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1、摘要 論文詳細介紹了四足仿生機器人等效運動模型實驗平臺的設計。實驗平臺的設計在保證四足仿生機器人各等效運動模型的運動范圍及功能驗證需求的基礎上，能夠滿足適用于單SLIP、雙SLIP、四SLIP等效模型的控制性能測試要求。 本實驗平臺的材料基本上都是采用日本MiSUMi公司生產(chǎn)的自動化用零件組合而成，少部分零部件由于設計方案要求采取自行設計與其他零部件相配合以達到最終設計需求。這樣得到的模型在設計完成后能夠以最快的速度進行組裝以完成實驗平臺的實體搭建。 最終在SolidWorks中進行一些簡單的仿真以檢驗實際方案的可實施性。 關鍵詞：四足仿生機器人，控制性能測試，SLIP，仿真。

2、 Abstract The thesis describes the experimental platform design of the quadruped biomimetic robot model of locomotion in detail. On the basis of assuring an enough range of every model’s locomotion and the functional verification, this platform could contend the need of test

3、ing the performance of control for one-SLIP, two-SLIP and four-SLIP models. Most of the material of this platform components by the automation parts of MiSUMi Corporation, only a few completes by own design to satisfy the need of assembly with others owing to the design requirements. In this way,

4、we could build up the solid platform as soon as finishing the model’s design. In the end, i carried out some simple simulation in SolidWorks to test the implementation of the practical scheme. Keywords: quadruped biomimetic robots, test of control performance, SLIP, simulation 目錄 摘要 I Abs

5、tract II 目錄 III 1 緒論 - 1 - 1.1課題來源 - 1 - 1.2本課題的目的及其意義 - 1 - 1.3 四足仿生機器人研究現(xiàn)狀 - 2 - 1.4本課題的研究內(nèi)容 - 5- 2 四足仿生機器人運動模型 - 7 - 2.1 四足仿生機器人基本運動步伐 - 7 - 2.2 SLIP運動模型 - 8 - 2.3控制系統(tǒng)及方法 - 9 - 3 實驗平臺設計 - 11 - 3.1 Solidworks相關特性 - 11- 3.2 MiSUMi自動化用零件 - 12 - 3.3 整體方案選型與最終定型 - 13 - 3.4 實驗平臺尺寸確定與零件選型

6、 - 16 - 3.5四足仿生機器人運動學基礎仿真 - 28 - 5總結(jié) - 30- 致謝 - 31 - 參考文獻 - 32 - - 34 - 1 緒論 1.1課題來源 本項目來源于國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）項目開發(fā)設計要求。 1.2本課題的目的及其意義 近年來，隨著機器人、機械、電子、計算機、人工智能、傳感檢測等相關學科的不斷進步，研究和開發(fā)能夠在現(xiàn)有車輛難以到達的復雜地形環(huán)境下，攜帶有效載荷，自主完成長途運輸任務的高性能足式智能移動機器人正在成為機器人領域的一個熱點，并在科學探索、山地運輸、農(nóng)林業(yè)開發(fā)、地質(zhì)勘探、搶險救災乃至軍事行動等領域展示了潛在的

7、應用前景。近年來，各工業(yè)發(fā)達國家都將其作為具有戰(zhàn)略意義的前沿技術，紛紛投入巨資，支持開展全面和深入的研究工作。例如美國Boston Dynamics公司在美國DARPA的支持下，于2004年發(fā)布了“BigDog”高速、重載四足仿生機器人原型系統(tǒng)，于2008年又發(fā)布了改進版本。從現(xiàn)有公開文獻和視頻可以看到，BigDog能夠在泥沼、冰面、雪地、斜坡、碎石等復雜路面實現(xiàn)較好地穩(wěn)定行走，如圖1-1所示，并能在側(cè)向外力沖擊擾動下實現(xiàn)姿態(tài)恢復，展示了一定的復雜環(huán)境適應能力，掀起了研制具有實用性自律移動機器人的新高潮。 圖1-1 四足機器人的運動穩(wěn)定性和步態(tài)規(guī)劃直

8、接影響到最終產(chǎn)品的總體性能。平衡控制是四足機器人穩(wěn)定移動必備的基本能力，也是當前機器人研究面臨的主要挑戰(zhàn)，尤其是在野外地面（包括凸凹地面、低摩擦地面、碎石地面、松軟地面等）平衡控制更為困難。而在四足仿生機器人步態(tài)規(guī)劃方面，目前研究比較多的是模仿死足仿生動物如馬的行走典型步態(tài)：如對角小跑（Trot），溜蹄（Pace），跳躍（Bounding）等。。 本次畢業(yè)設計課題“四足仿生機器人等效運動模型實驗平臺設計”正是基于這樣的一個目的，即設計一個保護平臺，并在其上采用動態(tài)的實驗方法，對不同步態(tài)條件下的四足機器人進行動態(tài)保護，并通過傳感器等裝置對整個系統(tǒng)動態(tài)條件下的運動特性進行反饋，對四足機器

9、人的機械、控制部分進行完善，進而對四足機器人真正獨立行走做準備。 1.3 四足仿生機器人研究現(xiàn)狀 平衡控制是四足機器人穩(wěn)定移動必備的基本能力，也是當前機器人研究面臨的主要挑戰(zhàn)，尤其是在野外地面（包括凸凹地面、低摩擦地面、碎石地面、松軟地面等）平衡控制更為困難。目前大多數(shù)足式機器人只能實現(xiàn)室內(nèi)平坦地面的行走，僅有BigDog初步具備復雜地形下的自律移動能力，且能夠抵抗一定程度的側(cè)向外力沖擊。盡管意大利、韓國的一些機構相繼展示了類似的四足仿生機器人技術系統(tǒng)，但是他們不得不承認在平衡控制上距離BigDog還有相當大的差距。 對于外部干擾下四足仿生機器人的平衡控制研究，國內(nèi)在此領域的研究幾屬空

10、白，國外已發(fā)表的相關成果也十分有限。1968年南斯拉夫?qū)W者M.Vukobratovic在其步行機器人動態(tài)平衡理論中提出了ZMP（Zero Moment Point）的概念，隨后日本學者將這種思想運用于實際機器人開發(fā)并取得了一定的成功，如早稻田大學的加滕一郎等人將ZMP技術運用于WABOT機器人家族系列WL-10RD機器人控制系統(tǒng)中實現(xiàn)了兩足機器人平衡控制與間歇性步態(tài)緩慢行走；本田公司研制的ASIMO、索尼公司研制的QRIO均采用了ZMP步態(tài)規(guī)劃控制方法。盡管ZMP取得了一定的成功，但是基于ZMP的運動控制僅適用于足式機器人低速行走的情形，究其實質(zhì)，ZMP的基本思想是基于幾何力學作用關系使得機器

11、人運動能夠維持姿態(tài)穩(wěn)定。為了使ZMP適用于機器人動態(tài)行走，不少學者在原有的ZMP理論上提出了改進。平井等人(1998年)提出一種通過實時調(diào)整機器人的實際ZMP軌跡來趨近于設計的理想ZMP軌跡來保持機器人的步態(tài)平衡方法。雖然ZMP存在很多優(yōu)點，但其在某些方面仍存在局限性，正如Jo?o P. Ferreira指出盡管ZMP原理和由ZMP派生的LIPM原理已經(jīng)成功運用于世界上最先進的兩足機器人，但它們在控制足式機器的步態(tài)時仍然缺乏柔順性。目前基于ZMP原理的步態(tài)控制方法鮮有應用于復雜環(huán)境的高速四足機器人的實例。 另外一類機器人平衡控制方法是基于姿態(tài)的主動控制。根據(jù)對于模型的依賴性，又可分為無模型的

12、、模仿神經(jīng)活動的控制方法和基于動力學模型的方法?；谥袠心Ｊ桨l(fā)生器(CPG)的控制是一種代表性的無模型的、模仿神經(jīng)活動的控制模式。CPG是模擬生物低級神經(jīng)中樞的自激行為引起自發(fā)節(jié)律性運動的控制方法，能夠在缺乏高層控制信號和外部反饋的情況下，自動產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩行為。S.T.Venkataraman首次利用CPG實現(xiàn)了六足昆蟲機器人的步態(tài)生成與控制，完成了節(jié)律運動的生成。Shinkichi Inagaki等人建立了CPG的數(shù)學模型并把它應用到了多足機器人的控制上。P.Arena等人通過以CPG作為底層運動控制器的分層控制方法，實現(xiàn)了機器人在不平路面上的平衡運動。盡管有這些成功案例，但是由于當前計算

13、能力的制約，神經(jīng)網(wǎng)絡中神經(jīng)元個數(shù)十分有限，CPG控制遠未成熟。因此，只能適用于相對簡單的場合且靈活性和柔性均較差，不能適應非結(jié)構環(huán)境與復雜的地形擾動。 基于動力學模型的控制方法，則受到模型精度和復雜度的制約。通常情況下對于四足步行機器人運動學方面的研究，其一般方法是首先建立各坐標系，如地面參考坐標系、機體坐標系、腿部坐標系等，然后根據(jù)幾何條件及運動條件建立各坐標系間的位姿變換矩陣，從而得到機器人各運動部件間及地面參考坐標系間的運動學模型。而動力學模型的建立更為復雜，由于四足步行機器人是一個多變量、強耦合、本質(zhì)上非線性和時變的動力學系統(tǒng)，要建立一個正確完整、完全符合實際的動力學模型非常困難。為

14、了滿足控制的實時性要求，1986年美國麻省理工學院的Raibert獨辟蹊徑，出版了第一本介紹足式機器人動態(tài)平衡控制的專著，開創(chuàng)性地將等效虛擬腿的概念引入足式機器人中，把四足、兩足、單足機器人的動態(tài)穩(wěn)定控制問題最終均簡化為矢狀面內(nèi)的單彈簧加載倒立擺（SLIP）的動態(tài)控制問題，從而較好地實現(xiàn)了單足跳躍、雙足跳躍、四足機器人對角小跑、跳躍、奔跑等對動態(tài)平衡控制要求較高的運動步態(tài)。隨后，許多學者在Raibert的研究基礎上進行延伸和擴展，Gregorio等人研制了1DOF單足跳躍機器人“ARL Monopod-I”，并在其基礎上增加了順應機構開發(fā)了“ARL Monopod-II”；Berkemeier

15、和Desai設計了一種新型2DOF電驅(qū)動單足跳躍機器人；Zeglin等人仿袋鼠運動研制了三連桿鉸鏈連接的單腿跳躍機器人“Uniroo”；為了更好地進行能量轉(zhuǎn)換，Hyon等人增加了“肌-腱”系統(tǒng)并開發(fā)了鉸鏈式仿生單足跳躍機器人“Kenken”等。在單足跳躍機器人研究的基礎上，研究者將等效SLIP模型平衡控制方法擴展到雙足、四足、六足等足式機器人系統(tǒng)中，最為典型的為Mcgill等大學研制的“SCOUT-I&II”型四足機器人和六足機器人RHex。盡管如此，由于等效SLIP模型僅僅是機器人在矢狀面上的等效，只能適用于平整地形上的二維平面運動，對于各種外力沖擊擾動和復雜地形慣性擾動等情況則不適用。因此

16、，尋找適合擾動情況下的空間等效模型依然是一個有待解決的問題。 為了穩(wěn)定和可靠的步行，四足仿生機器人除了必須滿足在動力學模型基礎上分析得到的穩(wěn)定性條件外，還要滿足機體作用力的平衡以及腳底作用力的約束等，所以四足仿生機器人的力控制也非常重要，這就是所謂的腳力規(guī)劃和分配問題。從1976年至今，國內(nèi)外許多學者對此進行了一系列的研究。McGhee和Orin運用一種“最優(yōu)化方法”（optimization method）用于解決足式機器人腳力分配的不確定性問題，Klein等人利用偽逆法得到腳力分配的最小歐氏范數(shù)解。Waldron和 Kumar將腳力系分解為交互力系和平衡力系，基于零作用力的假設得到其腳

17、力分配，該方法在后來的研究結(jié)果中得到了證明。Gao X.C.和 Song X.M.提出一種剛性矩陣法,該方法在解決腳力分配問題時考慮了機器人腿部結(jié)構、驅(qū)動器以及地面的彈性變形，更適用于實時控制或仿真實驗。2005年，華中科技大學機械學院陳學東等人在推導四足步行機器人的動力學模型的基礎上，利用平方規(guī)劃方法研究開發(fā)適用于實時控制的四足步行機器人腳力分配的新算法。這些方法都是基于常規(guī)步態(tài)而提出的，而在擾動情況下就引入了微分代數(shù)規(guī)劃問題、時變拓撲、時變摩擦錐等諸多問題，使得腳力規(guī)劃與分配算法更為復雜。 此外，在外力大沖擊擾動下，機器人動態(tài)行走的漸進穩(wěn)定性也是平衡控制必須解決的一個關鍵問題。目前對于

18、足式機器人的運動漸進穩(wěn)定性的研究主要集中在動態(tài)步態(tài)（如奔跑）的控制策略，控制算法方面，且主要集中在兩足機器人方面，多足機器人的運動漸進穩(wěn)定性研究較少?；跐u進穩(wěn)定性的或考慮到漸進穩(wěn)定性的針對兩足機器人或多足機器人的動態(tài)步態(tài)的控制方法。這些方法有的控制精度高，如Guanzheng Tan的實時控制計算策略；有的地形適應性廣，如J.P. Ostrowski的非線性反饋算法；有的控制性能和效率高，如Fumihiko Asano的步態(tài)發(fā)生和控制的方法；有的適用于二足乃至多足機器人的快速奔跑控制，如Uluc Saranli提出的控制器。然而，沒有哪一種方法綜合滿足地形適應性、實時性、抗擾性、快速性等要求

19、。 綜上所述，雖然很多學者和公司在足式機器人平衡控制方面進行了豐富的研究，但目前的研究成果尚不能滿足高性能足式機器人在多種復雜地面條件下（碎石、廢墟、坑洼、泥沼、雪地、陡坡等）或者受到外界大推力干擾條件下的平衡控制要求。因此，研究四足機器人在多種復雜地面條件和外力大沖擊擾動情況下的姿態(tài)穩(wěn)定控制方法是四足機器人走向?qū)嵱妹媾R的一大挑戰(zhàn)。 1.4本課題的研究內(nèi)容 1．熟練掌握CAD軟件工具 A、熟練掌握3D建模軟件，如SolidWorks、Inventer等； B、熟練掌握2D繪圖軟件，如AutoCAD等； 2．完成四足仿生機器人各等效運動模型控制性能測試需求分析 A、了解并分析四

20、足仿生機器人單SLIP、雙SLIP、四SLIP等效模型及單腿運動機構的運動形式及運動范圍； B、分析各等效模型控制性能測試需求； C、提出等效模型實驗平臺設計指標，包括空間尺寸、主/被動自由度數(shù)、可變構型等； 3．完成四足仿生機器人等效運動模型實驗平臺詳細設計； A、根據(jù)設計指標進行實驗平臺詳細三維結(jié)構設計，需實現(xiàn)基本功能包括： a. 單SLIP模型彈跳運動不間斷測試； b. 雙SLIP模型彈跳及俯仰運動測試； c. 四SLIP模型橫滾橫移及常規(guī)步態(tài)不間斷測試； d. 單腿運動機構等效剛度測試；

21、 e. 必要的傳感器檢測分析； B、完成平臺搭建所需的器件選型 C、進行實驗平臺功能仿真； 2 四足仿生機器人運動模型 2.1四足仿生機器人基本運動步伐 通常情況來講，四足仿生機器人的步態(tài)目前研究較多的是：爬行（Crawl），對角小跑（Trot），溜蹄（Pace），跳躍（Bounding），定點旋轉(zhuǎn)（Rotation），轉(zhuǎn)向（Spinning）等，如圖2-1所示。這幾種步態(tài)在實驗室條件下均有成功的實驗記錄。有人將X-Crawl，Y- Crawl，O- Rotation及其相反方向的步態(tài)稱為標準步態(tài)。標準步態(tài)比較容易實現(xiàn)，

22、現(xiàn)階段大量的文獻多研究的是這幾種標準步態(tài)及其轉(zhuǎn)換的規(guī)劃和控制問題。如爬行步態(tài)的規(guī)劃與穩(wěn)定性控制；對角小跑穩(wěn)定性步態(tài)的規(guī)劃與穩(wěn)定性控制；溜蹄步態(tài)的規(guī)劃與穩(wěn)定性控制。 對角小跑步態(tài)屬于動態(tài)穩(wěn)定步態(tài)，能夠提高運動速度。跳躍式步態(tài)較其他步態(tài)在前進的效率上具有明顯的優(yōu)勢，但是由于受到腿機構的擺動慣性力和關節(jié)處大沖擊力的影響，因此需要較大的瞬時驅(qū)動力并且腿機構的緩沖裝置也是必不可少的，否則集體關節(jié)將受到很大的沖擊力，有可能損壞關節(jié)和驅(qū)動元件。另外，跳躍的持續(xù)時間是比較短暫的，為了保證四足機器人的實時可控，必須在極短的時間內(nèi)采集多種信號，這對目前的驅(qū)動元件和傳感器都提出了極高的要求。同時，根據(jù)仿生學的提示

23、，要解決足式運動的跳躍步態(tài)規(guī)劃和實用問題，首先要提高腿機構的能量利用率，解決能量利用的關鍵是采用高效的儲能和沖擊緩沖裝置，將部分接觸能儲存并反饋給運動系統(tǒng)。目前所研究的各種步態(tài)中，跳躍步態(tài)的研究是最具挑戰(zhàn)性的難點問題。 圖2-1 2.2 SLIP運動模型 目前學術界通常采用Spring Loaded Inverted Pendulum，SLIP（彈簧負載倒立擺模型）來分析機器人系統(tǒng)的運動特性。此處以彈簧浮在倒立擺模型來等效關節(jié)型緩沖腿來表述腿機構的跳躍運動特性。圖2-2為該倒立擺的運動模型。此模型由質(zhì)量和一個等效彈簧構成

24、，為了簡化數(shù)學模型的分析，假設等效彈簧質(zhì)量為零，并且在足底與地面接觸時無滑動。 ─指點質(zhì)量；─接觸地時的初始長度；─彈簧剛度； ─接觸地時的廚師角度；─倒立擺與垂直線的夾角； ─接地過程中角變化量 圖2-2 等效質(zhì)量─彈簧倒立擺跳躍模型 從仿生學角度分析，四足哺乳動物運動可等效成四肢為SLIP的運動模型如圖2-3所示，其經(jīng)典運動步態(tài)有對角小跑(trot)、溜蹄(pace)、跳躍(bound)等對稱步態(tài)。如圖2-1所示，利用等效虛擬腿概念將作用力和作用力矩分別等效，可將四足仿生機器人的對角小跑步態(tài)等效為作用在中心的雙足交替運動構型，進而簡化為中心單腿

25、跳躍構型；將四足仿生機器人的溜蹄步態(tài)等效為作用在機身兩側(cè)的雙足運動構型；將四足仿生機器人的跳躍步態(tài)等效為作用在前后的雙足運動構型。在不考慮外界擾動等情況下，運用動力學分析方法建立各種等效運動構型的動力學模型。 圖2-3 2.3 控制系統(tǒng)及方法 足式機器人控制難點，從系統(tǒng)控制模型分析存在原因是： 1） 是非線性系統(tǒng)； 2） 在整個狀態(tài)空間中運動； 3） 在重力的作用下運動； 4） 與半結(jié)構化的復雜環(huán)境相互作用； 5） 不穩(wěn)定； 6） 屬于多輸人多輸出系統(tǒng)； 7） 具有時變性和間歇動態(tài)性； 8） 既需要連續(xù)控制又需要離散控制。

26、 另外從機器人與環(huán)境的交互方面考慮，則存在環(huán)境識別，導航，軌跡規(guī)劃等移動機器人的共性問題，使得控制系統(tǒng)相當復雜。 四足機器人從控制任務方面存在的困難是行走控制需要多個子系統(tǒng)的密切配合才能完成復雜的任務。這些子系統(tǒng)包括： 1）四腿共12個自由度的關節(jié)協(xié)調(diào)控制子系統(tǒng)， 2）不同步態(tài)和足的相位序列的控制子系統(tǒng)（特有的控制子系統(tǒng)）； 3）整體機身的姿態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)； 4）地形環(huán)境的的感知建模子系統(tǒng)； 5）基于感知環(huán)境地圖的路徑規(guī)劃子系統(tǒng)； 6）障礙的躲避和越障策略子系統(tǒng)。 因而足式機器人的控制是很復雜的系統(tǒng)任務腿式機器人的控制研究取得了一定的進展，但大多數(shù)都是圍繞底層的機構關節(jié)空間、腿部

27、協(xié)調(diào)運動、步態(tài)規(guī)劃與控制、穩(wěn)定性控制及多種傳感器的應用等方面展開的?，F(xiàn)階段足式機器人不僅僅是欠缺整體姿態(tài)與步態(tài)規(guī)劃的聯(lián)動控制，且基于感知(perception-based)的高級控制方法的研究應用還很少。 在步態(tài)生成和控制方面，有理論突破意義的是基于生物中樞模式發(fā)生器(CPG)原理的運動控制，這是近幾年取得的一種新的機器人運動控制方法[1]。動物的運動控制機理一直頗受生物學家的注意，生物學家普遍認為，動物的節(jié)律運動并不是大腦的刻意行為，而是位于脊髓中的中心模式發(fā)生器（CPG）產(chǎn)生。Shik等[2]于1966年提出動物的節(jié)律運動是由CPG控制的。1979年，Grillner和Zangger驗證

28、了脊椎動物的脊髓中存在CPG。J．Duysens和W．A．A．Henry預測了靈長類和人體中存在CPG的可能性[3]，工程界一般將CPG 建模為一組互相耦合的非線性振蕩器組成的分布系統(tǒng), 通過相位耦合實現(xiàn)節(jié)律信號的發(fā)生。 從80年代初Cohen 提出第一個CPG 模型, 人們一直在這方面進行著探索和研究。 A vis H. Cohen等通過對脊髓控制下七鰓鰻運動行為的研究, 構造出CPG 控制電路, 實現(xiàn)了機器人腿的“走”和“跑”兩種運動[4~6]。Shinkichi INA GA KI 等利用一個局部通信的非線性振蕩器來模擬CPG, 控制一個分布自律式四足機器馬, 實現(xiàn)了機器馬的“走”、“小

29、跑”、“奔跑”三種步態(tài)[7]。文[8]詳細介紹了CPG方法在機器人控制方面的研究應用情況。CPG方法的應用和發(fā)展有望將足式機器人的行走控制性能推進一步。文[9]總結(jié)了另一種基于仿生學的動作行為控制方式：根據(jù)對青蛙的研究證明，青蛙的脊椎中存在一種某些固定的放電模式――運動元，這些運動元的線性組合就可以形成復雜的運動模式。 這些基于仿生學的將復雜問題簡單化的控制方法也許就是足式機器人不久要應用的最有效的控制方式。 3 實驗平臺設計 本章主要介紹四足仿生機器人等效運動模型實驗平臺的設計，主要包括SolidWorks MiSUMi 3.1 .SolidWorks相關特性

30、SolidWorks軟件是世界上第一個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，由于技術創(chuàng)新符合CAD技術的發(fā)展潮流和趨勢，SolidWorks公司于兩年間成為CAD/CAM產(chǎn)業(yè)中獲利最高的公司。至此，SolidWorks所遵循的易用、穩(wěn)定和創(chuàng)新三大原則得到了全面的落實和證明，使用它，設計師大大縮短了設計時間，產(chǎn)品快速、高效地投向了市場。 Solidworks軟件功能強大，組件繁多。 Solidworks 功能強大、易學易用和技術創(chuàng)新是SolidWorks 的三大特點，使得SolidWorks 成為領先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks 能夠提供不同的設計方案、減少設計過程中的

31、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計者來說，操作簡單方便、易學易用。對于熟悉微軟的Windows系統(tǒng)的用戶，基本上就可以用SolidWorks 來搞設計了。SolidWorks獨有的拖拽功能使用戶在比較短的時間內(nèi)完成大型裝配設計。SolidWorks資源管理器是同Windows資源管理器一樣的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks ，用戶能在比較短的時間內(nèi)完成更多的工作，能夠更快地將高質(zhì)量的產(chǎn)品投放市場。在強大的設計功能和易學易用的操作（包括Windows風格的拖/放、點/擊、剪切/粘貼）協(xié)同下，使用Sol

32、idWorks ，整個產(chǎn)品設計是可百分之百可編輯的。 SolidWorks提供了技術先進的工具，幫助用戶跨越交流的障礙。協(xié)同設計版本使得用其他CAD軟件，甚至根本不用CAD軟件的用戶進行方便的交流。零件設計、裝配設計和工程圖之間的是全相關的。 SolidWorks零件建模有如下特點： 1） SolidWorks提供了無與倫比的、基于特征的實體建模功能。通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁特征、高級抽殼、特征陣列以及打孔等操作來實現(xiàn)產(chǎn)品的設計。 2） 通過對特征和草圖的動態(tài)修改，用拖拽的方式實現(xiàn)實時的設計修改。 3） 三維草圖功能為掃描、放樣生成三維草圖路徑，或為管道、電纜、線和管線生成路徑

33、。 4） 加快特征樹回退、提高特征編輯性能，快速建模的菜單結(jié)構大大提高建模速度。 5） 零件建模時提供自動尺寸標注、草圖共享、草圖著色、套合樣條曲線、可擴展的設計、分離的實體設計、輪廓與區(qū)域、本地化的操作、布爾運算、特征范圍、插入零件。 SolidWorks在裝配設計是主要有以下特點： 1） 在SolidWorks 中，當生成新零件時，你可以直接參考其他零件并保持這種參考關系。在裝配的環(huán)境里，可以方便地設計和修改零部件。對于超過一萬個零部件的大型裝配體，SolidWorks 的性能得到極大的提高。 2） SolidWorks 可以動態(tài)地查看裝配體的所有運動，并且可以對運動的零

34、部件進行動態(tài)的干涉檢查和間隙檢測。 3） 鏡像部件是SolidWorks 技術的巨大突破。鏡像部件這一功能能夠產(chǎn)生基于已有零部件（包括具有派生關系或與其他零件具有關聯(lián)關系的零件）的新的零部件。 4） SolidWorks 用捕捉配合的智能化裝配技術，來加快裝配體的總體裝配。智能化裝配技術能夠自動地捕捉并定義裝配關系。 SolidWorks中的有限元分析：SolidWorks是世界上第一家將結(jié)構分析的的功能嵌在CAD環(huán)境中的軟件公司。COSMOSXpress模塊使得使用SolidWorks軟件的設計和工程隊伍可以直接對設計的零件進行有限元分析，對產(chǎn)品的性能進行評估，而不必花大量的時間和金錢

35、制造昂貴的樣機。 3.2MiSUMi自動化用零件 MiSUMi標準系日本MISUMI株式會社提供模具用零件、工廠自動化用零件等各種模具配件的制造標準。 MiSUMi標準與德國的HASCO標準、美國的DME標準齊名是世界三大模具配件制造標準之一。 使用MiSUMi標準件進行產(chǎn)品設計時，能夠最大程度的減少建模時的細節(jié)尺寸與各零件之間裝配所需的配合尺寸等。同時在建模成功之后，由于MiSUMi標準件的高精度性，能夠保證所設計內(nèi)容在現(xiàn)實的構建過程中保證與所設計基本吻合，也能夠達到比較理想的預期效果。 同時，MiSUMi公司有配套的與產(chǎn)品目錄相關的三維導入軟件供設計者在設計過程中進行調(diào)用，實現(xiàn)了

36、方便快捷的設計過程。 3.3整體方案選型與最終定型 首先，本實驗平臺的作用是對四足仿生機器人在各種步態(tài)的運動下起一定的保護支撐作用，以防止其在產(chǎn)品試驗過程中由于自身的不完善而造成不必要的剛性沖擊等不必要的損壞。 圖3-1 圖3-2 鑒于對BigDog視頻的觀看，得出Boston Dynamics公司在BigDog的試驗階段所采用的實驗平臺是跟隨式懸掛移動平臺，如圖3-1，它能夠伴隨“大狗”的運動而移動，通過一些線的牽引對“大狗”進行預保護，其運動狀態(tài)則由人觀看“大狗”的實時運動狀態(tài)來對整體實驗平臺進行推移。但是，此實驗平臺相對來

37、說造價過高，并且需要人為的驅(qū)動顯得不方便，但是也有自動跟隨式的實驗平臺如圖3-2所示。不過其所能滿足的工作環(huán)境也相對來說比較完善，優(yōu)越性還是比較高。而我們這里的實驗平臺所要保護的“大狗”的基本運動方式僅為如下三種： a. 單SLIP模型彈跳運動不間斷測試； b. 雙SLIP模型彈跳及俯仰運動測試； c. 四SLIP模型橫滾橫移及常規(guī)步態(tài)不間斷測試； 因此，對于這種造價高，需要人為操作的實驗平臺并不適合此次設計需求。 受哈工大仿生機器人實驗平臺方案的啟發(fā)，最終得出如圖3-3所示的框架式滾輪移動實驗平臺。該平臺節(jié)省了空間，造價相對來說比較便宜，并

38、且可以脫離人的控制來達到自主的保護支撐目的。 圖3-3 圖中：1─整體框架；2─導軌、滑塊；3─連桿組件； 4─滑塊檔桿；5─軸承座組件；6─滑軌組件；7滾輪 該設計主要基本理念為：將“大狗”置于其中，并通過連桿與“大狗”的重心想連，這樣可以保證連桿3的波動幅度不至于太大，如圖3-4所示。大狗的行進方式為一個三維空間的擾動，這樣在“大狗”進行各種步態(tài)的運動過程中，“大狗”的運動形態(tài)通過連桿3傳遞到導軌滑塊2上去，進而通過導軌與鋁合金組件的組裝帶動整體框架1隨大狗一起移動。 圖3-4 在這一個過程當中，以跳躍（Bounding）為例，“大狗”的基本運動為跳躍式前進，在此過程中

39、“大狗”的重心會有一定的兩自由度移動，這是通過滑塊來緩沖其縱向的位移，同時通過“大狗”對連桿、滑塊組合的橫向作用分力來驅(qū)使整體框架的橫向移動，以達到與“大狗”并行的基本工作狀態(tài)。于此同時由于滑軌6的存在，“大狗”在行進過程中出現(xiàn)的偏離軌跡的小幅度擾動可以通過它的小幅度滑動來緩沖掉。 由于各種步態(tài)的不同需求，各個步態(tài)之間的位移方向的不同，有受橫向外沖擊的情況，因此需要實驗平臺能夠?qū)Σ煌姆较蜻M行保護，這就需要實驗平臺能夠靈活的在兩種步態(tài)之間進行轉(zhuǎn)換。次試驗平臺通過5軸承座組件與6滑軌組件，并通過人為的波動與拉伸，將滑軌組件轉(zhuǎn)移九十度的同時拉伸，縮短滑軌引出件的長短便可以在兩種狀態(tài)下對“大狗”形

40、式保護，支撐功能，直行如圖3-5與橫移圖3-6所示。 圖3-5 圖3-6 而在“大狗”出現(xiàn)不穩(wěn)定墜倒時，可以通過滑塊檔桿4與連桿3組合來防止“大狗”產(chǎn)生過大的剛性沖擊，損壞零部件。 3.4 實驗平臺尺寸確定與零件選型 基于“大狗”本身的基本尺寸尺寸為L:1000mm；W：500mm；H：1000mm，同時考慮到其運動范圍的考慮，最終定義的尺寸如下： 1 框架 框架的長：1500mm；寬1000mm；高：1800mm，主要考慮因素為“大狗”的跳躍高度與其行走時的前沖程度來確定框架的高度寬度與長度。

41、而零件的選擇全部為HFS6-3030鋁合金型材如圖3-7，各處的連接件則選擇為HBLFSN6如圖3-8，HNTTSN6如圖3-9與CBM6-12如圖3-10，三個零件組成的連接件如圖3-11，最終與框架的組裝如圖3-12所示。 圖3-7 圖3-8 圖3-9 圖3-10 圖3-11 圖3-12 2 滑軌組件 滑軌組件的尺寸則由“大狗”的本身尺寸與框架的整體尺寸相結(jié)合得出如圖3-13所示，單位為（m

42、m）。其主要的考慮因素有，滑軌的伸出長度能否滿足在“大狗”橫向移動時的連接長度，因此定義滑軌底座為850mm可以保證在“大狗”自身寬500mm的同時還能保證其身長1000mm的要求；導軌的長度主要考慮為“大狗”在跳躍的過程中產(chǎn)生的縱向位移為最大，但是經(jīng)查資料顯示，其重心位置所產(chǎn)生的徑向位移不會超過500mm因此，定義導軌的長度為600mm；而導軌連接桿的長度主要是考慮到滑塊通過連桿組件連接“大狗”的時候保證導軌上有足夠的行程滿足其對于縱向位移的要求?；壍鬃c滑軌的組裝如圖3-14所示，其中滑軌底座采用HFS6-3090如圖3-15所示，導軌滑塊采用SSXRLZ28，為重載直線導軌其基本額定動

43、載荷為11.1kN,如圖3-16所示。 圖3-13 圖3-14 圖3-15 圖3-16 3 軸承的選型 根據(jù)軸的受力方向主要為為軸向載荷，故選擇推力球軸承作為轉(zhuǎn)動滑軌組件的軸部組件。此處選擇B51202型號止推滾珠軸承，如圖3-17所示。其基本動態(tài)額定負載為16.7kN，基本靜態(tài)額定負載為24.8kKN。 圖3-17 軸承的應力分析圖例如下所示， 算例結(jié)果 名稱 類型 最小 位置 最大 位置 應力1 VON:von Mises 應力 189.656

44、N/m^2 節(jié): 923 (15.7569 mm, -5.4 mm, 2.77837 mm) 14444.8 N/m^2 節(jié): 22162 (-7.51877 mm, -6 mm, 5.12621 mm) 位移1 URES:合位移 0 mm 節(jié): 932 (13.3368 mm, -6 mm, -7.7 mm) 1.97546e-007 mm 節(jié): 29895 (8.06761 mm, 5.82426 mm, 13.6133 mm) 應變1 ESTRN :對等應變 1.31409e-009 單元: 4497 (-0.454243 mm,

45、-5.41845 mm, 15.7815 mm) 3.51628e-008 單元: 4844 (-6.76742 mm, -2.8944 mm, 6.89745 mm) 位移2 URES:合位移 0 mm 節(jié): 932 (13.3368 mm, -6 mm, -7.7 mm) 1.97546e-007 mm 節(jié): 29895 (8.06761 mm, 5.82426 mm, 13.6133 mm) 應變2 ESTRN :對等應變 7.70664e-010 節(jié): 923 (15.7569 mm, -5.4 mm, 2.77837 mm) 5

46、.86965e-008 節(jié): 22162 (-7.51877 mm, -6 mm, 5.12621 mm) 應力2 VON:von Mises 應力 189.656 N/m^2 節(jié): 923 (15.7569 mm, -5.4 mm, 2.77837 mm) 14444.8 N/m^2 節(jié): 22162 (-7.51877 mm, -6 mm, 5.12621 mm) B51202-算例 應力-應力1 圖3-18 B51202-算例 位移-位移1 圖3-19 B51202-算例 應變-應變1 圖 3-20 結(jié)論 此軸承B51

47、202在受1500N的軸向載荷與400N的徑向載荷時是可靠的 4 軸的設計 軸的設計在每一個機械設計當中都是比較重要的一個環(huán)節(jié)在此處這樣的一個關系到實驗平臺的工作效率問題的轉(zhuǎn)軸上來說，更是重中之重，軸的設計及其一系列的構思都是在這個軸的設計上來完成的。 首先，需要確定軸的尺寸，根據(jù)軸承的型號得知軸與軸承的配合尺寸為Φ15，同時由于軸承的外徑為Φ32，故有此確定軸的最上端軸徑為Φ25，長度根據(jù)軸承座的原因定義為=8mm；與軸承配合處的軸徑為Φ15，長度有軸承高度H=12mm定義為=12mm；接下來為了裝配軸時能夠順利進入軸承，給一個Φ1的軸肩，因此接下來的軸徑為Φ14，其長度為=23mm；

48、接下來是一段在軸端加工螺紋的情況下給一個墊片的預留一定的圈度以保證其能夠固定螺釘與連接件，此處給出其軸徑根據(jù)M4的螺釘給為Φ12，其長度為=25mm；最后一段為一個M4─10的螺釘，還預留有長度為=2mm的墊片厚度，故此段總長為=12mm。由此得出軸的總長為=80mm，其效果如圖3-18所示。經(jīng)給定最大軸向力=1.5kN，最大徑向力=0.3kN的情況下校核軸的剛度合格。 圖3-21 軸的裝配如圖3-19所示， 圖3-22 軸的應力分析圖例如下所示 算例結(jié)果 名稱 類型 最小 位置 最大 位置 應力1 VON:von Mises 應力 47242 N/m^2

49、 節(jié): 10850 (-10.2396 mm, 2.80961e-007 mm, 7.16945 mm) 1.3755e+010 N/m^2 節(jié): 7780 (1.63802 mm, 69 mm, 1.16205 mm) 位移1 URES:合位移 0 mm 節(jié): 1 (10.8253 mm, 8 mm, 6.25 mm) 0.685964 mm 節(jié): 464 (1.38902 mm, 79.9999 mm, 1.59403 mm) 應變1 ESTRN :對等應變 5.5693e-007 單元: 3387 (-0.0196686 mm, 0

50、.841995 mm, -0.0379551 mm) 0.0424165 單元: 2374 (-0.135465 mm, 68.8097 mm, 1.53796 mm) 應力2 VON:von Mises 應力 47242 N/m^2 節(jié): 10850 (-10.2396 mm, 2.80961e-007 mm, 7.16945 mm) 1.3755e+010 N/m^2 節(jié): 7780 (1.63802 mm, 69 mm, 1.16205 mm) 位移2 URES:合位移 0 mm 節(jié): 1 (10.8253 mm, 8 mm, 6.25

51、 mm) 0.685964 mm 節(jié): 464 (1.38902 mm, 79.9999 mm, 1.59403 mm) 應變2 ESTRN :對等應變 1.91967e-007 節(jié): 10850 (-10.2396 mm, 2.80961e-007 mm, 7.16945 mm) 0.0558933 節(jié): 7780 (1.63802 mm, 69 mm, 1.16205 mm) 應變3 GMXY:YZ 基準面上的 Y 方向抗剪 -0.0921398 節(jié): 7799 (-0.548061 mm, 69.163 mm, 1.9351 mm)

52、 0.0964583 節(jié): 7689 (0.18596 mm, 69.0001 mm, -2.00006 mm) 軸-算例 應力-應力1 圖3-23 軸-算例 位移-位移1 圖3-24 軸-算例 應變-應變1、 圖3-25 結(jié)論 該軸的總體設計在承受最大軸向、徑向力與扭矩的情況下，軸的無論從應力、位移還是應變上都能滿足設計需求。 5 連桿組件的設計 連桿的設計主要考慮為在“大狗”進行特定步態(tài)行進時，如若用一個直桿進行直接連接則可能因為壓力角的原因，是導軌滑塊產(chǎn)生磨損破壞，影響實驗平臺的跟隨精度。因此引入連桿組的作用便是減小壓力角，并且在

53、突然“大狗”突起、急停之時能夠給與一定的緩沖。 此處選用的連桿類型為自潤滑襯套壓入型，且為雙襯套型的LNMWB，=12mm，=12mm，=90mm，外形如圖3-26所示，自潤滑襯套如圖3-27所示。其連桿組組裝如圖3-28所示，與滑塊組裝如圖3-29所示。 圖3-26 圖3-27 圖3-28 圖3-29 算例結(jié)果 名稱 類型 最小 位置 最大 位置 應力1 VON:von Mises 應力 0 N/m^2

54、 節(jié): 3761 (59.1856 mm, -1.45418 mm, -28.0222 mm) 32914.9 N/m^2 節(jié): 8972 (-13.0131 mm, -3.82635 mm, -3.04358 mm) 位移1 URES:合位移 0 mm 節(jié): 3761 (59.1856 mm, -1.45418 mm, -28.0222 mm) 1.06747e-007 mm 節(jié): 3369 (62.8932 mm, 0.642308 mm, -6.46025 mm) 應變1 ESTRN :對等應變 0 單元: 2207 (56.6306

55、 mm, 8.86769 mm, -28.1587 mm) 6.37181e-008 單元: 1702 (57.1119 mm, -3.42093 mm, 1.99578 mm) 應變2 ESTRN :對等應變 0 節(jié): 3761 (59.1856 mm, -1.45418 mm, -28.0222 mm) 1.33749e-007 節(jié): 8972 (-19.3856 mm, -3.71512 mm, -3.04358 mm) 位移2 URES:合位移 0 mm 節(jié): 3761 (59.1856 mm, -1.45418 mm, -28

56、.0222 mm) 1.06747e-007 mm 節(jié): 3369 (62.8932 mm, 0.642308 mm, -6.46025 mm) 應力2 VON:von Mises 應力 0 N/m^2 節(jié): 3761 (59.1856 mm, -1.45418 mm, -28.0222 mm) 32914.9 N/m^2 節(jié): 8972 (-13.0131 mm, -3.82635 mm, -3.04358 mm) 連桿-算例 應力-應力1 圖3-30 連桿-算例 位移-位移1 圖3-31 連桿-算例 應變-應變1 圖3-

57、32 結(jié)論 此連桿設計在受到500N的拉力情況下無論從應力、位移還是應變上都能滿足設計需求。 6 其他零部件設計 實驗平臺的移動要通過可以保證實驗平臺順暢移動的零部件來完成，因此此設計選用的是一個萬向腳輪來完成，其型號為HSMC─65，如圖3-24所示。 圖3-33 另外滑塊檔桿與吊桿的連接處也是另外一種新的零件，選擇了HBLBS6b，如圖3-25所示，之所以選擇這種而不是上面所提到的如圖3-11所示的連接件是因為滑塊在最底端時需要與下面的鋁合金桿件先接觸而不是與連接件相碰撞。另外其連接桿件的方式如圖3-26所示。 圖3-34

58、 圖3-35 除此之外還有兩個自己設計的零部件，軸承座如圖3-27所示與連桿底座如圖3-28所示。 圖3-36 圖3-37 3.5四足仿生機器人運動學基礎仿真 首先將“大狗”置于實驗平臺當中通過自身的軀干的側(cè)邊螺孔座與連桿組件相連，得到如圖3-28所示的效果。 圖3-28 由于，對于“大狗”而言其跳躍的步態(tài)為最為困難的部分，在此對“大狗”的跳躍步態(tài)進行簡單的仿真，首先，假設圖3-28為初始狀態(tài)，在跳躍的過程當中，軀干不發(fā)生任何旋轉(zhuǎn)，如圖3-29。 圖3-29 在這里

59、，大狗的跳躍步伐以前后雙足交替抬起為特點，并且每次雙前腿（雙后腿）是同步的，也如圖3-29所示。而實驗平臺的作用則是通過圖3-29中所示的連桿組件與“大狗”相連，在這里起到一個與“大狗”運動同步的作用，其主要傳遞大狗的運動狀態(tài)，同時還能小范圍的緩沖大狗的垂直方向運動，為滑塊的垂直移動提供支持。這樣在“大狗”將進行移動的時候，實驗平臺就能夠通過連桿組件、滑塊、懸架等將“大狗”的運動傳遞到滾輪上，期間通過連桿與導軌滑塊來平衡掉“大狗”給實驗平臺“帶來”的豎直位移，這樣就能夠與“大狗”的運動保證實時同步，以達到動態(tài)保護的作用。 另外，還有一些諸如對角小跑，溜蹄等步態(tài)的仿真在此就不做贅述。所有的動態(tài)

60、仿真，基本上遵循的原則就是旋轉(zhuǎn)加移動，在不同的幀上定義相應的動作即可實現(xiàn)四足機器人與實驗平臺組裝體的動態(tài)仿真。 5總結(jié) 四足仿生機器人的運動特性在四足仿生機器人的設計中是至關重要的。四足仿生機器人的運動特性對四足仿生機器人的等效運動模型實驗平臺的設計和開發(fā)都有著重要的指導作用。了解四足仿生機器人的這些運動特性，在一定的工作條件下，我們就可以得出四足仿生機器人的工作狀態(tài)，進而設計出相應的實驗平臺。 四足仿生機器人的運動步態(tài)有比較多種，工作環(huán)境也是各種各樣，不同的步態(tài)與不同的工作環(huán)境，對四足仿生機器人的工作狀態(tài)都有著至關重要的影響，進而影響到實驗平臺的設計。但是，此次設計的所需要實現(xiàn)的基本功

61、能主要包括：單SLIP模型彈跳運動不間斷測試；雙SLIP模型彈跳及俯仰運動測試；四SLIP模型橫滾橫移及常規(guī)步態(tài)不間斷測試。工作環(huán)境不定，因此所需的步態(tài)并不復雜，工作環(huán)境也可以相對理想化一些為平面。由此得出的實驗平臺的設計只要滿足機器人保證兩個自由度的前提下出現(xiàn)小范圍立體擾動的工作條件即可。 在建模的過程當中，由于MiSUMi標準件的引入使得對于零件的選型是一個比較麻煩的問題。因為在設計思路成型之后，很難與自己最初的設想有相符的零件存在，也可能是自己的經(jīng)驗太少，沒有充分考慮零件的加工條件。另外，在運動模型仿真的過程當中，由于在裝配零部件的時候裝配出了點問題導致最終的模型不能很好的進行仿真，最

62、終還是重新裝配后才得以實現(xiàn)。有以上兩點總結(jié)出在今后的設計過程中，注重對于經(jīng)驗的積累，同時加強裝配體的配合干涉等問題。 本論文主要介紹對四足仿生機器人的運動特性與等效運動模型實驗平臺的設計。希望這個實驗平臺的思路能夠?qū)λ淖惴律鷻C器人設計開發(fā)起到幫助作用。 致謝 本論文是在導師羅欣老師，韓斌博士，的悉心指導下完成的。他們在我進行課題研究及論文寫作過程中都給予了極大的指導和鼓勵，在論文的研究過程中富有指導性和啟發(fā)性的建議使本文得以順利完成，韓師兄的每一次切身的指導都推動著論文的發(fā)展，使我的思路更加開闊。羅老師淵博的學識水平，嚴謹?shù)闹螌W風范，勤勉的工作精神都使我受益匪淺。在此向?qū)煴硎旧?/p>

63、深的謝意和崇高的敬意。 在我的研究過程中也得到了同組其他同學的關心和幫助，如周博、洪漢、別永超、黃鑫等，他們在我課題完成過程中所給予了莫大支持與鼓勵，同時在收尾階段又給予了理論支援，在此一并向他們表示由衷的感謝。 付國忠 20011年6月9日 參考文獻 [1] McGhee. R. B. Robot locomotion[A].

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