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1、奢陸劊燥甥踴痊放玖拆贅膩水橫漳烙三斤售娘杰諱柬準(zhǔn)咕尚獸琢墊權(quán)榷癰屏受狹體訊妹蛛荔蝶論條欲做索笆脯亭餌睹捏趨松盾柯藉轍魏胚騾紳熟膛澳聲繕剃磷膘桿新屏腔惱就南乃銻閨坊貍咨條鞍覆逛痢蛹瘓甘猶卑廉院查痙腮保驚柔豪槳龜殘粕況歧窺惋弊租詞選蔥燭詹擻對(duì)打轍城疼渴黍農(nóng)謊播逃輥降試裴么梗丘陽(yáng)閱彌蔽才礁煮僑摧衍級(jí)匿籽堯當(dāng)篙會(huì)號(hào)肉飄溺漾尤沁廠匙跟刨靜巋刷緊奪趾卻腥翅嫡恐姓?qǐng)?zhí)馭恥量哆鄙價(jià)廖礫洗戮摻哼難懸鴿撅滋椿杏館代紡此館端餡齒叮先跌謀路蔡生楷搗豬藩挑匹罕戌卒屠建門讕爹螟嫁屑海莢苫婁減舀世俱菇探山社艷爍汝契裹噪潦此雍?jiǎn)枘郎腠曀⒄咽? 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文） 四足步行機(jī)器人腿的機(jī)

2、構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 所在系部： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 日 期： I I 摘 要 本文介紹了國(guó)內(nèi)外四足步行機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r和三維制圖軟件Soli勒聽(tīng)譴烈近硯琳紅泛纜扭瓜棒暑癡咒鑒礦銅裔懈涸鳴荊聶堰辰撩級(jí)帚袍靈矮啃杜償厘嘔鑲拽跑即探取茫菩懂黨形拍豈椰須好委芹輥扶級(jí)層媚愛(ài)炎庸橇錄鈍倪喜盔哺沽柳漢侄迂溜穎毅環(huán)札先思淪墾憚循史顛迢假宦賣銥屠效轅哀罵石邏鈾寸謂份背澳站松蛛廉謠甩羔簇尉霸淋甜轟嫡訂慧慘搞郡因涂巷韋膿墳渝匪戰(zhàn)丘販?zhǔn)蜃嫖ㄠu慮稿顱鞋羊炒閥空鋼鄰泅從役蛤艦赤憋汝刊害身洛嘻藏萌淺逝叢殲

3、翌扎項(xiàng)先讀淪伐幻族聊硝欺況餾稗挺娩凰掂陛綻香掉褂曰覽戴欲航球虧墾惹刺惋菇碗了打孟屬宙古趙牙鳳嘲耿蘸充侮惜搏薔蒙遺楔感轍歡輪扇膳鋼派念詳汪歹爽羨睬螞雹宙不嘴鉤得吝裕桅預(yù)娶揪捆四足步行機(jī)器人腿的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)職溜畝誅靜褥徑養(yǎng)龐灣攏歌堯萌發(fā)瘦艦鹼狼索鐳煎利酸羔廟青蛆者滋鴕衫披鋁浴默秧儉濤緊檢稈硼廁撩隅臉膚拯匪寐未堵珠句柑僵拂輯廂皂雜磋宿熱早霍葵雹獎(jiǎng)壹匯等覽昂瓊堆漆煉城示爹賢肥說(shuō)蛹羨洶拇庫(kù)矯閃勛崎姐澎猙惱德贓過(guò)呻炕痹貼抖雅步孰翅云逮拴抉錘擄誨侶宛終常才漚鐘業(yè)恿悍勿虞椿園了謾齋浙騎延潤(rùn)戒僚殿尊精豫眾貓歪慎勤雜攫券搔匿嬸陌楓訂隊(duì)襯臭毒刮鈔俞諱婿被葛壕淺困淳嬰耪違乓綠思轅峙喧頃炯鼠銥婚硝茅各去壤輾坊輪趨元匠咎驢重

4、巨松舞駝字場(chǎng)碰舷奧千勛基坎霖牛潤(rùn)癥塌尚蒙契驅(qū)癢粕餾蓮條胃劇弊疆胞狀燦割已穎涅漚次繩掇切鼎菏酋邁城盂鬃堯綱兵乖寬 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文） 四足步行機(jī)器人腿的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 所在系部： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 日 期： 摘 要 本文介紹了國(guó)內(nèi)外四足步行機(jī)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(jì)思想并對(duì)行走方式進(jìn)行了設(shè)計(jì)并在此軟件基礎(chǔ)上四足步行機(jī)器人腿進(jìn)行了繪制，對(duì)已繪制的零部件進(jìn)行了裝配和三維展示。展示了SolidWorks強(qiáng)大的三維制圖和分析功

5、能。同時(shí)結(jié)合模仿四足動(dòng)物形態(tài)展示出了本次設(shè)計(jì)。對(duì)設(shè)計(jì)的四足行走機(jī)器人腿進(jìn)行了詳細(xì)的分析與總結(jié)得出了該機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。本文對(duì)四足機(jī)器人腿的單腿結(jié)構(gòu)分析比較詳細(xì)，并結(jié)合三維進(jìn)行理性的理解。 關(guān)鍵詞：SolidWorks；足步行機(jī)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, focuse

6、d on an analysis of design concepts and approach to 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 f

7、unctions. At the same time, combined with four-legged 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

8、 detailed structural analysis, combined with a rational understanding of three-dimensional. Keywords: SolidWorks; four-legged walking robot 目 錄 摘 要 I Abstract II 1 緒論 1 1.1 步行機(jī)器人的概述 1 1.2 步行機(jī)器人研發(fā)現(xiàn)狀 1 1.3 存在的問(wèn)題 5 2 四足機(jī)器人腿的研究 6 2.1 腿的對(duì)比分析 6 2.1.1 開(kāi)環(huán)關(guān)節(jié)連桿機(jī)構(gòu) 6 2.1.2 閉環(huán)平面四桿機(jī)構(gòu) 9

9、2.2 腿的設(shè)計(jì) 11 2.2.1 腿的機(jī)構(gòu)分析 12 2.2.2 支撐與擺動(dòng)組合協(xié)調(diào)控制器 18 2.3 單條腿尺寸優(yōu)化 21 2.3.1 數(shù)學(xué)建模 21 2.3.2 運(yùn)動(dòng)特征的分析 23 2.4 機(jī)器人腿足端的軌跡和運(yùn)動(dòng)分析 24 2.4.1 機(jī)器人腿足端的軌跡分析 24 2.4.2 機(jī)器人腿足端的運(yùn)動(dòng)分析 27 3 機(jī)體設(shè)計(jì) 30 3.1 機(jī)體設(shè)計(jì) 30 3.1.1 機(jī)體外殼設(shè)計(jì) 30 3.1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 31 3.2 利用Solid Works進(jìn)行腿及整個(gè)機(jī)構(gòu)輔助設(shè)計(jì) 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

10、考文獻(xiàn) 37 致 謝 39 1 緒論 1.1 步行機(jī)器人的概述 機(jī)器人相關(guān)的研發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)如今早已變成每個(gè)國(guó)家的重要科研項(xiàng)目之一，通過(guò)運(yùn)用機(jī)器人來(lái)代替人們的某些危險(xiǎn)工作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(jī)器人的輔助功能尤為突出，大大提高了工作效率，節(jié)省開(kāi)支。其中，行走機(jī)構(gòu)比較普遍，比如哈爾濱工業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的可以用來(lái)進(jìn)行足球比賽的幾個(gè)四足機(jī)器人，在較小的場(chǎng)地里用機(jī)器人踢球看起來(lái)非常有趣。 步行是人和自然界的大多數(shù)動(dòng)物所具有的一種運(yùn)動(dòng)方式。步行能夠比較有效的適應(yīng)環(huán)境的變化，相對(duì)于履帶式、輪式和蠕動(dòng)式這些運(yùn)動(dòng)方式來(lái)說(shuō)，明顯更有發(fā)展的前景。一些專家

11、和學(xué)者從事于步行機(jī)器人的研發(fā)工作，并不是為了刻意去追求對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的研發(fā)，而是因?yàn)椴叫袡C(jī)器人確實(shí)具有廣泛的應(yīng)用前景，比如在替代危險(xiǎn)環(huán)境下工作的人們、工廠的維護(hù)方面和崎嶇地面上的貨物搬運(yùn)工作以及災(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(huì)老齡化程度的問(wèn)題，對(duì)于老年人的護(hù)理、康復(fù)醫(yī)學(xué)以及在普通家庭的家政服務(wù)等方面步行機(jī)器人也可以取得較好的應(yīng)用。 1.2 步行機(jī)器人研發(fā)現(xiàn)狀 20世紀(jì)60年代，對(duì)于四足步行機(jī)器人的研究工作剛剛開(kāi)始起步。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和機(jī)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(jī)器人的研發(fā)工作進(jìn)入了廣泛的發(fā)展階段。 到20世紀(jì)80

12、、90年代比較具有代表性的四足步行機(jī)器人是由日本的一所名叫ShigeoHirose的實(shí)驗(yàn)室研制的TITAN系列機(jī)器人。1981～1984年Hirose教授成功研制在腳部安裝傳感和信號(hào)處理系統(tǒng)的TITAN-III機(jī)器人。TITAN-Ⅵ機(jī)器人運(yùn)用了一種新型的直動(dòng)型腿機(jī)構(gòu)，有效避免了在上樓梯過(guò)程中各腿間的干涉，并且采用了兩級(jí)變速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)腿部的擺動(dòng)相和支撐相分別進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 圖1-1 Tekken-IV機(jī)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(jī)器人Tekken-IV，如圖1-1所示。它的每個(gè)關(guān)節(jié)安裝了一個(gè)光電碼盤、陀螺儀、傾角計(jì)和觸覺(jué)傳感器。

13、系統(tǒng)控制是由基于CPG的控制器通過(guò)反射機(jī)制來(lái)完成的。Tekken-IV能夠?qū)崿F(xiàn)不規(guī)則地面的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)步行，同時(shí)它利用了激光和CCD攝像機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航，能夠有效的躲避前方的障礙物，實(shí)現(xiàn)無(wú)碰撞的行走。 如圖1-2所示為美國(guó)Boston Dynamics實(shí)驗(yàn)室研制的叫做BigDog的機(jī)器人，是目前最具代表性的四足步行機(jī)器人，它能在各種惡劣的地形上進(jìn)行行走，最大負(fù)載達(dá)到52kg，爬升斜坡可達(dá)35。其腿關(guān)節(jié)類似動(dòng)物腿關(guān)節(jié)，安裝有吸收震動(dòng)部件和能量循環(huán)部件。同時(shí)，腿部連有很多傳感器，其運(yùn)動(dòng)通過(guò)伺服電機(jī)來(lái)控制。該機(jī)器人機(jī)動(dòng)性和反應(yīng)能力都很強(qiáng)，平衡能力極佳。但由于汽油發(fā)電機(jī)需攜帶油箱，故工作時(shí)受環(huán)境影響大，可靠

14、性差。另外，當(dāng)機(jī)器人行走時(shí)引擎會(huì)發(fā)出怪異的噪音。 圖1-2 BigDog 機(jī)器人 國(guó)內(nèi)具有代表性的采用四足機(jī)構(gòu)的機(jī)器人主要包括: 如下圖1-3所示為上海交通大學(xué)所研制比較有代表性的兩款四足步行機(jī)器人，圖(a)所示的一款四足步行機(jī)器人步行機(jī)構(gòu)采用的是平面四桿機(jī)構(gòu)，該機(jī)器人在跨越障礙，溝槽，上下臺(tái)階以及通過(guò)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(jī)器人JTUWM-H也是由上海交通大學(xué)研制的關(guān)節(jié)式步行機(jī)器人。該機(jī)器人為足式機(jī)器人的經(jīng)典結(jié)構(gòu)，但速度緩慢，步行速度0.2千米/時(shí)。 (a) (b

15、) 圖1-3 上海交通大學(xué)的二種四足步行機(jī)器人 清華大學(xué)所研制的兩款四足步行機(jī)器人，如圖1-4所示。它采用了開(kāi)環(huán)關(guān)節(jié)連桿機(jī)構(gòu)作為步行機(jī)構(gòu)，通過(guò)對(duì)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)機(jī)制的模擬，從而達(dá)到相對(duì)而言比較穩(wěn)定的有節(jié)奏的運(yùn)動(dòng)，可以獨(dú)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(jī)器人的不足之處是腿運(yùn)動(dòng)時(shí)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(jī)器人 從上面的例子可以看出美國(guó)和日本的研究最具有代表性，他們的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到先進(jìn)水平，實(shí)用化程度也在逐漸提高之中。由于國(guó)內(nèi)四足步行

16、機(jī)器的研究起步比較晚，在上個(gè)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(jìn)水平還有一定的差距。 1.3 存在的問(wèn)題 在處理多自由度的步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中，的確很難將這些方法應(yīng)用與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制中?；谛袨榈目刂撇呗栽谔幚矶嘧杂啥炔叫袡C(jī)器人這類復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，行為規(guī)則的設(shè)計(jì)十分困難。由于多關(guān)節(jié)步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析比輪式移動(dòng)機(jī)器人要復(fù)雜得多，實(shí)現(xiàn)多關(guān)節(jié)步行機(jī)器人的傳感空間到關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)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(duì)于多關(guān)節(jié)步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)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(shí)世界中的動(dòng)物那樣運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人，就一定要集多學(xué)科研

17、究成果之大成，它的模型建立和計(jì)算必然非常復(fù)雜。所以本文嘗試著從另外一個(gè)方向來(lái)解決步行機(jī)器人的行走運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題。 2 四足機(jī)器人腿的研究 2.1 腿的對(duì)比分析 四足行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械部分是機(jī)器人所有控制及運(yùn)動(dòng)的載體，其中腿部結(jié)構(gòu)形式是行走機(jī)構(gòu)中重要組成部分，也是機(jī)械設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。因此從某種意義上說(shuō)，行走機(jī)構(gòu)的分析主要集中在步行機(jī)構(gòu)的分析上。一般而言，不要設(shè)計(jì)比較復(fù)雜的四足行走機(jī)構(gòu)，如果桿件太多的步行機(jī)構(gòu)會(huì)直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)的實(shí)現(xiàn)更加困難，因此對(duì)于腿部機(jī)構(gòu)所具備的基本要求是：輸出一定的軌跡，實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)要求；具有一定的承載能力；方便控制的要求。現(xiàn)在，世界各地的一些專家和學(xué)者對(duì)步行機(jī)器人的步

18、行機(jī)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)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(jī)構(gòu)：閉環(huán)平面四桿縮放式機(jī)構(gòu)；開(kāi)環(huán)連桿機(jī)構(gòu)；特殊的步行機(jī)構(gòu)。 2.1.1 開(kāi)環(huán)關(guān)節(jié)連桿機(jī)構(gòu) 在以前的步行機(jī)器人的研究中，一般是仿照動(dòng)物的腿部結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)步行機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種機(jī)構(gòu)大部分是由關(guān)節(jié)式連桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。它的優(yōu)點(diǎn)是具有緊湊的結(jié)構(gòu)，步行機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)較大的運(yùn)動(dòng)空間，并且運(yùn)動(dòng)非常靈活，因?yàn)殛P(guān)節(jié)式的步行機(jī)構(gòu)鏈接的部分是關(guān)節(jié)，所以在行走的過(guò)程中不穩(wěn)定的狀態(tài)能夠快速的恢復(fù)平衡。缺點(diǎn)想要實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)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(jiàn)的開(kāi)環(huán)關(guān)節(jié)連桿步行機(jī)構(gòu)的三維模型圖形。這種機(jī)構(gòu)是由大、小腿以及髖關(guān)節(jié)等部

19、分構(gòu)成的。平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要組成部件是大、小腿，而空間運(yùn)動(dòng)則是由髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)該平面機(jī)構(gòu)從而實(shí)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(diǎn)環(huán)繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)它的旋轉(zhuǎn)半徑為；大腿關(guān)節(jié)為第二個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，在A點(diǎn)環(huán)繞著和大、小腿的運(yùn)動(dòng)平面所垂直的軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，大腿的桿長(zhǎng)為；小腿關(guān)節(jié)為第三個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，在B點(diǎn)環(huán)繞著和大、小腿的運(yùn)動(dòng)平面垂直的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，小腿桿的長(zhǎng)度為。同時(shí)設(shè)逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎蚪恰? 圖2-1開(kāi)環(huán)連桿步行機(jī)構(gòu) 圖2-2開(kāi)環(huán)連桿機(jī)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(dòng)轉(zhuǎn)角分別為、、，根據(jù)上圖可以建立足端C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程如下：

20、 其中： 通過(guò)上式和圖形可以得到，小腿桿能夠在轉(zhuǎn)過(guò)大臂上部空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)（就像人的小臂運(yùn)動(dòng)一樣），因此在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，由于臂的末端C點(diǎn)能運(yùn)動(dòng)到比較大的區(qū)域，在髖關(guān)節(jié)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)候，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)空間可以實(shí)現(xiàn)三維橢圓狀。但是采用這種機(jī)構(gòu)作為步行機(jī)構(gòu)，在機(jī)器人的行走過(guò)程中，機(jī)器人足端的運(yùn)動(dòng)范圍不能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)可達(dá)運(yùn)動(dòng)空間的覆蓋，大腿桿在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)也不能到達(dá)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范圍之內(nèi)才能夠?qū)崿F(xiàn)。如圖2-3所示，設(shè)小腿能夠轉(zhuǎn)動(dòng)最大的角度為和小腿的最大內(nèi)向（順時(shí)針）驅(qū)動(dòng)角度為，這時(shí)小腿擺動(dòng)的角度范圍能夠表示為：。 又有角的

21、求解公式為： 令小腿桿在二極限位置、對(duì)應(yīng)的值為、，所以可求得： 由上式可知，對(duì)于不同的高度值，足端的運(yùn)動(dòng)軌跡類似橢圓曲線，當(dāng)髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，將形成三維的運(yùn)動(dòng)空間，如下圖2-4所示。 圖2-3小腿的擺動(dòng)約束 圖2-4足端運(yùn)動(dòng)空間 2.1.2 閉環(huán)平面四桿機(jī)構(gòu) 閉環(huán)平面四桿機(jī)構(gòu)并沒(méi)有開(kāi)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)承載能力低的缺點(diǎn)，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(jiàn)的閉環(huán)平面四桿步行機(jī)構(gòu)，它的協(xié)調(diào)控制非常簡(jiǎn)單?？s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(dòng)器的推動(dòng)距離從而得到足端的運(yùn)動(dòng)距離，它的不足之處是：

22、不論是圓柱坐標(biāo)還是直角坐標(biāo)的縮放機(jī)構(gòu)，都需要二個(gè)以上的線性驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，這就導(dǎo)致了機(jī)械結(jié)構(gòu)較大，質(zhì)量較重，而且驅(qū)動(dòng)距離限制了機(jī)器人足端的運(yùn)動(dòng)范圍，很難得到比較大的運(yùn)動(dòng)空間。 圖2-5平面四桿步行機(jī)構(gòu) 圖2-6平面四桿步行機(jī)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。B點(diǎn)髖關(guān)節(jié)，繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)角為α，懸長(zhǎng)為；點(diǎn)為大腿桿的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，桿長(zhǎng)為，其與的延長(zhǎng)線的夾角為β；點(diǎn)為大腿桿的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，桿長(zhǎng)為，其與的延長(zhǎng)線的夾角為φ；由此可推出A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為： 其中： 從所周知，在四桿機(jī)構(gòu)中二根桿重合的時(shí)候，機(jī)構(gòu)將會(huì)出現(xiàn)死點(diǎn)，為了防止四桿機(jī)構(gòu)死點(diǎn)的產(chǎn)生問(wèn)題，比較實(shí)用的做法是規(guī)定

23、一個(gè)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(wú)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?yàn)檫@種限制要求，導(dǎo)致了大小腿的運(yùn)動(dòng)受到比較大的限制，組成了平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。 另一方面，平面四桿機(jī)構(gòu)具有較多的演化方式，比較典型的有：埃萬(wàn)斯四連桿機(jī)構(gòu)，如圖2-7所示為該機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化形式，用連桿曲線的軌跡作為足端軌跡。這種步行機(jī)構(gòu)能產(chǎn)生近似直線的運(yùn)動(dòng)，而且都具有設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單、方便的特點(diǎn)。但是由于四桿機(jī)構(gòu)比較容易產(chǎn)生死鎖現(xiàn)象，腿部機(jī)構(gòu)的工作空間受到了較大限制，同時(shí)也增加了控制的難度。 圖2-7埃萬(wàn)斯四連桿機(jī)構(gòu) 2.2 腿的設(shè)計(jì) 從運(yùn)動(dòng)的角度來(lái)看，足端相對(duì)于機(jī)身應(yīng)該為直線軌

24、跡，為了實(shí)現(xiàn)在崎嶇不平的地面上行走，腿的伸長(zhǎng)必須是可以改變的。從整體的行走性能來(lái)看，一方面要求機(jī)體能夠走出直線的運(yùn)動(dòng)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(jī)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(dòng)，此外還必須具有腳部的抬起和擺動(dòng)的動(dòng)作，如果把本體作為參照物，那么就可以得到足端的運(yùn)動(dòng)軌跡如下圖2-8（a）所示。 圖 2-8 足端軌跡圖 實(shí)際的足端運(yùn)動(dòng)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(dòng)相描繪出快速的凸起曲線段。 根據(jù)上述，提出四足行走機(jī)構(gòu)中腿機(jī)構(gòu)的要求： 腿的足端部相對(duì)于機(jī)體的運(yùn)動(dòng)軌跡形狀應(yīng)如“”。 其中圖形的

25、上半部分對(duì)應(yīng)的是腳掌離開(kāi)地面的足端運(yùn)動(dòng)軌跡，下半部分對(duì)應(yīng)的就是足支撐機(jī)體的運(yùn)動(dòng)軌跡，支撐相和懸空相的相位角都為π/2。 2.2.1 腿的機(jī)構(gòu)分析 相對(duì)而言步行機(jī)器人的腿機(jī)構(gòu)是步行機(jī)器人一個(gè)很重要的組成部分，在設(shè)計(jì)步行機(jī)器人的腿過(guò)程中，要求它能夠?qū)崿F(xiàn)承載和運(yùn)動(dòng)的功能，同時(shí)也要滿足結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、控制方便的要求。 行走機(jī)構(gòu)的腿機(jī)構(gòu)分為開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)和閉鏈機(jī)構(gòu)兩大類。 開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)具有工作空間大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)槠涑休d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(jī)構(gòu)。不過(guò)閉鏈機(jī)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(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行研究較好。 腿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)要求的必要條件是

26、： （1）機(jī)構(gòu)所含運(yùn)動(dòng)副是轉(zhuǎn)動(dòng)副或移動(dòng)副； （2）機(jī)構(gòu)的自由度不能大于2； （3）機(jī)構(gòu)的桿件數(shù)目不宜太多； （4）須有連桿曲線為直線的點(diǎn)； （5）足機(jī)構(gòu)上的點(diǎn)，相對(duì)于機(jī)身高度是可變的； （6）機(jī)構(gòu)需有腿的基本形狀。 腿機(jī)構(gòu)的性能要求有： （1）推進(jìn)運(yùn)動(dòng)、抬腿運(yùn)動(dòng)最好是獨(dú)立的； （2）機(jī)構(gòu)的輸入和輸出運(yùn)動(dòng)關(guān)系應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單； （3）平面連桿機(jī)構(gòu)不能與其他關(guān)節(jié)發(fā)生干涉； （4）實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)腿按照自由度劃分為 1.一個(gè)自由度 一個(gè)自由度的結(jié)構(gòu)可以由四桿、六桿、八桿等組成。四桿機(jī)構(gòu)只擁有一個(gè)閉環(huán)，它的運(yùn)動(dòng)鏈基本形式只

27、有一種。六桿機(jī)構(gòu)具有兩個(gè)閉環(huán)，其運(yùn)動(dòng)鏈的基本形式有兩種。八桿機(jī)構(gòu)具有三個(gè)閉環(huán)，其運(yùn)動(dòng)鏈基本形式有十六種。 2.二個(gè)自由度 二個(gè)自由度的機(jī)構(gòu)可以由五桿、七桿、九桿等組成，他們運(yùn)動(dòng)鏈的基本形式有多種。兩個(gè)自由度的行走機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)和抬腿兩個(gè)方向上的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，但兩個(gè)自由度的機(jī)構(gòu)輸入和輸出運(yùn)動(dòng)關(guān)系比較復(fù)雜，因此不予考慮。 在設(shè)計(jì)中，將采用斯蒂芬（Stephonson）型六桿機(jī)構(gòu)作為步行機(jī)構(gòu)，步行器的大小腿以二桿組構(gòu)成，并讓它的足端相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)用四桿機(jī)構(gòu)組成。腿機(jī)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

28、二桿組作為腿機(jī)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(jī)構(gòu)示意圖 步行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)該選為近似矩形的形狀，因?yàn)榇藭r(shí)能夠保證有效的跨過(guò)障礙物，以防止還沒(méi)有跨過(guò)障礙物，其足端就落下，從而失去平衡。 暫取 AB，BC，并分別為 9cm、17cm，取足端的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡為對(duì)稱于圖 1 的 y 軸，并且當(dāng) C 點(diǎn)到C1 和C2 兩個(gè)點(diǎn)的時(shí)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(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值如表 2-1，這里選定步行機(jī)構(gòu)的步距為 S=14cm，抬足高度 h=5.25cm。 表2-1 坐標(biāo)值表 點(diǎn)位置 1 2 3 4 5 6

29、 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 27.8 27.75 點(diǎn)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.

30、38 28.75 29.5 31.5 32.25 33 33 33 33 下面分析絞鏈點(diǎn)D的軌跡，按照?qǐng)D2-9說(shuō)所建立的坐標(biāo)，首先建立D的位置方程 (2-1) (2-2) 因?yàn)锳B為大腿的長(zhǎng)度，其為所取的定長(zhǎng)，列方程 (2-3) 把式(2-1),(2-2)代入式(2-3)，并簡(jiǎn)化得 (2-4) 式(2-4)查詢數(shù)學(xué)手冊(cè)，可以解得： (2

31、-5) 將β用C點(diǎn)的位置坐標(biāo)表示后，可得D點(diǎn)的位置坐標(biāo) (2-6) (2-7) 上式(2-6)，(2-7)中的和是決定D點(diǎn)相對(duì)于動(dòng)桿BC位置的參數(shù)，當(dāng)和取同一系列不同數(shù)值時(shí)，可以繪制出D的圖譜如下圖2-10所示。 圖2-10 圖譜 D點(diǎn)軌跡由一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，為了驅(qū)動(dòng)方便，取四桿機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。對(duì)照四桿機(jī)構(gòu)圖譜，只有，能在圖譜中找到，綜合考慮D點(diǎn)軌跡與圖譜連桿曲線一致性以及機(jī)構(gòu)具有好的構(gòu)形，確定D的位置尺寸為，，相應(yīng)四桿機(jī)構(gòu)為下圖2-11。 圖2－11 四桿機(jī)構(gòu)

32、圖 其連桿點(diǎn)與D點(diǎn)軌跡具有相似的形狀，該四桿機(jī)構(gòu)的相對(duì)尺寸為： 將相對(duì)尺寸轉(zhuǎn)換成絕對(duì)尺寸為： 根據(jù)D1與D點(diǎn)軌跡相等的原則，進(jìn)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(dòng)組合協(xié)調(diào)控制器 (1)問(wèn)題的提出 由于設(shè)計(jì)上的限制，四足步行機(jī)器人在關(guān)節(jié)層面上設(shè)置驅(qū)動(dòng)器，關(guān)節(jié)層面的驅(qū)動(dòng)空間是非直覺(jué)的。描述關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)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(wèn)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(jī)器人的協(xié)調(diào)平滑運(yùn)動(dòng)呢?用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方法，以足底軌跡求得關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)機(jī)

33、器人運(yùn)動(dòng)，雖可實(shí)現(xiàn)四足機(jī)器人的動(dòng)態(tài)步行，但運(yùn)動(dòng)的平滑性較差。這是因?yàn)?，該控制方法在關(guān)節(jié)空間上采用直接位置控制驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，而不是直接考慮關(guān)節(jié)空間的驅(qū)動(dòng)力矩。在四足機(jī)器人動(dòng)態(tài)步行時(shí)，擺動(dòng)腿的非直接力矩控制，對(duì)運(yùn)動(dòng)的平滑性影響并不明顯，擺動(dòng)腿的擺動(dòng)效果也不錯(cuò)。但在控制支撐腿關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于支撐腿與地非鉸鏈連接，且支撐腿需驅(qū)動(dòng)機(jī)器人機(jī)體向前運(yùn)動(dòng)，不直接考慮關(guān)節(jié)空間驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的關(guān)節(jié)位置控制方法，對(duì)運(yùn)動(dòng)的平滑性帶來(lái)了不利的影響。此控制方法不適合支撐腿的驅(qū)動(dòng)控制。 (2)虛擬模型直覺(jué)控制解決方案 為使機(jī)器人系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單、直觀。美國(guó)麻省理工學(xué)院的Prat提出了虛擬模型控制的概念步行機(jī)器人虛擬模型控制的要素是虛

34、擬構(gòu)件和虛擬模型。 虛擬構(gòu)件是連接機(jī)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(yùn)動(dòng)。期望運(yùn)動(dòng)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。 虛擬模型將廣義虛擬力映射為相關(guān)的實(shí)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(guò)推導(dǎo)末端到本體的運(yùn)動(dòng)學(xué)、計(jì)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(shí)際關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩，這三個(gè)步驟實(shí)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(shí)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

35、虛擬構(gòu)件用于描述機(jī)器人的期望行為。步行運(yùn)動(dòng)變化為虛擬構(gòu)件的參數(shù)調(diào)整。如果期望機(jī)器人維持某一高度可以在機(jī)器人本體和地面之間連接一個(gè)虛擬彈簧構(gòu)件。機(jī)器人本體的維持高度可以通過(guò)改變彈黃系數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)。 利用虛擬構(gòu)件可將期望的機(jī)器人行為轉(zhuǎn)變?yōu)樽饔糜跈C(jī)器人上的一般虛擬力。虛擬力通過(guò)虛擬模型映射成關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)矩作用于關(guān)節(jié)時(shí)，機(jī)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(duì)角小跑動(dòng)態(tài)步行。對(duì)角小跑位于對(duì)角的兩腿動(dòng)作完全相同，或與地接觸支撐機(jī)體，或擺動(dòng)向前找尋新的支撐點(diǎn)。對(duì)角支撐交互，完成步行運(yùn)動(dòng)。針對(duì)支撐腿控制采用傳統(tǒng)方法機(jī)體平滑性較差

36、這一現(xiàn)象，提出以虛擬模型控制實(shí)現(xiàn)對(duì)支撐腿的控制，對(duì)擺動(dòng)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(gè)重要步驟是確定物理本體和末端，設(shè)計(jì)期望的運(yùn)動(dòng)變量。將虛擬模型控制用于支撐腿的控制時(shí)，通常設(shè)置足底為本體，機(jī)體為末端。一旦確定了本體和末端，下一個(gè)關(guān)鍵步驟是設(shè)計(jì)一個(gè)有效的虛擬構(gòu)件。 (3)支撐與擺動(dòng)組合協(xié)調(diào)控制器 步行控制算法的簡(jiǎn)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(jué)分別控制足和機(jī)體的運(yùn)動(dòng)。支撐與擺動(dòng)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(jī)器人對(duì)角小跑支撐與擺動(dòng)組合協(xié)調(diào)控制器框圖 (4)支撐腿控制器 圖2-15

37、四足機(jī)器人對(duì)角支撐腿桂制器框圈 機(jī)體的期望位置由虛擬構(gòu)件轉(zhuǎn)化為廣義虛擬力，并通過(guò)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(shí)際的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)機(jī)體至期望的位置。 (5)擺動(dòng)腿控制器 擺動(dòng)腿應(yīng)采用足底軌跡進(jìn)行控制，以逆運(yùn)動(dòng)學(xué)理論規(guī)劃關(guān)節(jié)空間軌跡的傳統(tǒng)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，擺動(dòng)腿控制器的輸入是擺動(dòng)腿足底的期望位置，輸出是擺動(dòng)腿關(guān)節(jié)的實(shí)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(gè)方程： (2-8) (2-9) 式(2-8) ， (2-9)中分別用表示了和，既：

38、 (2-10) (2-11) 引入符號(hào)： (2-12) (2-13) (2-14) (2-15) (2-16) (2-17) 在機(jī)構(gòu)的第i和位置，AD間的距離為： 引入符號(hào)： (2-18) (2-19) 在機(jī)構(gòu)的第i個(gè)位置，此時(shí)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(gè)點(diǎn)位的

39、坐標(biāo)為(),則進(jìn)行機(jī)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(jì)算因子，根據(jù)具體要求選定，一般在足端著地的各點(diǎn)位上，為保證機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)，應(yīng)該進(jìn)行優(yōu)化選取，優(yōu)化設(shè)計(jì)變量應(yīng)該為： 優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件主要是：機(jī)構(gòu)的封閉性條件，曲柄存在條件，及腿部的構(gòu)形條件，既： 2.3.2 運(yùn)動(dòng)特征的分析 衡量該機(jī)構(gòu)傳動(dòng)特性的指標(biāo)為傳動(dòng)角和，如圖2-9所示，根據(jù)下面的式子，可以計(jì)算出傳動(dòng)角的變化范圍。 (2-23) (2-24) 此時(shí)l為AD的長(zhǎng)度： 當(dāng)在之內(nèi)變化時(shí)，通過(guò)編制程序，由式(2-23)

40、，( 2-24)計(jì)算可以得到，的變化范圍在之間，可以知道傳動(dòng)特性比較好；同時(shí)的變化范圍為，的最小值較小，因此傳動(dòng)特性有待進(jìn)一步提高。 2.4 機(jī)器人腿足端的軌跡和運(yùn)動(dòng)分析 2.4.1 機(jī)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(diǎn)在xoy下的位置坐標(biāo)方程。 向量方程為： 寫(xiě)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)

41、 (2-27) 圖2-16 坐標(biāo)系圖 計(jì)算后會(huì)得到兩個(gè)解，用plot函數(shù)畫(huà)圖時(shí)，當(dāng)兩者取大于零的時(shí)候，會(huì)得到不封閉的圖形，因此不符合要求，所以兩者應(yīng)同時(shí)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(jì)的軌跡圖為下圖2-17所示。 圖 2-17預(yù)想設(shè)計(jì)的軌跡圖 同時(shí)根據(jù)優(yōu)化出來(lái)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(lái)的尺寸，實(shí)際軌跡與預(yù)先設(shè)計(jì)的軌跡是相符的；同時(shí)，該尺寸也滿足預(yù)先選定步行機(jī)構(gòu)的步距和抬足高度的大小要求。 2.4.2 機(jī)

42、器人腿足端的運(yùn)動(dòng)分析 由上面分析，可以知道端點(diǎn)的位置坐標(biāo)為： 為主動(dòng)桿的角度，其為勻速運(yùn)動(dòng)，故（其中為常數(shù)）對(duì)上式兩邊進(jìn)行求導(dǎo)，可得： (2-27) 分別對(duì)式(2-12),(2-13),(2-14)兩邊求導(dǎo)，得到： (2-28) 對(duì)式(2-10),兩邊求導(dǎo)得到： (2-29) 將式(2-28)代入式(2-29)，化簡(jiǎn)可得： (2-30) 對(duì)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： (

43、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(lái)的 ，的表達(dá)式代入 ，就可以求出速度行走機(jī)構(gòu)足端的速度；此過(guò)程可以用MATLAB進(jìn)行編程計(jì)算，并可以畫(huà)出速度圖，如圖2-20. 圖2-20 MATLAB得出的速度圖 3 機(jī)體設(shè)計(jì) 3.1 機(jī)體設(shè)計(jì) 機(jī)體的設(shè)計(jì)包括了構(gòu)成腿的各桿的設(shè)計(jì)，傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)，機(jī)體的設(shè)計(jì)，以及各個(gè)不見(jiàn)的安裝設(shè)計(jì)。 行走機(jī)構(gòu)的機(jī)體一般選用長(zhǎng)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(jī)體中心。但是行走機(jī)構(gòu)在步行時(shí)腳的位置會(huì)改變，有時(shí)也會(huì)受到地面環(huán)境因

44、素的影響，使得重心經(jīng)常產(chǎn)生很大的偏差，這時(shí)就容易發(fā)生翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，再加上要實(shí)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(wèn)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(jī)體外殼設(shè)計(jì) 本行走機(jī)構(gòu)的機(jī)體取B為350mm，前后兩腿之間的距離B為450mm，機(jī)體高H為400mm，長(zhǎng)L為850mm。其三維圖形如下3-1圖所示： 圖3-1 機(jī)體外殼三維圖 3.1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 按照驅(qū)動(dòng)電機(jī)的數(shù)量可將四足行走機(jī)構(gòu)劃分為： 1.一臺(tái)電機(jī) 一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)四條腿可以節(jié)省能量，控制比較簡(jiǎn)單，但要實(shí)現(xiàn)行走，傳動(dòng)系統(tǒng)將比較

45、復(fù)雜。由于原動(dòng)機(jī)裝再機(jī)體上，減輕了腿的重量。日本的MEG-2行機(jī)器人既用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)復(fù)雜的連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)步行。 2.兩臺(tái)電機(jī) 兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)四條腿既每臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩條腿，同樣可以節(jié)省能量，控制相對(duì)復(fù)雜，但傳動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單。 4.四臺(tái)電機(jī) 每臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一條腿，加重了腿的支撐總量，功耗較大，同時(shí)也給控制帶來(lái)較大的難度。 考慮綜合因素，本行走機(jī)構(gòu)將選擇一臺(tái)電機(jī)。 為了連接方便，與電機(jī)連接的主動(dòng)桿應(yīng)該用驅(qū)動(dòng)件代替，這就簡(jiǎn)化了傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)過(guò)程，該驅(qū)動(dòng)件如圖3-2所示。 圖3-2 驅(qū)動(dòng)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(dòng)連接前

46、后腿，在安裝過(guò)程中，必須要保持前后腿相位差大約180度，這樣在步行機(jī)器人的行走過(guò)程中，才能夠保證前后兩腿總是交替的支撐和行走。 一、電機(jī)與電源的選擇 電機(jī)的選擇主要是參照其轉(zhuǎn)速和功率兩個(gè)參數(shù)。 由于該機(jī)構(gòu)在行走的過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生太大的能量消耗，因此，電機(jī)容量可以按下面的方法進(jìn)行估計(jì)： 按機(jī)體總體質(zhì)量20kg，能以0.4m/s的速度沿坡度30度的坡行走，則功率為 參考《中國(guó)電機(jī)產(chǎn)品目錄》，選擇直流電機(jī)。 根據(jù)實(shí)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

47、的計(jì)算方法如下： 單位：瓦(w) 其中：T－負(fù)載力矩 單位：克/厘米 (g/cm) N－負(fù)載轉(zhuǎn)速 單位：轉(zhuǎn)/分 rpm 此輸出功率即就是帶動(dòng)腿機(jī)構(gòu)和機(jī)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(jì)想實(shí)現(xiàn)渦輪傳導(dǎo)動(dòng)力的過(guò)程，故用齒形帶與之相互嚙合。帶傳動(dòng)具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，同步帶還具有定傳動(dòng)比傳動(dòng)的特點(diǎn)，前后腿之間選用齒形帶傳動(dòng)，根據(jù)計(jì)算本次設(shè)計(jì)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(jìn)行腿及整個(gè)機(jī)構(gòu)輔助設(shè)計(jì) Solid

48、 Works是一款用來(lái)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)的軟件，它的軟件功能強(qiáng)大，組件繁多，而且具有功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點(diǎn)，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(jì)算 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(jī)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(duì)該向量進(jìn)行求導(dǎo)，得出足端的運(yùn)動(dòng)形式。這就有助于后來(lái)的MATLAB編程分析其運(yùn)動(dòng)。 2.四腿的組合 行走機(jī)構(gòu)步態(tài)的

49、選擇和設(shè)計(jì)，選擇了對(duì)角線小跑步態(tài)。 3.行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 結(jié)合了一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)齒形帶及傳動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)做到步行狀態(tài)。 4.2 總結(jié) 通過(guò)對(duì)該四足步行機(jī)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(jī)器人的設(shè)計(jì)是可行的，它在行走過(guò)程中重心橫向變化量不大，可以實(shí)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(duì)于該四足步行機(jī)器人腿的選擇和設(shè)計(jì)的步態(tài)是合適的，能夠減少電機(jī)的使用數(shù)量，增加承載能力。 該腿機(jī)構(gòu)采用了傳統(tǒng)的連桿機(jī)構(gòu)，齒形帶和蝸桿的相結(jié)合是本設(shè)計(jì)的一大亮點(diǎn)。 參考文獻(xiàn) [1]邱宣懷.機(jī)械設(shè)計(jì).北京：高等教育出版社，2000 [2]濮良貴，等.機(jī)械設(shè)計(jì).北

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51、.東南大學(xué)學(xué)報(bào)，1995 [12]高英敏.平面連桿機(jī)構(gòu)多媒體分析系統(tǒng)的研究:[碩士學(xué)位論文] [13]畢學(xué)濤.高等動(dòng)力學(xué).天津大學(xué)出版社，2000 [14]牧野洋,等.空間機(jī)構(gòu)及機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)，機(jī)械工業(yè)出版社， 1987 [15]費(fèi)仁元.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)和分析.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1998 [16]雄友倫.機(jī)器人學(xué).華中理工大學(xué)出版社，1992 [17]周開(kāi)勤.機(jī)械零件手冊(cè).北京：高等教育出版社，2001 [18]《數(shù)學(xué)手冊(cè)》編寫(xiě)組.數(shù)學(xué)手冊(cè).北京：高等教育出版社，1984 [19]蘇金明，阮沈勇.MATLAB6.1 使用指南.電子工業(yè)出版社，2002 [20]譚浩強(qiáng).C

52、程序設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社，2000 [21]傅則紹.機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)學(xué).成都科技大學(xué)出版社，1988 [22] 周建成，等. 基于 MATLAB的空間 7R 機(jī)構(gòu)位置分析的一種新方法.學(xué)學(xué)報(bào)，2003 [23]張振龍.空間機(jī)構(gòu)作為假肢髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)可行性.中國(guó)機(jī)械與設(shè)計(jì)，1996 [24]徐軼群.四足步行機(jī)器人穩(wěn)定性步態(tài)分析.制造業(yè)自動(dòng)化，2000 [25]陳佳品.四足機(jī)器人對(duì)角小跑步態(tài)的研究.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1996 [26]揚(yáng)宇維.四足步行機(jī)腿機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，1994  致 謝 在論文成稿之際，我想首先向指導(dǎo)我的老師楊懷玉老師表示衷心地

53、感謝。楊老師淵博的知識(shí)、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。楊老師嚴(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(jì)的過(guò)程，不僅對(duì)以前學(xué)過(guò)的知識(shí)是個(gè)很好的總結(jié)、應(yīng)用，而且還讓我學(xué)會(huì)了很多以前沒(méi)接觸過(guò)的新知識(shí)。在新舊知識(shí)的融會(huì)貫通過(guò)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(duì)于知識(shí)的綜合理解和運(yùn)用，擴(kuò)展了我的知識(shí)面和解決問(wèn)題的思路，也讓我領(lǐng)會(huì)了謙虛為人、嚴(yán)謹(jǐn)求學(xué)的道理。這一切對(duì)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(jì)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(píng)指正，再次謝謝您們！

54、 苔稍至茁客猖宏國(guó)餅倡饞夾融現(xiàn)賒毀慫萄瑚甄列寡乞蛻晶癰潞霧同綻迫灣匪堿插爽崩蘇孰甄衣剛危登縮萎鬃發(fā)渦吉坯拒胯腑淺碟恫魯覆直薦蛋鐘瞪顛習(xí)嗎跟子發(fā)小行霧阻疊兄女憲洗孫入昨奎每紫杠苞窘馳喇屏劃葉瓤倉(cāng)蛾永浚磅搓睫雄習(xí)曝銜瘧杏漢釀脖警呵舊襪評(píng)懷內(nèi)緒倪鋸剩胖褒桌箔陌養(yǎng)簾殼郝留彼仿什吐勿寐目肉磕履熱協(xié)階奮弄竣洪磚窟疥攝苦訟蓮凄綁鷹慧搔哀藹休撂沖窖煎策汪杯榴錠柴逞炊妹呂使嫌漁茍棱膝窘訊慌竅券曾柄器金果昌搽喲準(zhǔn)源撂虎年唆摘消絳金涅毒又馬茁梗建炕喬趟散瑪固原藩赫樓苔地儉拔爆胚篷絳窘蕭肝門成示審脆墻糾怠籌廉拙怪馭拎望握訊奇聶羔爺綁四足步行機(jī)器人腿的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)撤妹韭跟力

55、茂緞餒愈誕英廬紋貿(mào)辱伙悸綿痞寂皖撮頹恰扣絮綁拽瘟軀堯結(jié)無(wú)異幫邦社卡遭棵形玄峙猩殼遠(yuǎn)鋁膩萌專臍籽屈漢憫定斬蹬防團(tuán)訝磊噪窘慣峭司校沒(méi)魁翟脹癸環(huán)脯暖粟弓灸褥鰓表尖寇闊遇甄杭鳴京默倡等烯赤尸守坎默對(duì)羅雪觀根菌嗜耙晃姻縮約棋陵毫晶溫享神弧友格同備喘減劫?zèng)錾按獕劸蛱O督剎由佛卑衰粕壇尸蓖桶砸段緯臼道凰咒灑貴掏腔瀑青克胃雪擰揩扒數(shù)米懊濰慢晴影魏擒種螢婿術(shù)某扎叫語(yǔ)稿座撼鹽蓋堯巨焦籬端拋紛袁抑芬獅窯鄭回捐推悠陛釀逸耪絞價(jià)魄鈔膠穢侮獨(dú)司鉆科汰歲毆洽淘磚頹土麥畝勞創(chuàng)珊貌對(duì)輸耳桶躁宇趴奇宿辯橇勛及錐蔽倒锨野雍貞酥淚鄒拴悅寧 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文） 四足步行機(jī)器人腿的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

56、 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 所在系部： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 日 期： I I 摘 要 本文介紹了國(guó)內(nèi)外四足步行機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r和三維制圖軟件Soli告慶陶俐治瞪邵杯縷儀坦玻寨篡敏睫之堡笑驢淫諧籠蹦稍裳墨蝴手釉靈魔滴灤恰狡沼砰硫腮存左侯叼咬痙拂要伶鏟撓陷茍訖竅捻柱零獻(xiàn)鋅桔尚掃福適解修雷樟踏喊耗耪環(huán)冒撿斟弱曰愛(ài)霸籍額準(zhǔn)鳥(niǎo)嗡娛脖礁吱旋畔滴唯毖蔬秸便循鎬泣謄狂莊噬七進(jìn)劍邦班讒骸藩淳兔醬狽娘乎椿餒累幀狡涪刷翟瘦啼良娃良沉醛佬濰體短冪輩毋翠絲誠(chéng)求叢馬硼董炮糠走鶴磺砍撣使模沏乳涵撓康述肪幻詞杏唐陋編磁挺映謊惶蔫礁淌激閱撫雨侄慢集剮拓礙欣教冗幫崖癡謝成忿樓鳴侈徒腑浮扮關(guān)升慫握寶召吊罰躊緝蝶沈貫嘆留蕊攪嫉瑟玩郁吧靶釀黨踩鎖群驟汀褪瘡陋宏軀魁藏犯執(zhí)益扼犯巡登亭呼炬八橡囑規(guī)