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XXXX大學(xué)
本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
四足機(jī)器人設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名：______________
學(xué) 號(hào)：______________
班 級(jí): ______________
專 業(yè)：______________
指導(dǎo)教師：______________
2015年4月
目錄
目錄 2
摘 要 3
Abstract 4
第一章 緒 論 5
1.1 課題研究背景 5
1.2 國外研究現(xiàn)狀 6
1.3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 7
1.4課題的目的和意義 9
1.5課題設(shè)計(jì)任務(wù) 10
第二章 四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析 11
3.1四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 11
2.2機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析 14
第三章 四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19
3.1總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 19
3.1.1 機(jī)器人自由度選擇 19
3.1.2機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21
3.1.3驅(qū)動(dòng)方式選擇 21
3.1.4傳動(dòng)方式選擇 22
3.1.5 設(shè)計(jì)參數(shù) 23
3.2四足機(jī)器人傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 23
3.2.1典型的腿部結(jié)構(gòu) 23
3.2.2 腿部主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 24
3.3 四足機(jī)器人支撐機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 26
第五章 結(jié) 論 29
參考文獻(xiàn) 30
致 謝 32
摘 要
多足步行機(jī)器人是上世紀(jì)中葉提出的一種新型的機(jī)器人，憑借其在軍事偵察、科學(xué)探索、災(zāi)難營救、生活?yuàn)蕵返确矫鎻V泛的應(yīng)用前景，使得這種機(jī)器人在幾十年的發(fā)展中，成為國內(nèi)外諸多科研團(tuán)隊(duì)的研究對(duì)象。四足機(jī)器人在復(fù)雜、未知的自然環(huán)境中的適應(yīng)能力明顯大于輪式和履帶式移動(dòng)機(jī)器人，它僅需要有限的支撐點(diǎn)就可以進(jìn)行作業(yè)，而且在近年來的研究中四足機(jī)器人向著小型化、智能化、仿生等發(fā)面發(fā)展。
本文設(shè)計(jì)了一種四足機(jī)器人。通過運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、步態(tài)及穩(wěn)定性分析不斷優(yōu)化機(jī)械模型，在結(jié)構(gòu)上機(jī)器人腿部采用膝肘式對(duì)稱分布，零件布置做到仿生最大化。驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)系統(tǒng)采用液壓系統(tǒng)，為機(jī)器人提供良好的功率質(zhì)量比。此外，在腳踝處設(shè)計(jì)彈性環(huán)節(jié)，以降低機(jī)器人行走過程中遇到的沖擊。
關(guān)鍵詞：機(jī)器人，運(yùn)動(dòng)學(xué)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
Abstract
第一章 緒 論
1.1 課題研究背景
上個(gè)世紀(jì)末本世紀(jì)初，多機(jī)器人的研究進(jìn)入一個(gè)空前繁榮的發(fā)展階段。目前，國際上機(jī)器人市場大概有80億至100億，其中工業(yè)機(jī)器人占的比重最大。2025年，整個(gè)機(jī)器人市場將達(dá)到500億，服務(wù)機(jī)器人從原來的300多萬臺(tái)增加到1200多萬臺(tái)，特種機(jī)器人(如：排爆機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人等)的呼聲也越來越高。另外，微軟等IT企業(yè)，豐田、奔馳等汽車公司，甚至還有家具、衛(wèi)生潔具企業(yè)都紛紛參與機(jī)器人的研制。
而在機(jī)器人研究領(lǐng)域中，足式機(jī)器人又是一個(gè)極其重要的分支。有專家表示：模仿生物的身體結(jié)構(gòu)和功能，從事生物特點(diǎn)工作的仿生機(jī)器人有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人，成為未來機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展方向。而四足仿生機(jī)器人是多足仿生機(jī)器人領(lǐng)域中相當(dāng)有意義的一個(gè)分支。四足仿生機(jī)器人充分結(jié)合了仿生學(xué)和機(jī)器人學(xué)的先進(jìn)技術(shù)，模仿了四足哺乳動(dòng)物的生物功能和骨骼結(jié)構(gòu)，具有很多傳統(tǒng)輪式和履帶式機(jī)器人所不具備的優(yōu)良性能。足式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡是由離散的點(diǎn)所組成，相比于輪式和履帶式移動(dòng)機(jī)器人有更廣泛的應(yīng)用范圍，能夠在山地、瓦礫堆、河流等支撐點(diǎn)不固定且不規(guī)則的場合中有很好的適應(yīng)性。由于它可以在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中完成運(yùn)輸任務(wù)，如山地運(yùn)輸、臺(tái)階搬運(yùn)等，所以多足步行機(jī)器人是一個(gè)很好的移動(dòng)運(yùn)輸載體。通過近年來學(xué)者通過仿生學(xué)的研究和改進(jìn)，多足步行機(jī)器人不僅是單一的運(yùn)輸載體，更多的可充當(dāng)一種作業(yè)功能裝備。自然界中大多數(shù)多足爬行動(dòng)物和哺乳動(dòng)物在漫長的進(jìn)化過程中，演變具備了自己完善的適應(yīng)大自然環(huán)境的生理結(jié)構(gòu)。這種仿照生物學(xué)研究的多足式步行機(jī)器人，必然具備很好的結(jié)構(gòu)體系和環(huán)境適應(yīng)能力，能夠發(fā)揮更大的作用。通過建立四足機(jī)器人模型，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)模擬四足哺乳的動(dòng)力單元，用液壓缸模擬肌肉，用鋼架模擬骨骼，用各種傳感器模擬感受器官等，最終從行走及作業(yè)過程中得到生物學(xué)結(jié)構(gòu)和生理學(xué)特性，從而可以闡釋一些未知的生物學(xué)知識(shí)。如美國Fred Delcomyn等人就很好的闡述了生物學(xué)家和機(jī)器人工程師合作的機(jī)制。因此，生物學(xué)與機(jī)器人工程師們的合作研究將進(jìn)入一個(gè)繁榮的階段。
1.2 國外研究現(xiàn)狀
美國和日本多年來引領(lǐng)國際機(jī)器人的發(fā)展方向，代表著國際上機(jī)器人領(lǐng)域的最高科技水平。目前，日本除了比較關(guān)注特種機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人以外，還注重中間件的研制。然而，近年來日本基本上在做模仿性的工作，突破性技術(shù)比較少。而美國在機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)方面，一直保持著世界領(lǐng)先地位。再有，美國主要做高附加值的產(chǎn)業(yè)，比如軍用機(jī)器人，目前世界銷售的9000臺(tái)軍用機(jī)器人之中，有60%來自美國。比如：圖1-1所示的美國最近研制成功的BigDog軍用機(jī)器人，能負(fù)重100公斤，行進(jìn)速度跟人相當(dāng)，每小時(shí)達(dá)到五公里，還能適應(yīng)各種地形，即使是在側(cè)面受到?jīng)_擊時(shí)也能保持很好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。
圖1.1 bigdog機(jī)器人
日本電信大學(xué)的Kimura和他的團(tuán)隊(duì)基于生物激勵(lì)原理研究了四足機(jī)器人的動(dòng)態(tài)行走和奔跑。2000年研制的Patrush機(jī)器人，每條腿有三個(gè)由伺服驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，帶有2個(gè)微動(dòng)開關(guān)，可實(shí)現(xiàn)上下坡、越障壁障，其行走策略采用基于生物激勵(lì)原理的神經(jīng)震蕩器。2003年Kimura研制的Tekken-Ⅱ采用與Patrush相同的控制算法。機(jī)器人重4.3kg， 16個(gè)自由度，可完成行走、小跑、踱步、跑動(dòng)等運(yùn)動(dòng)模式，可以在12°的斜面上完成上下坡和跨越4cm高的障礙。日本東京大學(xué)的Miura和Shimoyama于1984年開始研制了Collie系列四足機(jī)器人，其中Collie-Ⅱ?yàn)樽钚滦吞?hào)，它重7kg，每條腿有五個(gè)關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)平地pace和trot兩種基本步態(tài)，還可以進(jìn)行相互的轉(zhuǎn)換，并且通過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：當(dāng)能量消耗小時(shí)采用trot步態(tài)；當(dāng)側(cè)重于速度時(shí)，采用pace步態(tài)。
日本東北大學(xué)的Emura通過倒立擺模型分析機(jī)器人的對(duì)角小跑步態(tài)。他把支撐腿看作是擺，機(jī)體和擺動(dòng)腿看作是反應(yīng)輪，并把倒立擺的控制方法應(yīng)用到了四足機(jī)器人的對(duì)角小跑控制中。
歐洲一直以來也在四足機(jī)器人領(lǐng)域進(jìn)行著探索。德國的Ilg Winfried團(tuán)隊(duì)多年來致力于研究復(fù)雜性的足式機(jī)器人的行走策略，并且延伸到對(duì)足式哺乳動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)研究，開發(fā)了基于振蕩器的步態(tài)生成器，基于腿部軌跡學(xué)習(xí)的行走策略等多種研究方法。BISAM是他們研制的試驗(yàn)平臺(tái)（如圖1-2 ），它重23kg，高70cm，不同的是它的身體有4個(gè)部分通過5個(gè)旋轉(zhuǎn)鉸鏈連接而成，這種結(jié)構(gòu)使得機(jī)器人擁有更大的靈活性，每條腿有三個(gè)自由度，由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用姿態(tài)反應(yīng)控制方法。
圖1-2 BISAM 機(jī)器人
瑞士KTH大學(xué)的四足機(jī)器人Warp1于1998年研制成功，目的是研究四足步行機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下自主行走，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)行走。Warp1每條腿三個(gè)自由度，髖部兩個(gè)，膝關(guān)節(jié)一個(gè)，每個(gè)自由度由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和齒輪、傳送帶組成。另外，它還裝有3個(gè)陀螺儀、2個(gè)傾角儀和3軸的加速度計(jì)。西班牙 CSIC研究所的I A I研究中心研制的機(jī)器人Silo4,主要用于基礎(chǔ)性研究及教學(xué)工作。機(jī)器人每條腿有 3個(gè)自由度, 為減少驅(qū)動(dòng)腿尺寸和重量, 驅(qū)動(dòng)電機(jī)平行放置。這種結(jié)構(gòu)形式便于機(jī)器人防水, 防爆設(shè)計(jì), 也便于兩個(gè)電機(jī)同時(shí)控制一個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng), 可以實(shí)現(xiàn)類似哺乳動(dòng)物型行走和昆蟲型行走, 穩(wěn)定性高、能耗低。
1.3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
國內(nèi), 對(duì)多足步行機(jī)器人的研究則起步于上世紀(jì)90年代初起步的, 近些年來取得了較大的發(fā)展。多個(gè)研究所和高效都先后開展了多足步行機(jī)器人技術(shù)的研究。
在國內(nèi)，國家863機(jī)器人技術(shù)主題自成立以來一直重視機(jī)器人技術(shù)在產(chǎn)業(yè)中的推廣和應(yīng)用,長期以來推進(jìn)機(jī)器人技術(shù)以提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),利用機(jī)器人技術(shù)發(fā)展高新產(chǎn)業(yè)。目前,政府正在使用各種辦法加大中國裝備制造業(yè)在市場中占據(jù)的份額,并提供優(yōu)惠措施鼓勵(lì)更多企業(yè)使用機(jī)器人及技術(shù)以提升技術(shù)水平。國內(nèi)越來越多的企業(yè)在生產(chǎn)中采用了工業(yè)機(jī)器人,各種機(jī)器人生產(chǎn)廠家的銷售量都有大幅度的提高。根據(jù)我國海關(guān)統(tǒng)計(jì),最近4年來許多企業(yè)在華的銷售量甚至是前面十幾年銷售量的幾倍,年平均增長率超過40%。2001年我國工業(yè)機(jī)器人海關(guān)進(jìn)出口數(shù)量不過是3774臺(tái),國內(nèi)生產(chǎn)數(shù)量約700臺(tái)左右。2004年市場規(guī)模已經(jīng)增長到萬臺(tái)左右,數(shù)量和金額相對(duì)于2001年都增長了兩倍。2004年國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人數(shù)量突破了1400臺(tái),產(chǎn)值突破8億元人民幣。進(jìn)口機(jī)器人數(shù)量超過9000臺(tái),其中多功能機(jī)器人約1700臺(tái),簡易機(jī)器人7500臺(tái),進(jìn)口額約25億美元。德國CLOOS公司在華焊接機(jī)器人銷售量2000年以前為47臺(tái),2000年以后已經(jīng)突破121臺(tái),銷售量翻了近3倍?？梢灶A(yù)見,中國的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)不久后將會(huì)作為一種在國民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)重要地位的產(chǎn)業(yè)而存在。
1991年，上海交通大學(xué)研制的JTUWM-II四足機(jī)器人通過鑒定，成為我國第一臺(tái)多功能的四足步行機(jī)器人 [25]。在其上研究了轉(zhuǎn)彎步態(tài)控制的實(shí)現(xiàn)途徑，實(shí)現(xiàn)了適合于實(shí)際控制的重心沿多折線行走的轉(zhuǎn)彎步態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)角線動(dòng)態(tài)步行，并在足底設(shè)置了壓電薄膜式力傳感器實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人反饋控制。
2003清華大學(xué)基于哺乳動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)機(jī)理研制了四足機(jī)器人Biosbot[27]。整個(gè)機(jī)器人包含八個(gè)主動(dòng)自由度，驅(qū)動(dòng)采用直流伺服電機(jī)，重約5.7kg，大小400×320×300mm。機(jī)器人控制策略采用生物神經(jīng)系統(tǒng)及控制機(jī)理中的仿生CPG模型。Biosbot實(shí)現(xiàn)了不同形態(tài)、多種步態(tài)、步態(tài)轉(zhuǎn)換、上下坡、越障、轉(zhuǎn)彎等功能，在實(shí)驗(yàn)中取得了很好的行走效果。
圖1-3 Biosbot機(jī)器人
2001年華中科技大學(xué)開始進(jìn)行具有腿/臂融合、可重構(gòu)的多足步行機(jī)器人研究，并且研制了“4+2”多足步行機(jī)器人和MiniQuad多足步行機(jī)器人，針對(duì)多足步行運(yùn)動(dòng)學(xué)，多足步行穩(wěn)定性，多足步態(tài)生成和導(dǎo)向控制做了深入研究。MiniQuad能夠?qū)崿F(xiàn)不同構(gòu)型步行機(jī)器人的變換，如四足、六足；可以實(shí)現(xiàn)全方位的步行運(yùn)動(dòng)而且可以將步行足變換成能夠完成樣品捕捉、采集和搬運(yùn)的動(dòng)作的機(jī)械臂。
四足機(jī)器人是主動(dòng)機(jī)械裝置，每個(gè)關(guān)節(jié)可單獨(dú)傳動(dòng)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)做貢獻(xiàn)，同時(shí)又對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)施加約束。腿部不同布置對(duì)于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性都是不一樣的。從控制理論的觀點(diǎn)來看，機(jī)器人系統(tǒng)是個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)耦合系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型具有顯著的非線性和復(fù)雜性，而動(dòng)力學(xué)問題又是實(shí)現(xiàn)高精度控制與機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。四足步行機(jī)器人是一個(gè)靜不穩(wěn)定系統(tǒng)，只有提供以合適的速度才可以達(dá)到本身的平衡，即動(dòng)態(tài)平衡。
1.4課題的目的和意義
本次設(shè)計(jì)的目的是大學(xué)即將結(jié)束時(shí)充分的運(yùn)用所學(xué)到的機(jī)械方面的知識(shí)，加強(qiáng)自己對(duì)所學(xué)知識(shí)的一種融會(huì)貫通，畢業(yè)前的一種自我評(píng)估鍛煉。設(shè)計(jì)出一款比較實(shí)用的四足機(jī)器人。
設(shè)計(jì)意義
（1）在設(shè)計(jì)四足機(jī)器人的過程中，學(xué)會(huì)查閱資料，鍛煉自己的動(dòng)手動(dòng)腦能力，開拓自己的創(chuàng)新思維能力，學(xué)會(huì)理論聯(lián)系實(shí)踐，充分發(fā)揮了機(jī)械設(shè)計(jì)的專業(yè)知識(shí)的運(yùn)用。
（2）對(duì)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研究有了比較深的理解和運(yùn)用，汲取前人的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。
（3）設(shè)計(jì)出了一種實(shí)用的四足機(jī)器人，學(xué)會(huì)理論和實(shí)踐之間的結(jié)合能力。
1.5課題設(shè)計(jì)任務(wù)
根據(jù)畢業(yè)論文要求設(shè)計(jì)出一款行進(jìn)速度不低于0.5m/s，能越過障礙高度不低于0.3m的四足機(jī)器人，并詳細(xì)重點(diǎn)對(duì)其支撐結(jié)構(gòu)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。
第二章 四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析
對(duì)于四足機(jī)器人而言，每條腿都對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)做貢獻(xiàn)，同時(shí)又對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)施加約束。腿部不同布置對(duì)于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性都是不一樣的。四足機(jī)器人是一個(gè)靜不穩(wěn)定系統(tǒng)，只有提供以合適的速度才可以達(dá)到本身的平衡，即動(dòng)態(tài)平衡。
3.1四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
四足機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。整個(gè)機(jī)器人由機(jī)體和四條腿組成，機(jī)體為箱型剛體，主要用于布置控制系統(tǒng)。四條腿結(jié)構(gòu)相同，共有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，是腿部具有三個(gè)自由度。側(cè)擺關(guān)節(jié)產(chǎn)生垂直身體的自由度，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)則產(chǎn)生前進(jìn)方向自由度。由此能同時(shí)滿足空間三個(gè)方向的自由度要求。
圖2-1 四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖
從圖2-1看到，可以把機(jī)器人的腿看作是一系列由關(guān)節(jié)連結(jié)起來的連桿構(gòu)成的。我們將為四足機(jī)器人的每一連桿建立一個(gè)坐標(biāo)系，并用齊次變換來描述這些坐標(biāo)系間的相對(duì)位置和姿態(tài)。建立機(jī)體坐標(biāo)系(X0,Y0,Z0)，其原點(diǎn)為機(jī)體質(zhì)心的初始位置，定義X0 軸的正向?yàn)闄C(jī)體前進(jìn)方向，Z0 軸正向與重力方向相反，右手規(guī)則確定Y0 軸坐標(biāo)系。(X1,Y1,Z1)的原點(diǎn)O 在機(jī)體坐標(biāo)系中的位置為(a，b，c )。
圖2-2 坐標(biāo)系
A01=00011a0b-10000c01在髖部、大腿、小腿建立坐標(biāo)系如圖2-2所示，并在足端建立(X,Y,Z)坐標(biāo)系。
計(jì)算可得各坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣為
A34=c3-s3s3c30l3c30l3s300001001A23=c2-s2s2c20l2c20l2s200001001A12=c10s10s1l1c1-c1l1s101000001
矩陣中si和ci分別代表sinθi和cosθi。
T04=R0X0Y00Z01一般四足機(jī)器人在行走是足端相對(duì)于機(jī)體的運(yùn)動(dòng)軌跡是可以確定的，設(shè)足端位置矩陣為
T04=A01A12A23A34=s23c23s1c23-s1s230l3s23+l2s2+a-c1l3s1c23+l2s1c2+l1s1+b-c1c23-c1s2300-s1-l3c1c23-l2c1c2-l1c1+c01且易知足端向機(jī)體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為
由此可以得出
討論運(yùn)動(dòng)學(xué)正問題可以對(duì)已完成運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)的機(jī)器人逐個(gè)地判斷運(yùn)動(dòng)要求是否滿足和為運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題討論做準(zhǔn)備。討論運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題可以驗(yàn)證機(jī)器人能否使其足端達(dá)到需要的位姿，另外在機(jī)器人實(shí)行位姿控制和軌跡規(guī)劃中，即在已知足端要達(dá)到的空間位姿的情況下，求出關(guān)節(jié)變量以驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)的功率，使足端的位姿得到滿足。
現(xiàn)在己知足端位姿及各桿結(jié)構(gòu)參數(shù)，
2.2機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析
四足仿生機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)如下圖所示，桿 1 在垂直于行進(jìn)方向的 yoz 面內(nèi)擺動(dòng)，T1 、T2 、T3 為腿部桿件的轉(zhuǎn)矩， m1、m2 、m3 為腿部各關(guān)節(jié)腿的質(zhì)量，d1、d 2 、d 3 分別為腿部桿長度，q 是廣義坐標(biāo)，g 為重力加速度。
圖3-3 四足機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)簡圖
其中，q 表示動(dòng)能和勢(shì)能的廣義坐標(biāo)，q 的倒數(shù)為相應(yīng)的廣義速度，F(xiàn)i 為廣義力。若 q 是直線坐標(biāo)，則相應(yīng)的 F 為力；若 q 為角度坐標(biāo)， F 為力矩。在這里，q 為角度坐標(biāo)，因此得到 F 為力矩。
所以，可得關(guān)節(jié)一的力矩
四足步行機(jī)器人進(jìn)行了正向和逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析，在簡化機(jī)構(gòu)模型上建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)模型可以得到各個(gè)腿、各個(gè)關(guān)節(jié)腿對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的影響，也可以作為此后機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)正確性的驗(yàn)證條件。
第三章 四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
四足步行機(jī)器人是一個(gè)多支鏈、驅(qū)動(dòng)冗余的系統(tǒng)，每條腿上至少有三個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，總共有十二個(gè)驅(qū)動(dòng)，要多于機(jī)器人的自由度數(shù)。因此，四足步行機(jī)器人具有良好的穩(wěn)定性和靈活性，這是輪式和履帶式移動(dòng)機(jī)器人所不具備的。
從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度來分析，機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以看作有一系列連桿通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（或移動(dòng)關(guān)節(jié)）連接起來的開式運(yùn)動(dòng)鏈。開鏈結(jié)構(gòu)使得機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析和靜力分析復(fù)雜化，兩相鄰連桿坐標(biāo)系之間的位姿關(guān)系、手臂末端操作器的位姿與各關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系、末端操作器上的受力和各關(guān)節(jié)力矩（或力）之間的關(guān)系等，均不是一般機(jī)構(gòu)分析方法能解決得了的，而要建立一套針對(duì)空間開鏈機(jī)構(gòu)的特殊的運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)分析方法。末端的位置、速度、加速度和各關(guān)節(jié)力矩（或力）之間的關(guān)系是動(dòng)力分析的主要內(nèi)容，在開鏈結(jié)構(gòu)中，每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)受到其他關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的影響，作用在每個(gè)關(guān)節(jié)上的重力負(fù)載和慣性負(fù)載隨著手臂的形位變化，在高速情況下，還存在不容忽視的離心力的影響，因此，嚴(yán)格地講，機(jī)器人是一個(gè)多輸入多輸出的非線性的強(qiáng)耦合的位置時(shí)變的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，動(dòng)力學(xué)分析十分復(fù)雜，即使經(jīng)過一定程度的簡化，也區(qū)別于一般的機(jī)構(gòu)分析方法。
3.1總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3.1.1 機(jī)器人自由度選擇
通常步行四足機(jī)器人的步行方式采用walk或trot步態(tài)。walk步態(tài)中，四足機(jī)器人的三條腿處于支撐相，而一條腿處于擺動(dòng)相，然后輪換抬腿邁步。抬起的腿從軀體上看是開鏈結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于串聯(lián)機(jī)械臂，而處于支撐相的三條腿構(gòu)成并聯(lián)多閉環(huán)的多自由度機(jī)構(gòu)。trot步態(tài)中，機(jī)器人的對(duì)角腿處于支撐相，同樣為并聯(lián)機(jī)構(gòu)，另兩個(gè)對(duì)角腿處于擺動(dòng)相，為串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)械臂結(jié)構(gòu)。
圖3-1 四足步行機(jī)器人簡化模型
四足步行機(jī)器人在正常行走環(huán)境條件下，各個(gè)支撐腿與地面接觸時(shí)存在摩擦但不打滑，因此可以簡化為點(diǎn)接觸，相當(dāng)于機(jī)構(gòu)學(xué)上的三自由度球面副，再加上踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)分別有一個(gè)自由度，功能是在前后平面上的擺動(dòng)，髖關(guān)節(jié)兩個(gè)自由度（膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)都為單自由度，轉(zhuǎn)動(dòng)副），故每條支撐腿有7 個(gè)自由度， 擺動(dòng)腿4 個(gè)自由度，而軀體可以視為可以自由移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的，因此具有6個(gè)自由度。
設(shè)四足步行機(jī)器人任一時(shí)刻處于支撐相的腿數(shù)為 n（n<4），此時(shí)模型為具有
n 個(gè)分支的空間多閉環(huán)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其自由度計(jì)算公式為
式中：p：運(yùn)動(dòng)副數(shù)量，p=4
f i ：第 i 個(gè)運(yùn)動(dòng)副具有的自由度數(shù)量
L：獨(dú)立封閉環(huán)數(shù)量 L=n-1
li ：第 i 個(gè)獨(dú)立封閉環(huán)所具有的封閉約束條件數(shù)， li =6
f p ：消極自由度數(shù)，為 0
F1和 l0 ：分別為局部自由度數(shù)和重復(fù)約束數(shù)，均為 0
對(duì)于四足機(jī)器人，上式為
F = 3n + 3n - (n -1) ′ 6 = 3′ 4 + 3′ 4 - (4 -1) ′ 6 = 6
足見四足步行機(jī)器人具有足夠的靈活度，并可以呈現(xiàn)需要的姿態(tài)。
3.1.2機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
為了便于后續(xù)加工以及控制元器件安放，四足機(jī)器人的機(jī)體采用箱式剛體結(jié)構(gòu)。通過對(duì)自然界四足哺乳動(dòng)物的觀察，其腿的分布往往是前后平行對(duì)稱分布，足部在前后一定范圍內(nèi)擺動(dòng)。為了行走穩(wěn)定，仿生機(jī)器人在行走過程中，機(jī)體重心的投影必須落在支撐足所構(gòu)成的幾何圖形的形心上，如圖 3.6 所示。因此，機(jī)體設(shè)計(jì)應(yīng)該是對(duì)稱的，且有一定的穩(wěn)定余量。因?yàn)樗淖銊?dòng)物在運(yùn)動(dòng)過程中處于靜不平衡而動(dòng)平衡的狀態(tài)，因此須對(duì)穩(wěn)定性進(jìn)行進(jìn)一步分析。
圖 3-2 足部位置示意圖
3.1.3驅(qū)動(dòng)方式選擇
目前，機(jī)器人常采用液壓驅(qū)動(dòng)、形狀記憶合金、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等幾種方式作為驅(qū)動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)是采用電力設(shè)備，調(diào)節(jié)一系列參數(shù)來實(shí)現(xiàn)傳遞動(dòng)力和控制的一種驅(qū)動(dòng)方式。目前電機(jī)驅(qū)動(dòng)在機(jī)器人設(shè)計(jì)中占有相當(dāng)?shù)谋壤?，其以能量傳遞方便，信號(hào)傳遞迅速，標(biāo)準(zhǔn)程度高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化而成為機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的主流選擇。但是作為四足步行機(jī)器人，電機(jī)驅(qū)動(dòng)承載能力弱、長時(shí)間工作精度降低、反應(yīng)執(zhí)行速度慢，因此不適合作為驅(qū)動(dòng)方式。
形狀記憶合金是一種特殊的合金，一旦使它記憶了任何形狀，即使產(chǎn)生變形，但當(dāng)加熱到某一適當(dāng)溫度時(shí)，它就能恢復(fù)到變形前的形狀。利用這種驅(qū)動(dòng)器的技術(shù)即為形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)技術(shù)。形狀記憶合金有三個(gè)特點(diǎn)：變形量大；變位方向自由度大；變位可急劇發(fā)生。因此，它具有位移較大、功率重量比高、變位迅速、方向自由的特點(diǎn)。這種驅(qū)動(dòng)方式比較適合小負(fù)載、高速度、高精度場合，而且造價(jià)昂貴，故也不適合作為四足步行機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式。
液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以液體為工作介質(zhì)，通過驅(qū)動(dòng)裝置將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓的壓力能，通過管路、液壓控制及調(diào)節(jié)裝置等，借助執(zhí)行裝置，將液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)負(fù)載實(shí)現(xiàn)直線或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在同等功率情況下，液壓執(zhí)行元件體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，各種元件可以靈活布置；液壓裝置工作平穩(wěn)，由于重量輕、慣量小、反應(yīng)快，所以易于快速啟動(dòng)、制動(dòng)和頻繁的換向；操縱控制方便，可以實(shí)現(xiàn)大范圍的無級(jí)調(diào)速；以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和過載保護(hù)，在采用電液聯(lián)合控制時(shí)，可實(shí)現(xiàn)高負(fù)載、高精度、遠(yuǎn)程控制等特點(diǎn)。
因此，我們選擇液壓驅(qū)動(dòng)方式，提供較大功率，并可長時(shí)間工作。
3.1.4傳動(dòng)方式選擇
傳動(dòng)方式主要有機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)和液壓傳動(dòng)四種。
機(jī)械傳動(dòng)又有齒輪、渦輪蝸桿、帶、鏈、輪系傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)要求較高的制造和安裝精度，成本較高，不適宜遠(yuǎn)距離兩軸之間的傳動(dòng)；渦輪蝸桿傳動(dòng)軸向力大、易發(fā)熱、效率低，而且只能單向傳動(dòng)；帶傳動(dòng)外廓尺寸較大，需要張緊裝置，且壽命較短、傳動(dòng)效率低；鏈傳動(dòng)傳動(dòng)平穩(wěn)性較差。步行機(jī)器人要求頻繁變向傳動(dòng)和較高的傳動(dòng)精度，因此，機(jī)械傳動(dòng)不適合作為機(jī)器人傳動(dòng)方式。
電氣傳動(dòng)有精確度高、節(jié)省能源、降低噪音、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但是電氣控制功率普遍較低，不能提供機(jī)器人瞬時(shí)較大的沖擊。在頻繁使用的情況下，精度降低嚴(yán)重，控制時(shí)效性差，因此不推薦使用。
氣動(dòng)傳動(dòng)以空氣為介質(zhì)，工作介質(zhì)容易獲取，處理方便，工作環(huán)境適應(yīng)性好。然而，空氣可壓縮性使得工作速度并不穩(wěn)定，工作壓力較低，總輸出力不宜大于10-40KN。
液壓傳動(dòng)單位質(zhì)量輸出功率和單位尺寸輸出功率大，力矩慣量比大，相同的功率傳動(dòng)時(shí)，液壓傳動(dòng)裝置體積小、重量輕、布局靈活；速度和扭矩可以進(jìn)行無級(jí)調(diào)節(jié)，動(dòng)作響應(yīng)速度快，調(diào)速范圍可達(dá)100:1到2000:1；動(dòng)作控制調(diào)節(jié)簡單，操縱方便省力，便于與電氣控制結(jié)合，以及與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接構(gòu)成自動(dòng)化系統(tǒng)；有采用液壓技術(shù)的設(shè)備安全可靠性好；液壓技術(shù)的可塑性和可變性很強(qiáng)，可以增加柔性生產(chǎn)的柔度，和容易對(duì)生產(chǎn)程序進(jìn)行改變和調(diào)整。
因此，我們選擇液壓缸作為傳動(dòng)執(zhí)行裝置。
3.1.5 設(shè)計(jì)參數(shù)
機(jī)器人采用外膝肘式關(guān)節(jié)布置方式，前后兩對(duì)腿對(duì)稱配置，前腿是膝式關(guān)節(jié)，后腿為肘式關(guān)節(jié)。設(shè)計(jì)出一款行進(jìn)速度不低于0.5m/s，能越過障礙高度不低于0.3m的四足機(jī)器人，
3.2四足機(jī)器人傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)是足式步行機(jī)器人最重要組成部分，其功能的好壞直接關(guān)系到機(jī)器人整體性能的好壞。一款先進(jìn)的機(jī)器人要求有這樣的腿部機(jī)構(gòu)：結(jié)構(gòu)簡單緊湊、容易設(shè)計(jì)，便于協(xié)調(diào)控制；足部運(yùn)動(dòng)空間大，運(yùn)動(dòng)靈活，不存在死點(diǎn)位置；仿生效果好，質(zhì)量輕，負(fù)載能力好。設(shè)計(jì)質(zhì)量高的腿部機(jī)構(gòu)對(duì)于提高機(jī)器人各傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)精度、提高各腿的運(yùn)動(dòng)靈活性、簡化整機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、降低成本和提高步行機(jī)器人的行走能力都有重要影響。
3.2.1典型的腿部結(jié)構(gòu)
步行機(jī)器人的腿部機(jī)構(gòu)在幾十年的發(fā)展中，研究者對(duì)其進(jìn)行了很多研究和改進(jìn)。以下是常用的幾種腿部結(jié)構(gòu)。
a.縮放機(jī)構(gòu)式：該機(jī)構(gòu)屬于閉環(huán)式機(jī)構(gòu)，前進(jìn)驅(qū)動(dòng)容易，便于協(xié)調(diào)控制；具有解耦性，具有較高的能效性。缺點(diǎn)是縮放機(jī)構(gòu)至少需要兩個(gè)線性驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，使得機(jī)械結(jié)構(gòu)較大，質(zhì)量較大；足端運(yùn)動(dòng)范圍小，受驅(qū)動(dòng)距離限制。
b.四連桿機(jī)構(gòu)式：這種機(jī)構(gòu)是一種閉環(huán)式機(jī)構(gòu)，可以用連桿曲線作為足的軌跡，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)方便，具有運(yùn)功解耦特性。但是其結(jié)構(gòu)存在運(yùn)動(dòng)死點(diǎn)，易形成死鎖現(xiàn)象，限制足端運(yùn)動(dòng)范圍，增加了控制難度。機(jī)器人只能執(zhí)行固定的跨步軌跡。
c.并聯(lián)機(jī)構(gòu)式：承載能力強(qiáng)，輸出軌跡柔性可調(diào)；速度快，效率較高。缺點(diǎn)是仿生性能較低。
d.多關(guān)節(jié)串聯(lián)機(jī)構(gòu)：模仿動(dòng)物的腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一種開式結(jié)構(gòu)。各個(gè)桿件通過關(guān)節(jié)連接，優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)范圍大、運(yùn)動(dòng)靈活；機(jī)構(gòu)不存在死點(diǎn)，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單。
綜上所述，為了充分達(dá)到仿生設(shè)計(jì)要求，腿部選擇開鏈?zhǔn)蕉嚓P(guān)節(jié)串聯(lián)機(jī)構(gòu)。
3.2.2 腿部主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
關(guān)節(jié)腿結(jié)構(gòu)，即哺乳動(dòng)物腿部關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。根關(guān)節(jié)軸的方位采用水平放置，其在腿的擺動(dòng)行程終了時(shí)，動(dòng)能和勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)換。由于水平軸根關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)使得腿上部受到的重力彎矩小的多，這樣使得軀體寬度可以設(shè)計(jì)的窄小一點(diǎn)，同時(shí)正向面積也有所減小，有利于穿越野外的樹林草叢或其他狹窄的地域。
圖3-3 根關(guān)節(jié)布置示意圖
腳部采用橡膠材料制成，結(jié)構(gòu)采用近似半圓形，從而可以達(dá)到良好的著地和受力狀態(tài)，并且起到防滑和減震的作用。材料選用：丁苯膠SBR，丁二烯與苯乙烯的共聚合物，與天然膠比較，品質(zhì)均勻，異物少，具有更好耐磨性及耐老化性，但機(jī)械強(qiáng)度則較弱，可與天然膠摻合使用。優(yōu)點(diǎn)：低成本的非抗油性材質(zhì)，良好的抗水性，硬度70 以下具良好彈力，高硬度時(shí)具較差的壓縮性。
根據(jù)腿部外形結(jié)構(gòu)腳部力傳感器采用CXL-102柱式拉力傳感器，可用于拉、壓力值的測(cè)量，輸出對(duì)稱性好，抗偏載能力強(qiáng)?？蛇x擇內(nèi)置式變送器，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)0～10mA、4～20mA或0～5V輸出。量程選用100kg，外形尺寸中外徑恰與腿部外徑相同，綜合精度0.05（線性+滯后+重復(fù)度），靈敏度2.0mV/V，材質(zhì)為合金鋼或不銹鋼。
腿部機(jī)構(gòu)初步設(shè)計(jì)如下圖：
圖3-4 腿部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖
在以trot 步態(tài)行走時(shí)，按照動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行慣性力分析。設(shè)定機(jī)器人行走步幅為0.5m，邁步周期為1s?？梢酝ㄟ^仿真得到周期運(yùn)動(dòng)中，身體的最大瞬時(shí)水平運(yùn)動(dòng)速度為。身體最大瞬時(shí)水平加速度為。 Vmax = 2.262m / s 。身體最大瞬時(shí)水平加速度為 amax = 14.212m / s 2
極限受力狀態(tài)出現(xiàn)在各腿支撐相的開始和結(jié)束的時(shí)候，重點(diǎn)分析這兩點(diǎn)。憑此可以選擇單出桿液壓缸額定壓力：21Mpa；流量 5L/min；活塞橫截面積：3.14cm 2 。驗(yàn)證選擇合理，對(duì)結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)可以采用。
3.3 四足機(jī)器人支撐機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
腿部剛性太大容易造成機(jī)器人巨大的震蕩，增加了安裝精度要求和固定精度，會(huì)影響控制精度和機(jī)械結(jié)構(gòu)的壽命。因此，模仿動(dòng)物腳掌的緩沖原理將最前端腿桿加上彈性環(huán)節(jié)，這樣既減少了沖擊、又可達(dá)到了仿生效果。
彈性阻尼環(huán)節(jié)可簡化為示意圖圖3-5 所示：
圖3-5 彈性環(huán)節(jié)模型
本體質(zhì)量M，彈性模量k。當(dāng)足部受到地面的力為F 時(shí)，彈性環(huán)節(jié)受力
圖3-6支撐相加速度變化 3-7支撐相支持力變化
圖3-8 彈性支撐環(huán)節(jié)三維圖
自此，整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完畢，整個(gè)機(jī)器人Solidworks三維結(jié)構(gòu)模型如圖3-10所示：
圖 3-9 機(jī)器人三維結(jié)構(gòu)圖
第五章 結(jié) 論
經(jīng)過四個(gè)多月的潛心研究和學(xué)習(xí)作圖，我終于完成了這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的圖紙繪制和論文撰寫。在這一段最后的工作里，我學(xué)習(xí)到了很多東西。本次設(shè)計(jì)基本上從對(duì)四足步行機(jī)器的一無所知到能夠設(shè)計(jì)出自己的作品，雖然略顯拙劣，但是基本上可以說是自己獨(dú)立完成自己的畢業(yè)作品。
在設(shè)計(jì)的過程中，這一段時(shí)間基本上是長時(shí)間的學(xué)習(xí)四足步行機(jī)器的國內(nèi)外資料，圖書館中查閱各種圖書以及網(wǎng)上各處搜集方案然后設(shè)計(jì)自己的步行機(jī)器的過程。在作圖的過程中也遇到了不少瓶頸，自己經(jīng)驗(yàn)缺乏，不敢動(dòng)手，還好有老師細(xì)心的指導(dǎo)，終于完成了自己的畢業(yè)設(shè)計(jì)。
本論文首先對(duì)四足步行機(jī)器人進(jìn)行了概括論述，總結(jié)了國內(nèi)外四足步行機(jī)器人發(fā)展的歷程和趨勢(shì)，闡述了四足步行機(jī)器人研究中的關(guān)鍵技術(shù)和指標(biāo)。本文設(shè)計(jì)了一款四足機(jī)器人，進(jìn)行三維圖及二維圖紙的繪制
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致 謝
本設(shè)計(jì)在指導(dǎo)教師XXX導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下完成的，從課題選擇、方案論證到具體設(shè)計(jì)和調(diào)試，無不凝聚著XXX導(dǎo)師的心血和汗水。導(dǎo)師敏銳的學(xué)術(shù)思想，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，認(rèn)真的工作作風(fēng)使我受益匪淺！值此成文之際，特向XXX導(dǎo)師致以深深的感謝和誠摯的敬意
在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中我也學(xué)到了許多了關(guān)于機(jī)器人設(shè)計(jì)方面的知識(shí)，尤其對(duì)四足機(jī)器人有了較全面的了解，對(duì)機(jī)器人設(shè)計(jì)整個(gè)過程有了更深層次的認(rèn)識(shí)。獨(dú)立設(shè)計(jì)能力有了很大的提高。在設(shè)計(jì)過程中我查閱了許多設(shè)計(jì)相關(guān)的資料，使我掌握了查閱文獻(xiàn)的方法，這將對(duì)我以后從事設(shè)計(jì)工作帶來很大的幫助。設(shè)計(jì)中我還使用了AUTOCAD、Solidworks等繪圖軟件，使用這些軟件的能力也有了很大的提高?？傊ㄟ^這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，讓我在大學(xué)里所學(xué)的專業(yè)知識(shí)得以運(yùn)用，使我的設(shè)計(jì)能力有了進(jìn)一步的提高。
同時(shí)，我還要特別感謝其他專業(yè)老師在大學(xué)四年中對(duì)我的鼓勵(lì)和指導(dǎo)，他們?yōu)槲彝瓿蛇@篇論文提供了巨大的幫助。在此我也衷心的感謝他們。
另外，衷心感謝我的同窗同學(xué)們，你們不僅讓我感覺到了友情的力量，也讓我感覺到了生活的愉悅，通過相互討論學(xué)到的思維方式使我受益終生。
最后，衷心感謝在百忙之中抽出時(shí)間審閱本論文的專家、教授。由于本人知識(shí)水平有限，文中不免有不妥之處，敬請(qǐng)各位專家、教授不吝批評(píng)和指正。