的造型系統(tǒng)已不復(fù)存在。</p><p>　　Pro/E與傳統(tǒng)的僅提供繪圖工具的CAD系統(tǒng)有著極大的不同，它提供了一個完整的機械產(chǎn)品解決方案，包

72、括工業(yè)設(shè)計、機械設(shè)計、模具設(shè)計、加工制造、機構(gòu)分析、有限元分析和產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫管理，甚至包括產(chǎn)品生命周期的管理。圖3-1是Pro/E功能簡圖。可以說Pro/E為業(yè)界專業(yè)人士提供了一個理想的設(shè)計環(huán)境，使機械產(chǎn)品的設(shè)計周期大為縮短，有力推動了企業(yè)的技術(shù)進步。</p><p>　　Pro/E是建立在單一數(shù)據(jù)庫上的大型CAD/CAM/CAE軟件，它不像一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中

73、的數(shù)據(jù)全部來自一個數(shù)據(jù)庫，使得多個獨立用戶可以同時為同一個產(chǎn)品的造型而工作。換言之，在整個設(shè)計過程中任何一處發(fā)生參數(shù)改動，可以反應(yīng)至整個設(shè)計過程的相關(guān)環(huán)節(jié)，此種功能成為全相關(guān)。舉例來說，如果二維工程圖有改變，零件的三維模型會相應(yīng)改變，NC加工路徑也會自動更新。單一數(shù)據(jù)庫技術(shù)和全相關(guān)功能，為并行工程的實施提供了一個很好的軟件平臺。</p><p>　　Pro/E版本更新較快，最新的Pro/E2001除界面環(huán)境有所變

74、化外，其功能也隨之增加。在特征繪制方面，Pro/E2001導(dǎo)入了所謂設(shè)計意圖管理器（Intent Manager）功能。在繪制草圖時，系統(tǒng)將會自動加入約束條件并標注尺寸，用戶也可自己定義幾何約束條件，使幾何關(guān)系滿足自己的實際要求。同時新系統(tǒng)提供完整的自上而下的實際程序（Top-Down），讓用戶能夠方便掌握由設(shè)計到制造的完整程序。另外更為重要的一點便是行為建模技術(shù)的引入。</p><p>　　行為建模是這樣一種技

75、術(shù)：它在設(shè)計產(chǎn)品時，綜合考慮產(chǎn)品所要求的功能行為、設(shè)計背景和幾何圖形。它采用知識捕捉和迭代求解的智能化方法，使工程師可以面對不斷變化的要求，追求高度創(chuàng)新的、能滿足行為和完善性要求的設(shè)計。</p><p>　　行為建模技術(shù)的強大功能體現(xiàn)在3個方面：智能模型、目標驅(qū)動式設(shè)計工具和一個開放式可擴展的環(huán)境。</p><p>　?。?）智能模型——能捕捉設(shè)計和過程信息以及定義以一件名品所需要的各種工

76、程規(guī)范。它是一些智能設(shè)計，提供了一組遠遠超過傳統(tǒng)核心幾何特征范圍的自適應(yīng)過程特征，這些特征有兩個不同的類型：一個是應(yīng)用特征，它封裝了產(chǎn)品和過程信息；另一個是行為特征，它包括工程和功能規(guī)范。自適應(yīng)過程特征提供了大量信息，進一步詳細確定了設(shè)計意圖，是產(chǎn)品模型的一個完整部分，它們使得智能模型具有高度靈活性，從而對環(huán)境的變化反應(yīng)迅速。</p><p>　?。?）目標驅(qū)動式設(shè)計─—能優(yōu)化每件產(chǎn)品設(shè)計，以滿足使用自適應(yīng)過程特

77、征從智能模型中捕捉的多個目標和不斷變化的市場需求。同時，它還能解決互相沖突的目標問題，而采用傳統(tǒng)的方法不可能完成這一工作。由于規(guī)范是智能模型特征中所固有的，所以模型一旦被修改，工程師就能快速和簡單地重新生成和重新校驗是否符合規(guī)范，所以工程師可以集中精力設(shè)計更高性能、更多功能的產(chǎn)品。在保證解決方案能滿足基本設(shè)計目標的前提下，工程師能夠自由發(fā)揮創(chuàng)造力和專業(yè)技能，改進設(shè)計。</p><p>　?。?）開放式可擴展環(huán)境—

78、—開放式可擴展環(huán)境是行為建模技術(shù)的第三大支柱，它提供無縫工業(yè)設(shè)計工程，能保證產(chǎn)品不會丟失設(shè)計意圖，并避免了繁瑣。為了盡可能發(fā)揮行為建模方法的優(yōu)勢，在允許工程師充分利用企業(yè)現(xiàn)有外部系統(tǒng)、應(yīng)用程序、信息和過程的地方，都要應(yīng)用這項技術(shù)。這些外部資源對滿足設(shè)計目標的過程很有幫助，并能返回結(jié)果，這樣它們就能成為最終設(shè)計的一部分。一個開放式可擴展環(huán)境通過在整個獨特的工程中提供連貫性，從而增強設(shè)計的靈活性，并生成更可靠的設(shè)計[7]。</p>

79、;<p>　　Pro/E有很多功能模塊，且功能強大，下面將分別介紹它的幾種功能模塊。</p><p>　　1. Pro/E的基本模塊</p><p>　　該模塊包括下列的功能：</p><p>　　（1）基于參數(shù)化的特征零件設(shè)計</p><p>　?。?）基本裝配功能鈑金設(shè)計</p><p>　　（3）工

80、程圖設(shè)計及二維圖說明</p><p>　?。?）自動生成相關(guān)圖紙說明繪制（中文）</p><p>　?。?）照片及效果圖生成</p><p>　?。?）焊接模型建立及文本生成</p><p>　?。?）Web超文本鏈接及VRML/HTML格式輸出</p><p><b>　?。?）標準件庫</b>

81、</p><p>　　優(yōu)點：功能強大的建模能力，開放、柔性獨立，用戶易于快速實施。</p><p>　　2. 運動仿真模塊</p><p>　　該模塊包括下列功能：</p><p>　?。?）Pro/M機構(gòu)運動性能的仿真。</p><p>　?。?）運動學(xué)及動力學(xué)分析</p><p>　　（3

82、）凸輪，滑槽，摩擦，彈簧，沖擊，分析與模擬。</p><p>　?。?）干涉與沖突檢查。</p><p>　?。?）載荷與反作用力。</p><p>　?。?）參數(shù)優(yōu)化結(jié)果研究。</p><p>　?。?）全相關(guān)H單元FEA結(jié)算器。</p><p>　　優(yōu)點：盡早對設(shè)計進行深入分析與改進，共設(shè)計人員與專業(yè)分析人員使用，

83、減少實物樣機成本，可不斷升級企業(yè)解決方案。</p><p>　　3. 復(fù)雜產(chǎn)品的裝配設(shè)計工具</p><p>　　該模塊包括下列功能：</p><p>　?。?）將設(shè)計數(shù)據(jù)及任務(wù)傳遞給不同模塊設(shè)計隊伍強大工具。</p><p>　　（2）大裝配的操作即可視化能力。</p><p><b>　　（3）裝配流程

84、。</b></p><p>　?。?）定義及文本生成。</p><p>　　優(yōu)點：由上層管理裝配設(shè)計，對大型、復(fù)雜裝配設(shè)計進行快書檢查及信息交流，捕捉并發(fā)布裝配流程信息。</p><p>　　此外，Pro/E還包括以下功能模塊：</p><p>　　4. 工業(yè)外觀造型強有力工具 5. 復(fù)雜零件的曲面設(shè)計工具<

85、;/p><p>　　6. 機構(gòu)強度仿真模塊 7. 疲勞分析工具</p><p>　　8. 塑料流動分析工具 9. 熱分析工具</p><p>　　10. 公差分析及優(yōu)化工具 11.基本數(shù)控編程包</p><p>　　12. 多軸數(shù)控編程包

86、 13. 通用數(shù)控后處理</p><p>　　14. 數(shù)控鈑金加工編程 15. NC仿真及優(yōu)化</p><p>　　16. 模具設(shè)計 17. 二次開發(fā)工具包</p><p><b>　　三維實體裝配</b></p><p>　　三維實體裝配的基

87、本過程</p><p><b>　　1. 選取新建命令</b></p><p>　　在工具欄中單擊新建文件圖標 。</p><p>　　2. 選取文件類型、子類型、輸入文件名、取消使用裝配默認模版</p><p>　　在彈出的文件“新增”對話框中，進行下列操作：</p><p>　?。?）

88、選擇“類型”選項組下的；</p><p>　?。?）選擇“子類型”選項下的 ；</p><p>　?。?）在“名字”問本框中輸入文件名up20motorman.asm；</p><p>　?。?）通過取消的“√”號，來取消“使用默認模版” ； </p><p>　?。?）單擊“確定” 。</p><p>&

89、lt;b>　　3. 選取裝配模版</b></p><p>　　在系統(tǒng)彈出的“新文件選項”對話框的“模版”中選取“mmns_asm_design”模版。單擊“確定” ，系統(tǒng)進入裝配模式環(huán)境。</p><p>　　機器人的三維實體裝配</p><p><b>　　機器腿的裝配</b></p><p>　　1

90、. 引入第一個零件：齒輪</p><p>　　在“菜單管理器”的“組件”中，單擊“元件” ，再在“元件”菜單中選擇“裝配” 。這時系統(tǒng)彈出文件“打開”對話框，選取齒輪模型文件chilun .part，單擊“打開”。</p><p>　　2. 完全約束放置第一個零件</p><p>　　完成上步操作后，系統(tǒng)彈出 “元件放置”對話框。單擊圖標 ，將其固定放置，此時

91、“放置狀態(tài)”選項組顯示的信息為“完整約束”。然后單擊“確定”。</p><p>　　3. 取第二個零件：一軸</p><p>　　按照圖3-2所示裝配一軸和齒輪：步驟如下（1）定義插入約束。（2）定義匹配約束，最后單擊“確定”完成軸的裝配。</p><p>　　4. 取第三個零件：軀干和第一節(jié)組件連接板</p><p>　　步驟如下（1）定義

92、插入約束。（2）定義匹配約束，最后單擊“確定”完成連接板的裝配如圖3-3所示。</p><p>　　5. 取第一腿節(jié)組件</p><p>　　按照圖3-4所示：（1）定義插入約束。（2）定義匹配約束，最后單擊“確定”完成軸與第一腿節(jié)組件的裝配。</p><p><b>　　6. 取第二腿組件</b></p><p>　　

93、按照圖3-5所示完成裝配。步驟如下（1）定義插入約束。（2）定義匹配約束，最后單擊“確定”完成裝配。</p><p>　　7. 取蝸桿和電機組件</p><p>　　按照圖3-6所示完成蝸桿和電機組件與第二腿節(jié)的連接，步驟如上。</p><p>　　8. 取第三腿兩隔板</p><p>　　按照圖3-7所示完成和第三軸的連接，步驟如上。<

94、;/p><p><b>　　9. 取電機組件</b></p><p>　　按照圖3-8所示完成于兩隔板的連接，此連接有螺釘固定連接。</p><p>　　10. 取驅(qū)動錐齒輪</p><p>　　按照圖3-9所示完成電機和錐齒輪的裝配。</p><p><b>　　11. 取足組件</

95、b></p><p>　　按照圖3-10所示完成腿足的連接裝配。</p><p>　　3.2.2.2機器人整體裝配</p><p>　　1. 引入第一個零件軀干</p><p>　　在“菜單管理器”的“組件”中，單擊“元件” ，再在“元件”菜單中選擇“裝配” 。這時系統(tǒng)彈出文件“打開”對話框，選軀干取模型文件qugan .part，單擊

96、“打開”。</p><p>　　2. 完全約束放置第一個零件</p><p>　　完成上步操作后，系統(tǒng)彈出 “元件放置”對話框。單擊圖標 ，將其固定放置，此時“放置狀態(tài)”選項組顯示的信息為“完整約束”。然后單擊“確定”。</p><p><b>　　3. 取電機固定座</b></p><p>　　按照圖3-11所示

97、裝配固定座和軀干，孔對其匹配螺栓國定裝配。</p><p><b>　　4. 取電機與齒輪</b></p><p>　　按照圖3-12所示裝配電機和齒輪。</p><p><b>　　5. 取腿組件</b></p><p>　　按照圖3-13所示裝配四條腿。</p><p>

98、<b>　　小結(jié)</b></p><p>　　本章對主要是依據(jù)機器人的本體結(jié)構(gòu)，基于Pro/E軟件對多運動方式機器人的結(jié)構(gòu)進行三維特征的裝配過程。</p><p><b>　　運動方程與步態(tài)規(guī)劃</b></p><p>　　多運動方式機器人運動學(xué)分析</p><p><b>　　運動學(xué)模型

99、</b></p><p>　　在實際運動中，能控制的是安裝在各個腿、各個關(guān)節(jié)上的伺服電機，而實際要控制的是各足趾、軀體在世界坐標系中的運動軌跡和位姿，因此必須首先建立運動學(xué)模型，將各個腿的關(guān)節(jié)坐標和世界坐標聯(lián)系起來，再通過逆運算將在世界坐標系中的位姿映影射到關(guān)節(jié)坐標系中，所以首先建立運動學(xué)模型的和運動學(xué)方程。</p><p>　　并聯(lián)運動模型和運動方程</p>&

100、lt;p>　　由上面分析可知，當(dāng)四腿支撐和三腿支撐時該機構(gòu)為并聯(lián)機構(gòu)。并聯(lián)模型建立如上圖1-1所示，下平臺坐標系O-XYZ為世界坐標系，它是建立在地面上；上平臺坐標系Oc-XcYcZc為活動坐標系，它建立在軀體上。并聯(lián)模型可以描述軀體在世界坐標系下的位姿和足趾的相對位置關(guān)系。</p><p>　　上平臺坐標系在下平臺坐標系中的位姿令為，當(dāng)機器人水平前進時：</p><p>　　根據(jù)并

101、聯(lián)運動學(xué)逆解公式得：</p><p><b>　　(4-1)</b></p><p><b>　　同理可得：</b></p><p><b>　?。?；</b></p><p>　　當(dāng)機器人原地繞軸轉(zhuǎn)動時：</p><p><b>　　(4-2)

102、</b></p><p>　　當(dāng)機器人側(cè)向移動時：</p><p><b>　　(4-3)</b></p><p>　　在不同的運動形式下把不同的帶入并聯(lián)運動學(xué)逆解公式分別可解得不同的。</p><p>　　串聯(lián)運動學(xué)模型及其方程</p><p>　　上面是并聯(lián)運動學(xué)模型及方程，它求解

103、出位姿和各支鏈位置之間的關(guān)系。但要具體求解出個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度，還要建立單腿串聯(lián)運動學(xué)模型機器方程。Denavit-Hartengerg（D-H）法是建立機器人廣義連桿模型，進行運動學(xué)分析的基礎(chǔ) []。下面是對單腿進行廣義連桿簡化后，利用D-H法建立單腿的運動學(xué)模型。如圖4-1所示，它由三個連桿和三個轉(zhuǎn)動副構(gòu)成，坐標原點建立在軀體上。 </p><p>　　其中：=97.5; =560;=146.7; 單位(mm)

104、</p><p>　　由上圖可得出各變換矩陣如下: </p><p>　　式中：——第個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動變量的余弦 （ = 1…3）</p><p>　　——第個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動變量的正弦 （ = 1…3）</p><p>　　、為第二個關(guān)節(jié)移動變量；為第三個關(guān)節(jié)移動變量。</p><p>　　各關(guān)節(jié)坐標變換矩陣相乘，則可

105、得到單腿的坐標變換矩陣：</p><p>　　所以足趾A在參考坐標系下的位置為：</p><p>　　由上式可得如下三個方程：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　?。?-6）&l

106、t;/b></p><p>　　由（4-4）、（4-5）可得： （4-7） 由（4-4）、（4-5）變換可得如下式：</p><p><b>　?。?-8）</b></p>

107、<p>　　由（4-6）可得： （4-9）</p><p>　　由（4-8）、（4-9）變換可得如下式：</p><p>　　(4-10) </p><p>　　由（4-10）平方和得：</p><p>　　(4-11)

108、 </p><p><b>　　由（4-10）得：</b></p><p><b>　　其中：</b></p><p><b>　　總體步態(tài)規(guī)劃</b></p><p><b>　　步態(tài)術(shù)語</b></p><p>　　步態(tài)：步態(tài)

109、就是各腿相繼抬跨的順序和各足趾相對機體的位移關(guān)系。</p><p>　　步距：各腿循環(huán)一次, 機器人機體相對地面的位移。</p><p>　　跨距：單腿從抬起到落地過程中, 足趾相對機器人機體的位移。</p><p>　　足趾間距：前后腿之間的距離。</p><p>　　絕對跨距：單腿從抬起到落地過程中, 足趾相對地面的位移。</p&g

110、t;<p>　　單腿步距：單腿從抬起到落地過程中, 機器人機體相對地面的位移。</p><p>　　占空比：單腿在地面支撐時間和四條腿作一次循環(huán)時間的比值。</p><p>　　穩(wěn)定裕度：機器人的穩(wěn)定點（重心在足支撐平面上的垂直投影點或）到各支撐點構(gòu)成的多邊形的最短距離，但通常不用垂直距離，而是用前進方向上的距離，如圖4-2所示。它是衡量步行機器人在行走時的穩(wěn)定程度[][]。

111、穩(wěn)定裕度是步態(tài)規(guī)劃中最重要的概念。</p><p>　　對四足機器人來說上面各參數(shù)有如下關(guān)系：</p><p><b>　??；；</b></p><p>　　圖4-2中表示足1和足3交換時不通過重心調(diào)整所能獲得的最大穩(wěn)定裕度，表示抬起足1時的最大穩(wěn)定裕度，表示抬起足3時的最大穩(wěn)定裕度，表示絕對跨距，表示前后足之間的距離。</p>

112、<p>　　通過幾何關(guān)系可以證明，當(dāng)時，，兩次支撐區(qū)重合的面積最大，即可為了不通過重心調(diào)整而能達到更大的穩(wěn)定裕度，絕對跨距應(yīng)等于前后足之間的距離，此時足1和足3時重合的。這僅僅在理論上成立，實際上足1和足3是不可能重合的，但是距離越小越好。</p><p><b>　　穩(wěn)定性原</b></p><p>　　4.2.2.1靜態(tài)穩(wěn)定性原理</p>

113、<p>　　當(dāng)物體處于靜止狀態(tài)時，其平衡的充要條件是其重心在地面的投影落在支撐區(qū)域內(nèi)。重心在足支撐平面上的垂直投影點在前后方向上到各支撐點構(gòu)成的多邊形的最短距離為穩(wěn)定裕度。機器人靜態(tài)穩(wěn)定的充分必要條件是需穩(wěn)定裕度,但一般為了提高其穩(wěn)定性，越大越好，一般高度下應(yīng)大于。</p><p>　　4.2.2.2動態(tài)穩(wěn)定性原理</p><p>　　根據(jù)力學(xué)原理可知：當(dāng)物體處于靜止狀態(tài)時，其平

114、衡的充要條件是其重心在地面的投影落在支撐區(qū)域內(nèi)。而廣義上說，當(dāng)物體處于運動狀態(tài)時，其平衡的必要條件是所受重力和慣性力的合力的延長線通過支撐區(qū)域。其延長線與支撐區(qū)域的交點稱為也就是點落在支撐區(qū)域內(nèi)，如圖4-3所示[]。在前后方向上到各支撐點構(gòu)成的多邊形的最短距離為穩(wěn)定裕度。機器人動態(tài)穩(wěn)定的充分必要條件是需穩(wěn)定裕度，但一般為了提高其穩(wěn)定性，越大越好，一般高度下應(yīng)大于。</p><p>　　重心投影點和通稱穩(wěn)定點。在靜

115、態(tài)規(guī)劃中穩(wěn)定點指重心投影點，動態(tài)規(guī)劃中穩(wěn)定點指。若要機器人在穩(wěn)定行走，則需。</p><p><b>　　最佳步態(tài)</b></p><p>　　一般來說步行機的步態(tài)都是模仿自然界的動物的行走步態(tài)，因為自然界的動物的行走方式是幾千萬年進化的結(jié)果。前人對四足動物的運動方式進行了大量的研究，他們根據(jù)運動過程中占空比β的不同，把運動步態(tài)分為以下三種：1、行走（β≥0.75）；

116、2、疾走 （0.5≤β<0.75）；3、飛奔（β<0. 5）。其中行走步態(tài)是穩(wěn)定步態(tài)，疾走和飛奔時不穩(wěn)定步態(tài)[]。本次研究的步態(tài)是穩(wěn)定步態(tài)，因此，其運動的任一時刻至少應(yīng)有3條腿與地面接觸支撐機體，且機體根據(jù)穩(wěn)定區(qū)間作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使重心落在3足支撐點構(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)。在這個前提下4條腿才能按一定的順序抬起和落地，實現(xiàn)行走。在行走的時候， 4條腿輪流抬跨，不斷改變足落地位置，構(gòu)成新的穩(wěn)定三角形來保證穩(wěn)定。此種運動過程是占空比β

117、≥0.75的行走步態(tài)。</p><p>　　在分析前進行走步態(tài)之前，為了闡述方便先作如下圖4-4所示的約定：1代表左前腿，2代表右前腿，3代表左后腿，4代表右后腿。圖中X為其前進方向上足1和足2之間的距離,且X≤L/2。</p><p>　　作如下假設(shè)：1）四個足趾點構(gòu)成平行四邊形，且重心只在前進方向上運動；</p><p>　　2）各個腿的跨距相等且邁腿一次的時間

118、相等；</p><p>　　3）初始位置為抬腿前的最佳位置；</p><p>　　4）重心在軀體的中心。</p><p>　　四個腿依次序各邁一次，根據(jù)排列組合共有24種可能步態(tài)[]（如表4-2），表中1-2-3-4指邁腿順序為1234。</p><p>　　首先討論穩(wěn)定行走最佳步態(tài)的標準。一般來說，在達到一定的穩(wěn)定裕度時移動機器人行走的越快

119、、所消耗的能量越少則該步態(tài)就越佳。一個步態(tài)周期內(nèi)的時間可分為兩部分：邁腿時間和調(diào)整時間。行走快慢和以下幾個方面有關(guān)：絕對跨距的大小、邁腿時間、為了穩(wěn)定裕度所進行的重心調(diào)整量。首先做如下聲明：此處的重心調(diào)整是指四足著地進行的重心調(diào)整，而非三腿著地軀體的隨動調(diào)整。顯而易見邁腿時間越小越好，但這僅和機器人的機械性能有關(guān)與步態(tài)無關(guān)。上面已經(jīng)證明跨距越大越好，為L時最佳，這也僅和機器人的機械性能有關(guān)與步態(tài)無關(guān)。所以行走的快慢以在一個周期內(nèi)為達到一

120、定穩(wěn)定裕度所需要重心最小調(diào)整量來衡量，最小調(diào)整量越小，則步態(tài)的效率就越高。所消耗的能量與一個周期內(nèi)重心的最小移動量有關(guān)，整個周期內(nèi)重心最小移動量越小則這種步態(tài)行走的所消耗的能量就越小。具體的可以用如下方法來衡量步態(tài)的好壞：在一個行走周期內(nèi)，計算整個周期所需重心最小調(diào)整量的總和以及整個周期內(nèi)的重心的最小移動量的總和，這兩個總和越小，該步態(tài)就越好。下面以步態(tài)1-2-3-4為例來計算整個周期所需重心最小調(diào)整量的總和以及重心的最小移動量總和，其