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四足步行机器人腿的机构设计【4张CAD图纸】【优秀】

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关键词：: 四足步行机器人腿机构设计 cad图纸

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四足步行机器人腿的机构设计

42页 16000字数+说明书+任务书+开题报告+4张CAD图纸【详情如下】

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大带轮.dwg

小带轮.dwg

机器人腿装配图.dwg

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摘要

　　　本文介绍了国内外四足步行机器人的发展状况和三维制图软件SolidWorks的应用，着重分析了设计思想并对行走方式进行了设计并在此软件基础上四足步行机器人腿进行了绘制，对已绘制的零部件进行了装配和三维展示。展示了SolidWorks强大的三维制图和分析功能。同时结合模仿四足动物形态展示出了本次设计。对设计的四足行走机器人腿进行了详细的分析与总结得出了该机构的优缺点。本文对四足机器人腿的单腿结构分析比较详细，并结合三维进行理性的理解。

关键词：SolidWorks；四足步行机器人腿

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, focused 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 functions. 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 detailed structural analysis, combined with a rational understanding of three-dimensional.

Keywords: SolidWorks; four-legged walking robot

摘要I

AbstractII

前言IV

1 绪论1

　　　1.1步行机器人的概述1

　　　1.2步行机器人研发现状1

　　　1.3 存在的问题6

2四足机器人腿的研究7

　　　2.1腿的对比分析7

2.1.1开环关节连杆机构7

2.1.2、闭环平面四杆机构9

　　　2.2腿的选择与设计11

2.2.1腿的配置形式11

2.2.2腿的步态选择与分析12

　　　2.3腿的设计14

2.3.1腿的机构分析15

2.3.2支撑与摆动组合协调控制器20

　　　2.4 单条腿尺寸优化23

2.4.1数学建模23

2.4.2运动特征的分析25

　　　2.5机器人腿足端的轨迹和运动分析26

2.5.1机器人腿足端的轨迹分析26

2.5.2机器人腿足端的运动分析28

3. 机体设计30

　　　3.1机体设计30

3.1.1机体外壳设计30

3.1.2、传动系统设计30

　　　3.2利用Solid Works进行腿及整个机构辅助设计34

4.结论35

　　　4.1论文完成的主要工作35

　　　4.2结论35

参考文献36

致谢37

　　　机器人的研发和使用现已经成为世界各国的重要科研项目，用它来代替人的操作项目或帮助残疾人完成自己不能完成的项目活动。在工业，手工业，重工业等方面机器人的辅助功能尤为突出，大大提高了工作效率，节省开支。其中，以行走机构较为常见，比如哈尔滨工业大学自主研发的四足机器人来踢足球，几个机器人在小场地上模拟人的足球比赛规则来进行比赛，看来显得妙趣横生。

　　　对其在世界发展角度来讲，中国的机器人发展水平还处于中游水平，但尤为强调的是哈尔滨工业大学，中国中航二集团自主研发的二足，四足及多足机器人都在中国的机器人发展过程中起到极大的积极作用，在工业，航天业更涉及到大众娱乐，发展前景都非常好。

　　　本设计既对四足步行机器人腿进行机构分析设计，我也对此机构的机体在参仿之外做了一系列改进，以及绘制三维图等方面工作。.1步行机器人的概述

　　　步行机器人是一门集仿生学、机械学及控制工程学等多学科融合交汇的综合性的学科，不仅涉及到线性、非线性、基于多种传感器信息控制以及实时控制技术，而且还囊括了复杂机电系统的建模、数字仿真技术及混合系统的控制研究等方面的要求。

　　　步行是入与大多数动物所具有的移动方式，是～种高度自动化的运动。对于环境具有很强的适应性，相对于轮式、履带式及蠕动式移动方式而言，具有更广阔的应用前景。我们从事步行机器人的研究工作，并不是为了追求对复杂系统的研究，而是因为步行机器人的确具有广泛的应用前景，例如在取代危险环境下人类的工作、工厂的维护和不平整地面的货物搬运以及灾害救助等方面。另外，随着社会老龄化程度的不断加深，在护理老人、康复医学以及在一般家庭的家政服务等方面步行机器人也将得到应用。

1.2步行机器人研发现状

　　　上世纪70年代，由于生物学、控制理论和电子技术的发展，人们开始对类人行走进行系统的研究，和村洋、高滨逸郎等人从生理学角度来分析人类的行走，期望对临床应用、假肢设计提供资料。Vukobratovi等人从模拟人的双足步行机械出发，对步行机器人的数学模型、控制算法和步行稳定性、能量分析等问题进行了研究，特别是他所提出的零力矩点(ZMP)概念已经被广泛地应用在腿式机器人的控制中。真正从工程角度对步行机器人进行研究并首次获得成功的是早稻田大学的I．Kat教授等人，他们于1972年推出了WL．5双足步行机器入可以实现步幅为20cm，每步约45秒的静态行走。实验室的成功推动了步行控制技术的飞速发展。近三十年来，步行机器人技术得到飞速的发展。从最初的静态行走只能在平面上行走发展到拟动态行走、动态行走、斜坡上的行走甚至实现跑步。动态行走是步行机器人提高行走速度和研究的必然发展方向。　　

　　　如图1-1所示为通用电气公司的R.S.Mosher和美国陆军的R.A.Liston一起设计开发的四足步行车“Walking Truck”。具有230千克运输能力、乘坐一名驾驶员、高度3.7米、质量1360千克的步行机械系统。该步行车的四个指令杆跟随驾驶员的手和脚动作的液压驱动随动系统，并安装在驾驶员手臂和脚上的位置传感器检测他的动作，液压伺服马达驱动四只脚做相同的动作，该机装有力反馈机构，驾驶员坐在驾驶室里就能够凭感觉知道作用在机械脚上的力是多少。虽然操作费力，但实现了爬越障碍，因而被视为现代行走机构发展史上的一个里程碑。　自20世纪80年代以来，采用行走机构的机器人技术得到了快速的发展，国外的发展领先于国内，国外己研制出一定数量的四足机器人样机少量投入了使用，以下从几个典型的四足行走机构机器人来阐述国外四足行走机构机器人的研究现状。

　　　2004年美国军方发布的“小狗”机器人开展运动学习的研究，，科学家应用“小狗”来探索机器学习、运动控制、环境感知和不确定地形运动之间的基本关系。2009年5月美军又研制出了利用在军事上的“大狗”，如图1-3所示，这个四足机器人由波士顿动力学工程公司（Boston Dynamics）专门为美国军队研究设计。这种机器狗人能够在战场上发挥非常重要的作用：在交通不便的地区为士兵运送弹药、食物和其他物品。它不但能够行走和奔跑，而且还可跨越一定高度的障碍物。该机器人的动力来自一部带有液压系统的汽油发动机。

　　　　　 1.3 存在的问题

　　　　在处理多自由度的步行机器人运动控制中，的确很难将这些方法应用与机器人的运动控制中。基于行为的控制策略在处理多自由度步行机器人这类复杂系统时，行为规则的设计十分困难。因为多关节步行机器人运动学远比轮式移动机器人复杂，建立多关节步行机器人的传感空间到关节运动空间的映射非常困难。

　　　　基于高层规划的控制方式虽己应用于多足步行机器人的步行控制。但随着步行机器人自由度数的增加，系统模型的建立成为控制系统设计中最为繁琐、耗时和困难的环节，而且模型的可靠性并不理想。因此，将神经网络用于机器人步行控制，解决系统中存在的多变量、非线性、变结构问题，是步行控制的合理选择，且在机器人虚拟平台上取得了较好的结果。但在物理实验平台的实际应用研究中，结果并不理想。

　　　　以上的分析可以看出，在多关节步行机器人的运动控制中，传统的运动控制策略或多或少地存在不足之处。其原因是研制能在现实世界象动物那样运动的机器，必须集多学科研究成果之大成，其模型的建立和计算必然极其复杂。为此本文提出虚拟构件的概念来建立四足步行机器人的虚拟模型，借鉴人在解决某些问题时经常采用的直觉方法来控制四足步行机器人的运动，试图从另外一个角度来解决步行机器人的运动控制问题。　　　　四足行走机构的机械部分是机器人所有控制及运动的载体，其结构特点直接决定了机器人的运动学特征。其中，腿部结构形式是行走机构中重要组成部分，也是机械设计的关键之一。因此从某种意义上说，行走机构的分析主要集中在步行机构的分析上。一般地，四足行走机构的设计要求看，步行不能过于复杂，杆件过多的步行机构形式会引起结构和传动的实现困难，对腿部机构的基本要求是：输出一定的轨迹，实现给定的运动要求；具有一定的承载能力；方便控制的要求。目前，国内外学者对步行机器人的步行机构已经作了大量的研究工作，其结构形式多样，主要可以归纳为三类：开环连杆机构；闭环平面四杆缩放式机构；特殊的步行机构。

2.1.1开环关节连杆机构

　　　　在早期的步行机器人研究中，一般是模仿动物的腿部结构来设计步行机构。所有这种机构形式一般都是关节式连杆机构。其优点在于结构紧凑，步行机构能够达到的运动空间较大，且运动灵活，由于关节式步行机构是通过关节链接的，因而在步行过程中的失稳状态下具有较强的姿态恢复能力。不足之处是在腿的主动平面内大小腿的运动之间存在耦合，使得运动时的协调控制比较复杂，而且承载能力较小。

　　　　如图2-1所示为常见的开环关节连杆步行机构的三维模型图形。该机构可分为大、小腿以及髋关节组成。由大小腿组成平面运动机构，髋关节驱动该平面机构从而实现空间运动。可建立如图2-2所示的坐标系，第一关节为髋关节，在点围绕Z轴旋转，髋关节的旋转半径设为；第二个驱动关节为大腿关节，在A点围绕着与大小腿运动平面所垂直的轴旋转，大腿杆长为；第三个驱动关节为小腿关节，在B点围绕与大小腿运动平面垂直的轴转动，小腿杆长度为。同时规定逆时针为正向角。4.1论文完成的主要工作

本文主要完成了一下方面的工作：

理论分析与推导计算

1.单腿的分析

　　　依据几何图形的封闭型条件，得出数学模型，根据数学模型，求出机构尺寸优化的目标函数。应用向量分析法，写出行走机构的足端轨迹的向量方程，并对该向量进行求导，得出足端的运动形式。这就有助于后来的MATLAB编程分析其运动。

2.四腿的组合

　　　行走机构步态的选择和设计，选择了对角线小跑步态。

3.行走机构设计

结合了一个电机带动齿形带及传动轮的转动做到步行状态。

4.2结论

通过对该四足步行机器人腿的理论分析，本文主要得出以下结论：

该行走机构的设计是合理的，其在行走过程中重心横向波动量不大，可以实现其稳定性要求；其具备一定速度能力和一定跨越障碍的能力。

对于该四足步行机器人腿的选择和设计的步态是合适的，能够减少电机的使用数量，增加承载能力。

该腿机构采用了传统的连杆机构，齿形带和蜗杆的相结合是本设计的一大亮点。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

参考文献

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内容简介：: 专业机械设计制造及其自动化学院工程学院姓名马超指导教师刘天翔论文（设计）题目基于SolidWorks四足步行机器人腿的机构设计毕业论文（设计）前期工作小结在做毕业设计前期，主要工作是搜集资料并查阅相关书籍并，上网搜集相关信息。具体内容如下：1.搜集资料：由于机器人方面的原理与本专业所学内容关联内容不是很多，为了更好的学习和掌握相关内容，我在网上图书馆和哈尔滨工业大学的校内图书馆查阅了若干相关书籍，以供参考。2.原理掌握：通过互联网并真实的去哈尔滨工业大学的实验室参观了与我设计的课题很接近的机器人实物来增强我对其工作状态和设计原理的体会。毕业论文（设计）中期工作小结有了充分的前期准备工作，中期主要工作是毕业设计主体的制作。首先是认真的阅读相关书籍，学习机器人腿设计的理论知识，产品的相关要求和一些实用信息。其次是毕业论文的编写，在论文中先对机器人腿的造型和设计原理进行阐述，掌握它的设计特点，对设计中如何进行动力传动设计，以及腿的行走状态设计进行了深入的探讨。对机器腿的整体结构和动力传动作出了重大改动，为下一步的改进做好基础。最后是和机械设计制造专业相结合，领用solidword软件进行了三维动态设计并利用CAD软件绘制设计装配图纸，更加直观的展现产品的特征和形态。指导教师意见指导教师签名：2009 届本科生毕业论文（设计）中期汇报表填表日期：2009-4-28黑龙江八一农垦大学本科生毕业论文（设计）任务书论文题目基于SolidWorks四足步行机器人腿的机构设计学院名称工程学院姓名马超专业班级设计05（1）班指导教师刘天祥课题类型毕业设计毕业论文（设计）的内容摘要此次设计主要是围绕两足行走机构的设计展开的，利用SolidWorks三维画图软件完成各个零件绘制并对其进行动画模拟。毕业论文（设计）基本要求及工作量要求查阅行走机构技术相关文章及机构，了解国内外相关机械的应用。画出机构简图及机构装配图。毕业论文（设计）的主要阶段计划（分前期、中期、后期）前期方案论证，确定方案，完成调研报告、开题报告和外文翻译；中期进行两足行走机构方案的设计和尺寸设计，主要零部件设计，绘制三维零件图，按学院规定的统一规范化要求撰写设计说明书（完成初稿）；后期审查设计准备答辩；毕业答辩；修改毕业设计。任务下发日期2009-3-10完成日期2009-5-20系主任主管教学院长审批（签字）：黑龙江八一农垦大学毕业设计(论文)开题报告学生姓名：学号：专业：机械设计制造及其自动化设计(论文)题目：基于solidworks的四足步行机器人腿机构设计指导教师：年月日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）；4有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2002年4月26日”或“2002-04-26”。毕业设计（论文）开题报告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：文献综述一概述自从人类发明机器人以来，各种各样的机器人日渐走入我们的生活。仿照生物的各种功能而发明的各种机器人越来越多。作为移动机器平台，步行机器人与轮式机器人相比较最大的优点就是步行机器人对行走路面的要求很低，它可以跨越障碍物，走过沙地、沼泽等特殊路面，用于工程探险勘测或军事侦察等人类无法完成的或危险的工作；也可开发成娱乐机器人玩具或家用服务机器人。四足机器人在整个步行机器中占有很大大比重，因此对仿生四足步行机器人的研究具有很重要的意义。二四足机器人的优点四足步行机器人是机器人的一个重要分支。由于四足步行机器人比二足步行机器人承载能力强、稳定性好, 同时又比六足、八足步行机器人的结构简单, 更加受到各国研究人员的重视。在组成四足步行机器人的机构中, 腿机构是最重要的机构。腿机构选择得当, 不仅可以使机器人的机构简单、设计方便, 更重要的是可以大大简化控制方案。由于技术等原因，目前投入使用的采用足式机构的四足机器人较少，但是四足机器人具有很强的环境适应能力，可以在平坦硬质地、沙石地、雪地、松软地、草地等复杂地面行走，可以爬越一定角度的坡面，跨越一定宽度的障碍和沟壑，在不久的将来会在以下方面发挥重大作用: 例如有些农业机械如果安装足式机械底盘，就能够适应旱地，水田，梯田等不同环境，有些矿山机械如安装行走机械底盘，其适应松软路面，大坡度路面的能力就会增强；宇航方面，为星球探测机器人安装上“足”，必将大幅度增强其在星球上的移动能力；战场上的应用，运输、侦察、排雷等；危险及特殊环境下的作业，反恐中的排雷、排爆，星球表面的探测，地震等引发的灾后搜救，核工业中放射性原料的运输、处理等，狭小空间下的作业，废墟、山洞的探测，管道检测、维修等；娱乐、服务、导盲等，在日常生活中足式行走假肢也有很大的应用前景。四足机器人在各个领域均有广阔的应用，可以发挥更为特殊的作用，为此，四足步行机器人的研发更有重大的意义。三四足机器人发展趋势目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究。从机器人技术发展趋势看，四足机器人和其它工业机器人一样，不断向智能化和多样化方向发展。具体而言，表现在如下几个方面：1) 机器人操作机结构：通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，实现机器人操作机构的优化设计。2）探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比。3）机构向着模块化、可重构方向发展。4）机器人的结构更加灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。与国外相比，我国四足行走机构机器人研究相对落后，属于起步阶段，自20世纪80年代中期以来，先后有多所高校开展了这方面的研究并取得了一定的成果。国内具有代表性的采用四足机构的机器人主要包括:如图1-1所示为上海交通大学所研制的二种四足步行机器人，（a）所示的四足步行机器人为采用平面四杆机构作为其步行机构，可以实现跨越障碍，沟槽，上下台阶及通过高低不平的地面有一定识别及步态调整能力；（b）所示的四足步行机器人JTUWM-H也是由上海交通大学研制的关节式哺乳动物型步行机器人。机器人的长、宽、高分别为81厘米、75厘米、30厘米，重37.5千克，腿为开式链关节型结构，膝关节为一纵摇自由度，髋关节为纵摇和横摇两个自由度，各自由度由直流电机经谐波齿轮驱动，用电位器、测速电机作为位置和速度传感器，脚底为直径12厘米的圆盘，是一个被动的纵摇自由度。该机器人为足式机器人的经典结构，但速度缓慢，步行速度0.2千米/时。(a) (b)图1-1上海交通大学的二种四足步行机器人清华大学机器人实验室研制的QW-1全方位四足步行机器人，如图1-1 (a)所示，它采用平面四杆缩放机构作为其步行机构，在足端被安装压力传感器，能够实现全方位步行；图1-1 (b)所示为清华大学所研制的另一种四足步行机器人，它采用开环关节连杆机构作为其步行机构，通过模拟动物的运动机理，实现比较稳定的节律运动，可以自主应付复杂的地形条件，完成上下坡、越障等功能。 (a) (b)图1-2清华大学的二种四足步行机器人四 Solidwork软件的简介 Solidworks主要包括数字化建模、数字化装配、数字化评价、数字化制造以及数字化信息交换等方面。数字化建模是由编程者预先设置一些几何图形模块，然后设计者在造型建模时可以直接使用，通过改变一个几何图形的相关尺寸参数可以产生其它几何图形，任设计者发挥创造力。Solidworks系统是按照系统工程的思想，以工业设计计和为指导的智能型创新性的产品开发设计系统。首先是利用各种信息，在Solidworks系统平台里利用真实感造型设计系统进行形态设计、色彩设计、材质设计和人机设计等方面的语义设计，然后在数字装配系统中实现数字化装配，在综合评价系统中进行美学、语义学等方面的分析评价，提出产品造型方案。最后将最终方案输出到加工设备，加工出产品，投放到市场，之后再收集有关信息，反馈到Solidworks平台，实现再设计。这种方法利用网络和其它平台相连接，使设计人员从一开始就考虑到产品生命周期的所有环节，把设计、制作、使用等方面合理组织起来，及时解决不同环节之间的冲突，充分调动了所有人的积极性和创造性。五应用SolidWorks进行三维设计的优势:设计过程直观简便SolidWorks三维设计直接从三维模型入手，省去了三维与二维之间的转化。设计者可以方便地通过拉伸、旋转、薄壁特征、高级抽壳、特征阵列、钻孔等操作不断改变其结构，最终完成全部零部件的设计。建立模型时，SolidWorks对每个特征尺寸自动赋值，这些数值可随时更改。由于SolidWorks的参数设计功能，实体模型将随特征尺寸数值的变化重新生成，因此修改非常方便。六参考文献1张铁，谢存禧主编.机器人学，第一版，华南理工大学出版社，2001，9、45-472吴广玉，姜复兴主编.机器人工程导论，第一版，哈尔滨工业大学出版社，19883崔正昀主编.机械设计基础，第一版，天津大学出版社，2000，221-224、322-323、412-424、457-4754贾名著主编.工程力学，第一版，天津大学出版社，1998，48-575廖念钊主编.互换性与测量技术基础，第三版，2002，11-196孟宪员源，姜琪主编.机构构型与应用，第一版，机械工业出版社，2004，43、145-146、274、151-152、607-609 7谈欣柏主编.大学物理，第一版，天津大学出版社，2000，2-228成大先主编.机械设计手册，第一版，化学工业出版社，2005，76-84、99-141，157-1609加腾一郎主编.机械手图册，第一版，上海科学技术出版社，1979，50、59、78-79、97、160-17610宗光华等编著.机器人的创意设计与实践，第一版，北京航空航天大学出版社， 2004，25-35、138-150 11卜炎主编.中国机械设计大典机械零部件设计，第一版，江西科技出版社，200212费仁元，张慧慧主编.机器人机械设计和分析，第一版，北京工业大学出版社， 199813宗光华主编.机器人的创意设计与实践，第一版，北京航空航天大学出版社， 200414蔡自兴主编.机器人学，清华大学出版社，200015朱冬梅，胥北澜主编.画法几何及机械制图，第五版，高等教育出版社，2000，205-206、217-224、242-25016周祖德，唐永洪主编. 机电一体化，第一版，华中科技大学出版社，2002 毕业设计（论文）开题报告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：1步行机构对比分析四足行走机构的机械部分是机器人所有控制及运动的载体，其结构特点直接决定了机器人的运动学特征。其中，腿部结构形式是行走机构中重要组成部分，也是机械设计的关键之一。因此从某种意义上说，行走机构的分析主要集中在步行机构的分析上。一般地，四足行走机构的设计要求看，步行不能过于复杂，杆件过多的步行机构形式会引起结构和传动的实现困难，对腿部机构的基本要求是：输出一定的轨迹，实现给定的运动要求；具有一定的承载能力；方便控制的要求。目前，国内外学者对步行机器人的步行机构已经作了大量的研究工作，其结构形式多样，主要可以归纳为三类：开环连杆机构；闭环平面四杆缩放式机构；特殊的步行机构。1.1开环关节连杆机构在早期的步行机器人研究中，一般是模仿动物的腿部结构来设计步行机构。所有这种机构形式一般都是关节式连杆机构。其优点在于结构紧凑，步行机构能够达到的运动空间较大，且运动灵活，由于关节式步行机构是通过关节链接的，因而在步行过程中的失稳状态下具有较强的姿态恢复能力。不足之处是在腿的主动平面内大小腿的运动之间存在耦合，使得运动时的协调控制比较复杂，而且承载能力较小。如图1-1所示为常见的开环关节连杆步行机构的三维模型图形。该机构可分为大、小腿以及髋关节组成。由大小腿组成平面运动机构，髋关节驱动该平面机构从而实现空间运动。可建立如图1-2所示的坐标系，第一关节为髋关节，在点围绕Z轴旋转，髋关节的旋转半径设为；第二个驱动关节为大腿关节，在A点围绕着与大小腿运动平面所垂直的轴旋转，大腿杆长为；第三个驱动关节为小腿关节，在B点围绕与大小腿运动平面垂直的轴转动，小腿杆长度为。同时规定逆时针为正向角。图1-1开环连杆步行机构图1-2开环连杆机构坐标系模型如图1-2所示，当机构运动到某一位置时，设髋关节驱动转动角为，大腿关节驱动转角为，小腿杆驱动转角为，由上图可以建立足端C点的运动轨迹方程：其中：由上式以及图形可知，小腿杆可以在转过大臂上部空间运动（类似于人的小臂运动），所以在运动过程中，由于臂的末端C点可达区域比较大，当髋关节转动时，机构的运动空间将实现三维椭圆状。但是采用此机构用作步行机构，在机器人行驶时，足端的运动范围并不是覆盖了整个可达运动空间，不可能在转过大腿杆时仍能够到达所有区域。综上所述的原因，小腿与地面法线的夹角要在一定的范围之内。如图1-3所示，就将存在小腿的最大转动角度和小腿最大内向（顺时针）驱动角度，此时小腿的摆动约束可表示为：，又有角的求解公式为：令小腿杆在二极限位置、对应的值为、，所以可求得：由上式可知，对于不同的高度值，足端的运动空间在X-Z平面中产生类似椭圆曲线的轨迹，当髋关节转动时，将形成三维的运动空间，如图1-4所示。图1-3小腿的摆动约束图1-4足端运动空间1.2行走机构腿的设计从运动角度出发，足端相对与机身应走直线轨迹，为了在不平地面行走，腿的伸长应该是可变的。从整体的行走性能出发，一方面要求机体能走出直线运动轨迹或平面曲线轨迹（在严重崎岖不平地面），另一方面要求转向。步行行走机构腿部的主要任务：一是支撑着主要由躯体所组成的本体，二是使本体向步行方向移动，此外还必须具有脚部抬起，并向步行方向摆动的动作，若把本体看作固定不动，则足端轨迹如图 2-12（a）所示。图 2-12 足端轨迹图实际的足端轨迹图如图（b）所示，在支撑相描述出比较缓慢的直线段，而在摆动相描绘出快速的凸起曲线段。根据上述，提出四足行走机构中腿机构的要求：1. 腿的足端部相对于机体的运动轨迹形状应如“”。直线段对应的就是足支撑机体的运动轨迹（支撑相），曲线段对应的是脚掌离开地面的足端运动轨迹（悬空项）。2. 为了不至于使行走机构在运动过程中，因机体上下颠簸而消耗不必要的能量，应保证要求中的直线段有一定的直线度。3. 对于要求 1 中曲线段，没有形状要求，但对其最高点有要求，即其高度决定了机器人在起伏不平的地面上的通过能力。4. 在要求 1 中，足端通过直线段的时间与通过曲线段的时间相等，即支撑相的相位角为/2，悬空相的相位角为/2。5. 按要求 1-5 设计的行走机构的四条腿的协调动作顺序要严格要求。1.3还需要行走机构腿的机构分析，尺寸优化及数学建模等一系列分析运算。完成了机体的设计和传动系统的设计接下来实现转向与控制。1.4利用Solid Works进行行走机构辅助设计毕业设计（论文）开题报告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：指导教师：年月日所在专业审查意见：负责人：年月日14基于SolidWorks四足步行机器人腿机构设计学生姓名：指导教师：所在学院：工程学院专业：机械设计制造及其自动化中国大庆2009 年 5 月- 1 -黑龙江八一农垦大学毕业论文（设计）摘要本文介绍了国内外四足步行机器人的发展状况和三维制图软件SolidWorks的应用，着重分析了设计思想并对行走方式进行了设计并在此软件基础上四足步行机器人腿进行了绘制，对已绘制的零部件进行了装配和三维展示。展示了SolidWorks强大的三维制图和分析功能。同时结合模仿四足动物形态展示出了本次设计。对设计的四足行走机器人腿进行了详细的分析与总结得出了该机构的优缺点。本文对四足机器人腿的单腿结构分析比较详细，并结合三维进行理性的理解。关键词：SolidWorks；四足步行机器人腿AbstractIn this paper, fouth inside and outside the two-legged walking robot and the development of three-dimensional mapping of the application of SolidWorks software, focused 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 functions. 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 detailed structural analysis, combined with a rational understanding of three-dimensional. Keywords: SolidWorks; four-legged walking robot目录摘要IAbstractII前言IV1 绪论11.1步行机器人的概述11.2步行机器人研发现状11.3 存在的问题62四足机器人腿的研究72.1腿的对比分析72.1.1开环关节连杆机构72.1.2、闭环平面四杆机构92.2腿的选择与设计112.2.1腿的配置形式112.2.2腿的步态选择与分析122.3腿的设计142.3.1腿的机构分析152.3.2支撑与摆动组合协调控制器202.4 单条腿尺寸优化232.4.1数学建模232.4.2运动特征的分析252.5机器人腿足端的轨迹和运动分析262.5.1机器人腿足端的轨迹分析262.5.2机器人腿足端的运动分析283. 机体设计303.1机体设计303.1.1机体外壳设计303.1.2、传动系统设计303.2利用Solid Works进行腿及整个机构辅助设计344.结论354.1论文完成的主要工作354.2结论35参考文献36致谢37前言机器人的研发和使用现已经成为世界各国的重要科研项目，用它来代替人的操作项目或帮助残疾人完成自己不能完成的项目活动。在工业，手工业，重工业等方面机器人的辅助功能尤为突出，大大提高了工作效率，节省开支。其中，以行走机构较为常见，比如哈尔滨工业大学自主研发的四足机器人来踢足球，几个机器人在小场地上模拟人的足球比赛规则来进行比赛，看来显得妙趣横生。对其在世界发展角度来讲，中国的机器人发展水平还处于中游水平，但尤为强调的是哈尔滨工业大学，中国中航二集团自主研发的二足，四足及多足机器人都在中国的机器人发展过程中起到极大的积极作用，在工业，航天业更涉及到大众娱乐，发展前景都非常好。本设计既对四足步行机器人腿进行机构分析设计，我也对此机构的机体在参仿之外做了一系列改进，以及绘制三维图等方面工作。III1 绪论1.1步行机器人的概述机器人的研发和使用现已经成为世界各国的重要科研项目，用它来代替人的操作项目或帮助残疾人完成自己不能完成的项目活动。在工业，手工业，重工业等方面机器人的辅助功能尤为突出，大大提高了工作效率，节省开支。其中，以行走机构较为常见，比如哈尔滨工业大学自主研发的四足机器人来踢足球，几个机器人在小场地上模拟人的足球比赛规则来进行比赛，看来显得妙趣横生。步行机器人是一门集仿生学、机械学及控制工程学等多学科融合交汇的综合性的学科，不仅涉及到线性、非线性、基于多种传感器信息控制以及实时控制技术，而且还囊括了复杂机电系统的建模、数字仿真技术及混合系统的控制研究等方面的要求。步行是入与大多数动物所具有的移动方式，是种高度自动化的运动。对于环境具有很强的适应性，相对于轮式、履带式及蠕动式移动方式而言，具有更广阔的应用前景。我们从事步行机器人的研究工作，并不是为了追求对复杂系统的研究，而是因为步行机器人的确具有广泛的应用前景，例如在取代危险环境下人类的工作、工厂的维护和不平整地面的货物搬运以及灾害救助等方面。另外，随着社会老龄化程度的不断加深，在护理老人、康复医学以及在一般家庭的家政服务等方面步行机器人也将得到应用。 1.2步行机器人研发现状上世纪70年代，由于生物学、控制理论和电子技术的发展，人们开始对类人行走进行系统的研究，和村洋、高滨逸郎等人从生理学角度来分析人类的行走，期望对临床应用、假肢设计提供资料。Vukobratovi等人从模拟人的双足步行机械出发，对步行机器人的数学模型、控制算法和步行稳定性、能量分析等问题进行了研究，特别是他所提出的零力矩点(ZMP)概念已经被广泛地应用在腿式机器人的控制中。真正从工程角度对步行机器人进行研究并首次获得成功的是早稻田大学的IKat教授等人，他们于1972年推出了WL5双足步行机器入可以实现步幅为20cm，每步约45秒的静态行走。实验室的成功推动了步行控制技术的飞速发展。近三十年来，步行机器人技术得到飞速的发展。从最初的静态行走只能在平面上行走发展到拟动态行走、动态行走、斜坡上的行走甚至实现跑步。动态行走是步行机器人提高行走速度和研究的必然发展方向。如图1-1所示为通用电气公司的R.S.Mosher和美国陆军的R.A.Liston一起设计开发的四足步行车“Walking Truck”。具有230千克运输能力、乘坐一名驾驶员、高度3.7米、质量1360千克的步行机械系统。该步行车的四个指令杆跟随驾驶员的手和脚动作的液压驱动随动系统，并安装在驾驶员手臂和脚上的位置传感器检测他的动作，液压伺服马达驱动四只脚做相同的动作，该机装有力反馈机构，驾驶员坐在驾驶室里就能够凭感觉知道作用在机械脚上的力是多少。虽然操作费力，但实现了爬越障碍，因而被视为现代行走机构发展史上的一个里程碑。图1-1 四足步行车如图1-2所示为世界上第一台四足步行机构机器人KUMO17，它被制造于1976年，其特点是：能够实现在不平地面上稳定步行运动，能够越过地面上较小的障碍物而不接触；能够实现全方位的步行运动而不会出现打滑或者损坏地面的结构；该步行机器人能够成为一个稳定的工作平台，利用腿的自由度执行操作任务。图1-2第一台采用四足步行机构的机器人KUMO自20世纪80年代以来，采用行走机构的机器人技术得到了快速的发展，国外的发展领先于国内，国外己研制出一定数量的四足机器人样机少量投入了使用，以下从几个典型的四足行走机构机器人来阐述国外四足行走机构机器人的研究现状。2004年美国军方发布的“小狗”机器人开展运动学习的研究，科学家应用“小狗”来探索机器学习、运动控制、环境感知和不确定地形运动之间的基本关系。2009年5月美军又研制出了利用在军事上的“大狗”，如图1-3所示，这个四足机器人由波士顿动力学工程公司（Boston Dynamics）专门为美国军队研究设计。这种机器狗人能够在战场上发挥非常重要的作用：在交通不便的地区为士兵运送弹药、食物和其他物品。它不但能够行走和奔跑，而且还可跨越一定高度的障碍物。该机器人的动力来自一部带有液压系统的汽油发动机。图1-3 四足机器人狗加拿大的McGill大学机器人研究室（Ambulatory Robotics Laboratory）研制了Scout-四足步行机器人（见图1-3），结构简单，每条腿只有一个主动转动关节，然而值得注意的是，在每只腿的臀部都装有一个激励源，使得机器人站立时臀部也能有连续的速度。受人和动物步行时使用很少能量摆动小腿的启示，设计者将膝关节设计为被动自由度，依靠上下腿动态耦合实现角度控制。另外，他们设计了一种新型的动态步行步态没有滑翔阶段的动步跳，成功实现了Scout-四足步行机器人在不依靠反馈补偿的控制条件下稳定动步行。加拿大McGill大学的步行机器人实验室(Ambulatory Robotics Laboratory)研制的Scout系列步行机器人,如图1-4所示。该机器人的一个最大的特点就是其步行机构相当简单，每条腿只有一个自由度，能够实现步行、转弯以及跨越90mm的台阶，但可靠性较差，后来对Scout机器人做了一些改进，将步行机构的关节改为被动关节，大大提高了其步行可靠性。图1-4 Scout系列四足步行机器人除了世界各地的研究机构和高效实验室研制的用于科学实验的四足机器人之外，人们还出于商业目的，开发了多种四足步行机器人。最为典型的是Lynxmotion公司推出的四足步行机器人，如图1-5所示，该机器人每条腿，采用平面四杆缩放机构，具有二个自由度，机器人能前向、后腿，左转和右转，并预留有55%的记忆体可供客户做进一步的机器人实验和开发利用。图1-5Lynxmotion的四足步行机器人国内具有代表性的采用四足机构的机器人主要包括:如图1-6所示为上海交通大学所研制的二种四足步行机器人，（a）所示的四足步行机器人为采用平面四杆机构作为其步行机构，可以实现跨越障碍，沟槽，上下台阶及通过高低不平的地面有一定识别及步态调整能力；（b）所示的四足步行机器人JTUWM-H也是由上海交通大学研制的关节式哺乳动物型步行机器人。机器人的长、宽、高分别为81厘米、75厘米、30厘米，重37.5千克，腿为开式链关节型结构，膝关节为一纵摇自由度，髋关节为纵摇和横摇两个自由度，各自由度由直流电机经谐波齿轮驱动，用电位器、测速电机作为位置和速度传感器，脚底为直径12厘米的圆盘，是一个被动的纵摇自由度。该机器人为足式机器人的经典结构，但速度缓慢，步行速度0.2千米/时。(a) (b)图1-6上海交通大学的二种四足步行机器人清华大学机器人实验室研制的QW-1全方位四足步行机器人，如图1-7(a)所示，它采用平面四杆缩放机构作为其步行机构，在足端被安装压力传感器，能够实现全方位步行；图1-7(b)所示为清华大学所研制的另一种四足步行机器人，它采用开环关节连杆机构作为其步行机构，通过模拟动物的运动机理，实现比较稳定的节律运动，可以自主应付复杂的地形条件，完成上下坡、越障等功能。 (a) (b)图1-7清华大学的二种四足步行机器人综上所述，随着控制理论、计算机技术以及多传感器信息融合技术的发展，世界机器人发达国家的学者在步行机器人技术的理论和实验上作了大量的研究，这种现象的出现最可能的解释是步行机器人具有更强的机动性和灵活性，具有更广阔的应用前景。1.3 存在的问题在处理多自由度的步行机器人运动控制中，的确很难将这些方法应用与机器人的运动控制中。基于行为的控制策略在处理多自由度步行机器人这类复杂系统时，行为规则的设计十分困难。因为多关节步行机器人运动学远比轮式移动机器人复杂，建立多关节步行机器人的传感空间到关节运动空间的映射非常困难。基于高层规划的控制方式虽己应用于多足步行机器人的步行控制。但随着步行机器人自由度数的增加，系统模型的建立成为控制系统设计中最为繁琐、耗时和困难的环节，而且模型的可靠性并不理想。因此，将神经网络用于机器人步行控制，解决系统中存在的多变量、非线性、变结构问题，是步行控制的合理选择，且在机器人虚拟平台上取得了较好的结果。但在物理实验平台的实际应用研究中，结果并不理想。以上的分析可以看出，在多关节步行机器人的运动控制中，传统的运动控制策略或多或少地存在不足之处。其原因是研制能在现实世界象动物那样运动的机器，必须集多学科研究成果之大成，其模型的建立和计算必然极其复杂。为此本文提出虚拟构件的概念来建立四足步行机器人的虚拟模型，借鉴人在解决某些问题时经常采用的直觉方法来控制四足步行机器人的运动，试图从另外一个角度来解决步行机器人的运动控制问题。2四足机器人腿的研究2.1腿的对比分析四足行走机构的机械部分是机器人所有控制及运动的载体，其结构特点直接决定了机器人的运动学特征。其中，腿部结构形式是行走机构中重要组成部分，也是机械设计的关键之一。因此从某种意义上说，行走机构的分析主要集中在步行机构的分析上。一般地，四足行走机构的设计要求看，步行不能过于复杂，杆件过多的步行机构形式会引起结构和传动的实现困难，对腿部机构的基本要求是：输出一定的轨迹，实现给定的运动要求；具有一定的承载能力；方便控制的要求。目前，国内外学者对步行机器人的步行机构已经作了大量的研究工作，其结构形式多样，主要可以归纳为三类：开环连杆机构；闭环平面四杆缩放式机构；特殊的步行机构。2.1.1开环关节连杆机构在早期的步行机器人研究中，一般是模仿动物的腿部结构来设计步行机构。所有这种机构形式一般都是关节式连杆机构。其优点在于结构紧凑，步行机构能够达到的运动空间较大，且运动灵活，由于关节式步行机构是通过关节链接的，因而在步行过程中的失稳状态下具有较强的姿态恢复能力。不足之处是在腿的主动平面内大小腿的运动之间存在耦合，使得运动时的协调控制比较复杂，而且承载能力较小。如图2-1所示为常见的开环关节连杆步行机构的三维模型图形。该机构可分为大、小腿以及髋关节组成。由大小腿组成平面运动机构，髋关节驱动该平面机构从而实现空间运动。可建立如图2-2所示的坐标系，第一关节为髋关节，在点围绕Z轴旋转，髋关节的旋转半径设为；第二个驱动关节为大腿关节，在A点围绕着与大小腿运动平面所垂直的轴旋转，大腿杆长为；第三个驱动关节为小腿关节，在B点围绕与大小腿运动平面垂直的轴转动，小腿杆长度为。同时规定逆时针为正向角。图2-1开环连杆步行机构图2-2开环连杆机构坐标系模型如图2-2所示，当机构运动到某一位置时，设髋关节驱动转动角为，大腿关节驱动转角为，小腿杆驱动转角为，由上图可以建立足端C点的运动轨迹方程：其中：由上式以及图形可知，小腿杆可以在转过大臂上部空间运动（类似于人的小臂运动），所以在运动过程中，由于臂的末端C点可达区域比较大，当髋关节转动时，机构的运动空间将实现三维椭圆状。但是采用此机构用作步行机构，在机器人行驶时，足端的运动范围并不是覆盖了整个可达运动空间，不可能在转过大腿杆时仍能够到达所有区域。综上所述的原因，小腿与地面法线的夹角要在一定的范围之内。如图2-3所示，就将存在小腿的最大转动角度和小腿最大内向（顺时针）驱动角度，此时小腿的摆动约束可表示为：，又有角的求解公式为：令小腿杆在二极限位置、对应的值为、，所以可求得：由上式可知，对于不同的高度值，足端的运动空间在X-Z平面中产生类似椭圆曲线的轨迹，当髋关节转动时，将形成三维的运动空间，如图2-4所示。图2-3小腿的摆动约束图2-4足端运动空间2.1.2、闭环平面四杆机构此种形式的机构能够克服开链式结构承载能力低的缺点，具有较好的刚性，并且功耗较小，有着较广泛的应用。如图2-5所示为一种常见的闭环平面四杆步行机构，其中Z轴驱动器用于承担机体的重量或升降机体，而X和Y轴驱动器用于推动机体前进，简化了协调控制。缩放式腿部结构具有比例特性，可将驱动器的推动距离按比例放大为足端运动距离，其缺点是：无论是圆柱坐标还是直角坐标的缩放机构，都至少需要二个线性驱动关节，使得机械结构较大，质量较重，而且机器人足端的运动范围受驱动距离的限制，难以得到大的运动空间。图2-5平面四杆步行机构图2-6平面四杆步行机构坐标系模型我们建立如图2-6所示的坐标系模型。B点髋关节，绕Z轴转动，转角为，悬长为；点为大腿杆的旋转点，杆长为，其与的延长线的夹角为；点为大腿杆的旋转点，杆长为，其与的延长线的夹角为；由此可推出A点的运动轨迹方程为：其中：从所周知，当四杆机构的二杆重合时，机构将会出现死点，为了防止四杆机构存在死点位置，通常的做法是规定一个小腿杆与大腿杆的最小夹角和最大夹角，即在大小腿杆之间的夹角在任何情况下均要满足以下约束条件：。正是由于这种限制，大小腿的运动受到很大的限制，组成了平面运动机构。另外，平面四杆机构有多种演化方式，较典型的有：埃万斯四连杆机构，如图2-7所示为机构的简化形式，用连杆曲线的轨迹作为足端轨迹。该步行机构，设计简单、方便。具有运动解耦特性，而且都能产生近似直线的运动。但由于四杆机构本身存在死点问题，容易产生死锁现象，限制了腿部机构的工作空间。同时增加了控制难度。图2-7埃万斯四连杆机构2.2腿的选择与设计四足行走机构机械设计主要包括腿机构设计、腿的配置形势确定、步态分析。腿机构是行走机构的一个重要组成部分，是行走机构机械设计的关键。2.2.1腿的配置形式四足机构腿的配置有两种，一种是正向对称分布，既腿的主平面与行走方向垂直，令一种为前后向对称分布，既腿平面与行走方向一致，如图2-8所示。本设计机构将选择正向对称分布。图2-8腿的配置形式2.2.2腿的步态选择与分析步态是行走机构的迈步方式，既行走机构抬腿和放腿的方式，由于开发步行行走机构的需要，60年代末，McGhee在总结前人对动物步态研究成果的基础上，比较系统的给出了一系列描述和分析步态的严格数学定义。之后，各国学者在四足，六足，八足等多足步行机构的静态稳定的规则周期步态的研究中取得多项成果，但这些步态的研究基本上局限于平坦地面，并且假设对于不平地面也是合理的。对于严重不平地面（地面上可能有不可立足点存在）的行走步态研究，是从70年代中期开始的，其中包括对非周期步态研究，对自由的分析等等。一、步态的类型凡是四足动物在正常行走时，四条腿的协调动作顺序一般按对角线原则，既如左前腿右后腿左后腿右前腿左前腿如此循环下去。在每一时刻，至少右三条腿着地，支撑着身体，既最多只有一条腿抬起，脚掌离地。因此，对于每条腿的运动来说，脚掌离地时间与着地时间之比为1：3。四足动物除了上述步态之外，还有其他各种步态对角小跑，也叫trot步态，既马或其他四足动物介于快走和快跑之间的一步态，前进时是对角线的双腿共同向前移动。单侧小跑，也叫pace步态，既同侧的两足为支撑足，其余两足为非支撑足的步态。正常行走这三种步态的左右腿相位相差0.5，是对称步态，其余是非对称步态。如图g也叫Bounce步态，动物在快跑时两条前腿或后腿同时跳起的步态。四足步行机构常用的步态还有：爬行步态，四足匍匐步态，四足倾斜步态，四足旋转步态和四足姿态变化步态，等等。二、步态的选择基于本设计对腿的要求及整个机体的选择和一个电机的选择配合蜗杆的使用等原因，所以选择态步行中的trot步态，既处于对角线上的两条腿动作完全一样，均处于摆动相或均处于支撑相，简称对角小跑步态。三、步态的设计步态设计是实现动态步行的关键之一，为达到较理想的动态步行，考虑下列要求：步行平稳、协调、进退自如，无左右摆晃及前后冲击机体和关节间没有较大的冲击，特别是在摆动腿着地时，与地面接触为软着陆。机体保持与地面平行，且始终以等高运动，没有明显的上下波动。摆动腿跨步迅速，腿部运动轨迹圆滑，关节速度和加速度轨迹无畸点。占空系数（一）、腿部动作和占空系数Trot步态的特点是处于对角线上的两条腿1、3或者2.4具有相同相位，既对角线上两腿的动作完全一样，同时抬起，同时放下。图2-3为一个步行周期T中四足机器人的摆动相与支撑相的交替过程。根据占空系数K的大小可分为3种情况：K=0.5在两摆动腿着地的同时，另外两支撑腿立即抬起。此情况为特例。既任意时刻同时有支撑相和摆动相（见图2-10（a）。2.k0.5 机器人移动较慢时，摆动相与支撑相有一短暂的重叠过程，即机器人有四腿同时着地状态 (见图 2-10 (b)。3.k 0.5机器人移动较快时，四条腿有同时为摆动相时刻，四条腿同在空中，尤如马奔跑时腾空状态 (见图2-10 (c)。显然此交替过程要求机器人机构具有弹性和消振功能，否则难以实现，尚有待引入弹性机构。本文研究 k0.5 时的 trot 状态。 (a) (b) (c)图 2-10 占空系数示意图（二）、腿摆动、跨步与机体重心移动顺序起始时对角线上两摆动腿 1 ,3 抬起向前摆动，另两条腿 2 ,4 支撑机体确保行走机构原有重心位置在其支撑腿的对角线上 (见图 2-11 (a)，摆动腿 1 ,3 向前跨步造成重心前移(见图 2-11 (b),此时机器人有摔倒趋势。支撑腿 2 ,4 一面支撑机体，一面驱动相应的髋关节和膝关节，使机体向前平移/ 2 步长。此时机体重心已偏离对角线 2 ,4 中点，将至摆动腿 1 ,3 的中点 (见图 2-11 (c)。图 2-11 腿摆动、支撑与机体重心在机体移动到位时，摆动腿 1 和 3 立即放下，呈支撑态。恰好使重心在支撑腿 1 和 3的对角线稳定区内，原支撑腿 2 和 4 也已抬起并向前跨步 (见图 2-11 (d)，此时重心已接近腿 1 和 3 对角线中点，且随着腿 2 和 4 的向前跨步而继续向前移动。摆动腿 2 和 4 相对机体向前跨步的同时，另两腿 1 和 3 一面支撑机体，一面驱动其相应的髋、膝关节使机体前移/ 2 (见图 2-11 (e)。同时摆动腿向前跨步和随同机体相对支撑腿前移/ 2 ，重心也移到摆动腿 2 和 4 的中点，机体处于跌倒态，在此瞬间摆动腿 2 和 4 与支撑腿 1和 3 交替，使机体重新处于稳定状态 (见图 2-11 (f)，从而完成整个步行周期动作。为了避免机体平移时摆动腿与地面之间产生叩碰，必须保证只有在摆动腿脚底离开地面时机体才能移动 (机体前移动作通过驱动支撑腿的髋、膝关节使机器人支撑腿足底水平后移，由于地面的支撑作用 ,足底和地面位置相对不变而使机体水平前移 )。2.3腿的设计从运动角度出发，足端相对与机身应走直线轨迹，为了在不平地面行走，腿的伸长应该是可变的。从整体的行走性能出发，一方面要求机体能走出直线运动轨迹或平面曲线轨迹（在严重崎岖不平地面），另一方面要求转向。步行行走机构腿部的主要任务：一是支撑着主要由躯体所组成的本体，二是使本体向步行方向移动，此外还必须具有脚部抬起，并向步行方向摆动的动作，若把本体看作固定不动，则足端轨迹如图 2-12（a）所示。图 2-12 足端轨迹图实际的足端轨迹图如图（b）所示，在支撑相描述出比较缓慢的直线段，而在摆动相描绘出快速的凸起曲线段。根据上述，提出四足行走机构中腿机构的要求：1. 腿的足端部相对于机体的运动轨迹形状应如“”。直线段对应的就是足支撑机体的运动轨迹（支撑相），曲线段对应的是脚掌离开地面的足端运动轨迹（悬空项）。2. 为了不至于使行走机构在运动过程中，因机体上下颠簸而消耗不必要的能量，应保证要求中的直线段有一定的直线度。3. 对于要求 1 中曲线段，没有形状要求，但对其最高点有要求，即其高度决定了机器人在起伏不平的地面上的通过能力。4. 在要求 1 中，足端通过直线段的时间与通过曲线段的时间相等，即支撑相的相位角为/2，悬空相的相位角为/2。5. 按要求 1-5 设计的行走机构的四条腿的协调动作顺序要严格要求。2.3.1腿的机构分析步行机器人的腿机构是步行机器人的重要组成部分，在设计腿机构时，要求腿机构能够实现运动和承载的功能，同时又要满足结构简单、方便控制的要求。机器人的腿机构主要分为开式链机构和闭式链机构。开式链机构结构简单，工作空间大，但承载能力小;闭式链机构刚性好，承载能力大，功耗小，但工作空间小。腿机构应满足以下要求：从运动角度出发，足端相对与机身应走直线轨迹，为了在不平坦地面行走，腿的伸长应该是可变的；从整体的行走性能出发，一方面要求机体能走出直线运动轨迹或平面曲线轨迹（在严重崎岖不平地面），另一方面要求转向；从承受载荷方面，腿机构应具备与整机重量想适应的刚性和承载能力；从机构设计要求方面，腿机构不能过于复杂，杆件数量多的腿机构形式，会导致结构复杂难以实现。因此，腿机构设计需要保证实现运动、承载能力要求、结构易实现和方便控制。行走机构的腿机构分为开链机构和闭链机构两大类。开链机构的特点是工作空间大，结构简单，但承载能力小，刚度和精度差，为了克服开链机构的缺陷，发展了闭链机构。闭链机构刚性好，承载能力大，功耗较小，但工作空间有局限性，分析比较，本文选择闭链腿机构进行研究。闭链腿机构应用最广的是平面闭链机构。带平面闭链机构的步行机构多采用双层机架实现转向，也可以在平面闭链机构再增加一个摆动自由度来实现转向。腿机构运动要求的必要条件是：（1）机构所含运动副是转动副或移动副；（2）机构的自由度不能大于 2；（3）机构的杆件数目不宜太多；（4）须有连杆曲线为直线的点；（5）足机构上的点，相对于机身高度是可变的；（6）机构需有腿的基本形状。腿机构的性能要求有：（1）推进运动、抬腿运动最好是独立的；（2）机构的输入和输出运动关系应尽可能简单；（3）平面连杆机构不能与其他关节发生干涉；（4）实现直线运动的近似程度，不能因直线位置的改变而发生较大的变化。全部满足上述各项条件的腿部机构是困难的，在设计时，应以尽可能满足以上条件的腿部机构为努力目标，同时选择或设计最适合的步行腿机构。目前常用的腿机构有以下几种形式：埃万斯机构，正缩放机构，斜缩放机构和拟缩放机构。迄今为止，国内外步行机构腿的基本机构形式不外乎关节型，缩放型和拟缩放型。这些机构虽然各有特点，但也都有不足之处。目前对于哪些机构作为腿机构合适，哪些机构类型较为优越，尚缺乏深入的研究。行走机构腿按照自由度划分为1.一个自由度一个自由度的结构可以由四杆、六杆、八杆等组成。四杆机构只有一个闭环，其运动链基本形式只有一种。六杆机构具有两个闭环，其运动链的基本形式有两种：瓦特型和斯蒂芬型，八杆运动链具有三个闭环，其运动链基本形式有十六种。2.二个自由度二个自由度的机构可以由五杆机构、七杆机构、九杆机构等组成，其运动链基本形式有多种。关节型，缩放型和拟缩放型等相对成熟和使用较多的机构都是两个自由度，两个自由度的行走机构可以实现前进和抬腿两个方向上的独立运动，但两个自由度的机构输入和输出运动关系比较复杂。本设计中，将采用斯蒂芬（Stephonson）型六杆机构作为步行机构，以二杆组作为步行器的大小腿，并使其足端具有符合需要的相对运动轨迹，二杆组的构件应尽量接近于大小腿的结构，以四杆机构作为驱动机构。以二杆组作为腿机构，如图 2-6 所示，A 为跨关节，B 为膝关节，C 作为足端。以二杆组作为腿机构，如图 2-13 所示，A 为跨关节，B 为膝关节，C 作为足端。图 2-13 腿机构示意图步行机构的运动轨迹选为近似矩形的形状，因为此时能够保证有效成功的跨过障碍物，以防止跨过障碍物之前，其足端就落下，从而失去平衡。暂取 BC，AB，并分别为 17cm、9cm，取足端的相对运动轨迹为对称于图 1 的 y 轴，并且当 C 点到达C1 和C2 两端点时，大小腿近似于拉直。这样取得的足端轨迹上的 24 个点的坐标值如表 2-1，这里选定步行机构的步距为 S=14cm，抬足高度 h=5.25cm。表2-1 坐标值表点位置123456789101112X0.7523.254.55.75775.754.53.2520.75Y3333333332.2531.529.528.7528.3828.127.827.75点位置131415161718192021222324X-0.75-2-3.25-4.5-6-7-7-5.75-4.5-3-2-0.75Y27.7527.828.128.3828.7529.531.532.2533333333下面分析绞链点D的轨迹，按照图2-13说所建立的坐标，首先建立D的位置方程 (2-1) (2-2)因为AB为大腿的长度，其为所取的定长，列方程 (2-3)把式(2-1),(2-2)代入式(2-3)，并简化得 (2-4)式(2-4)查询数学手册，可以解得： (2-5)其将用C点的位置坐标表示后，可得D点的位置坐标 (2-6) (2-7)式(2-6)，(2-7)中的和是决定D点相对于动杆BC位置的参数，两个参数不同，D点连杆曲线也不同，当和取一系列不同数值时，可以绘制出D的图谱如图2-14。图2-14 图谱D点轨迹由一个四杆机构实现，为了驱动方便，取四杆机构为曲柄摇杆机构。对照四杆机构图谱，只有，能在图谱中找到，综合考虑D点轨迹与图谱连杆曲线一致性以及机构具有好的构形，确定D的位置尺寸为，相应四杆机构为下图2-15。图215 四杆机构图其连杆点与D点轨迹具有相似的形状，该四杆机构的相对尺寸为：将相对尺寸折合成绝对尺寸为：（单位为cm）根据D1与D点轨迹相等的原则，进行装配，其装配尺寸为：其装配后的图形为图2-16所示：图2-16装配图2.3.2支撑与摆动组合协调控制器(1)问题的提出由于设计上的限制，四足步行机器人在关节层面上设置驱动器，关节层面的驱动空间是非直觉的。描述关节运动的数学方程一般都使用三角函数，引起的非线性控制问题，常常难以理解和形象化。例如，怎样确定躁关节、膝关节和艘关节的转矩才能取得四足机器人的协调平滑运动呢?用逆运动学方法，以足底轨迹求得关节转角，进而驱动关节实现机器人运动，虽可实现四足机器人的动态步行，但运动的平滑性较差。这是因为，该控制方法在关节空间上采用直接位置控制驱动关节，而不是直接考虑关节空间的驱动力矩。在四足机器人动态步行时，摆动腿的非直接力矩控制，对运动的平滑性影响并不明显，摆动腿的摆动效果也不错。但在控制支撑腿关节运动时，由于支撑腿与地非铰链连接，且支撑腿需驱动机器人机体向前运动，不直接考虑关节空间驱动转矩的关节位置控制方法，对运动的平滑性带来了不利的影响。此控制方法不适合支撑腿的驱动控制。(2)虚拟模型直觉控制解决方案为使机器人系统控制简单、直观。美国麻省理工学院的Prat提出了虚拟模型控制的概念步行机器人虚拟模型控制的要素是虚拟构件和虚拟模型。虚拟构件是连接机器人末端和本体的假想结构，它将描述末端行为的期望变量转变为作用于末端的广义虚拟力，虚拟构件可以是虚拟弹簧、阻尼器甚至肌肉等任何假想的元件。虚拟构件的选择取决于末端的期望运动。期望运动确定了虚拟构件的参数，并由虚拟构件产生末端的虚拟力。虚拟模型将广义虚拟力映射为相关的实际关节转矩。广义虚拟力的关节转矩映射，通过推导末端到本体的运动学、计算本体到末端串行连杆的雅可比矩阵、雅可比矩阵将虚拟力映射为实际关节转矩，这三个步骤实现。图2-17应拟模型拉制器的构成图由末端的期望位置到实际关节转矩的映射示意如图2-17所示。在虚拟模型控制中虚拟构件用于描述机器人的期望行为。步行运动变化为虚拟构件的参数调整。如果期望机器人维持某一高度可以在机器人本体和地面之间连接一个虚拟弹簧构件。机器人本体的维持高度可以通过改变弹黄系数来调节。利用虚拟构件可将期望的机器人行为转变为作用于机器人上的一般虚拟力。虚拟力通过虚拟模型映射成关节转矩。当实际转矩作用于关节时，机器人的行为就像真的有虚拟构件作用于其上一样。本文将Pra“的虚拟模型控制概念，推广并应用到JTUWM-II的对角小跑动态步行。对角小跑位于对角的两腿动作完全相同，或与地接触支撑机体，或摆动向前找寻新的支撑点。对角支撑交互，完成步行运动。针对支撑腿控制采用传统方法机体平滑性较差这一现象，提出以虚拟模型控制实现对支撑腿的控制，对摆动腿的控制仍然采用，以足底轨迹映射关节空间位置的传统方法。虚拟模型控制的一个重要步骤是确定物理本体和末端，设计期望的运动变量。将虚拟模型控制用于支撑腿的控制时，通常设置足底为本体，机体为末端。一旦确定了本体和末端，下一个关键步骤是设计一个有效的虚拟构件。设计的基础来源于经验和直觉.确定末端期望位置、速度或力之后即可构造虚拟构件，通过虚拟模型的输出实现对期望任务运动所需的实际关节转矩。(3)支撑与摆动组合协调控制器虚拟模型控制特别适合控制诸如步行、奔跑、跳舞等复杂任务，为了实现四足机器人的步行控制任务，必须将步行这一复杂的任务分解成多个子任务。例如四足步行机器人的对角小跑动态步行，可分解为稳定机体高度，稳定机体俯仰，稳定步行速度，摆动腿摆动，支律腿转换等子任务。一旦步行运动的子任务确定，就可根据子任务的特点选择机器人腿的运动形式，是支撑，还是摆动，或者二者的组合。并设计相应的控制器。对于上述的几个子任务，只需在低层关节空间设计相应的摆动腿控制器和支撑腿控制器，并设计一个高层的支撑与摆动组合协调控制器(SSCC)协调这些控制器就可完成所分解的任务。针对某一任务的控制器的类型和数目取决于该任务的复杂程度以及对高层控制器的期望复杂程度。选择正确的子任务往往是成功设计控制器的关键。一旦四足机器人的摆动腿和支撑腿控制器设计完成，高层的控制器就可根据步行任务建立简单的控制算法，在相应的控制器间进行切换控制，或同时使用。对角小跑步行的支撑与摆动组合协调控制器简单算法的输入为步行速度和机体高度等，为摆动腿和机体的期望运动。步行控制算法的简单特性归因于支撑腿控制器利用虚拟模型化解了关节控制的复杂性。直觉分别控制足和机体的运动。支撑与摆动组合协调控制器的结构框图如图所示。图2-18四足机器人对角小跑支撑与摆动组合协调控制器框图(4)支撑腿控制器四足机器人以对角小跑步态步行时，依靠对角两腿支撑，通过对角支撑交互完成步行。的运动取决于支撑腿对应关节间的相互协调。步行任务对支撑腿关节有很高的一致性要求，得足与机体间的连杆在关节空间的描述相当复杂。当采用基于虚拟模型地直觉控制策略时，控制器就可使用一组基于直觉的输入，如，位置、速度和力，并运用虚拟模型简化关节空间的复杂性。由于并行连杆对机体的运动起作用，在此场合机体被认为是末端。足设置为本体。图2-19四足机器人对角支撑腿桂制器框圈机体的期望位置由虚拟构件转化为广义虚拟力，并通过力分布函数，分解为作用于前后腿的广义虚拟力，并由虚拟模型转化为实际的关节转矩，驱动机体至期望的位置。(5)摆动腿控制器摆动腿的控制采用基于摆动腿足底轨迹，以逆运动学理论规划关节空间轨迹的传统方法，摆动腿控制器的输入是摆动腿足底的期望位置，输出是摆动腿关节的实际位置。将前后摆动腿的控制器结构设计得相同。尽管在两摆动腿之间，将足底期望位置转换为关节位t的任务是相互独立的，摆动腿的控制也是相互独立的。且摆动腿的摆动并不象对角支排腿那样，要求具有很高的动作一致性。这里将单腿摆动控制器设计的一样并结合在一起考虑。这是因为对角摆动腿的相互协调，可对步行的稳定性产生有益的影响。由第三章对倒立摆的分析可知，在恰当时刻合理地摆动双腿，可使动能和势能的转换朝有利于机器人运动的方向发展。2.4 单条腿尺寸优化2.4.1数学建模据几何图形HGEFH，HGEDBAFH的封闭型条件，得到两个方程：(2-8) (2-9)式(2-8) ， (2-9)中分别用表示了和，既： (2-10) (2-11)引入符号： (2-12) (2-13) (2-14)(2-15)(2-16) (2-17)在机构的第i和位置，AD间的距离为：引入符号：(2-18) (2-19)在机构的第i个位置，此时足端C在坐标系xAy下的位置坐标为： (2-20) (2-21)按照表1给出的足端第i个点位的坐标为(),则进行机构尺寸优化的目标函数可建立如下： (2-22)其中，为计算因子，根据具体要求选定，一般在足端着地的各点位上，为保证机构运动的平稳，可取大一些；在足端离地的各点位上，可取小一些，优化设计变量为：优化设计的约束条件主要是：机构的封闭性条件，曲柄存在条件，及腿部的构形条件，既：2.4.2运动特征的分析衡量该机构传动特性的指标为传动角和，如图2-9所示，根据数学模型，可以计算出传动角。 (2-23) (2-24)此时l为AD的长度：当在范围变化时，通过MATLAB编制程序，由式(2-23)，( 2-24)计算可知，的变化范围为，可以知道传动特性比较好；同时的变化范围是，的极小值较小，因此传动特性有待进一步改善和提高。2.5机器人腿足端的轨迹和运动分析2.5.1机器人腿足端的轨迹分析如图2-17建立坐标系xoy，z轴垂直纸面向里，足端的轨迹，既是C点在xoy下的位置坐标方程。向量方程为：写到坐标系xoy中： (2-25)引入中间角度变量：上式中由式(2-10)，(2-11)可以求解和，式子中的为式(2-12)至(2-17)所表示。 (2-26) (2-27)图2-17 坐标系图其有两个解，但是根据实际情况，两者前面都应该取负号，用MATLAB的plot函数画图，当取正号的时候，图形不封闭，故两者同时取负号。根据表2-1中给的数据，得到预想设计的轨迹图为下图2-18所示。图 2-18预想设计的轨迹图同时根据优化出来的尺寸，用MATLAB模拟的腿的轨迹如下图 2-19所示：图2-19用MATLAB模拟的腿的轨迹由MATLAB所绘出的图，可以看出优化出来的尺寸，实际轨迹与预先设计的轨迹是相符的；同时，该优化出来的尺寸也满足预先选定步行机构的步距S=14cm，抬足高度h=5.25cm的要求。2.5.2机器人腿足端的运动分析由上面分析，可以知道端点的位置坐标为：为主动杆的角度，其为匀速运动，故（其中为常数）对上式两边进行求导，可得：(2-27)分别对式(2-12),(2-13),(2-14)两边求导，得到： (2-28)对式(2-10),两边求导得到： (2-29)将式(2-28)代入式(2-29)，化简可得： (2-30)对式(2-15)，(2-16)，(2-17)两边求导得到： (2-31)根据式(2-11)，两边求导得： (2-32)把式(2-31)代入(2-32)就可以求出与的数学关系式。由式(2-27)，可以知道速度在X ，Y方向的分量为：把所求出来的，的表达式代入，就可以求出速度行走机构足端的速度；此过程可以用MATLAB进行编程计算，并可以画出速度图，如图2-20.图2-20MATLAB得出的速度图3. 机体设计3.1机体设计机体的设计包括了构成腿的各杆的设计，传动部件的设计，机体的设计，以及各个不见的安装设计。行走机构的机体一般取长方形长方体，考虑其稳定性，重心要大概在机体对角线的交点上。尽管如此，在步行时由于脚的位置前后变化，有时还在左右，以及地面环境的影响，使得重心常落到支撑面的边缘或外面，发生翻转，再加上转弯和爬坡，原有重心配置维持艰难，这也是导致目前四足步行速度低，步幅小的重要。为保持步行稳定，可以采取配置调节重心。配重可以采用蓄电池或者其他。3.1.1机体外壳设计本行走机构的机体一般取。机体取B为350mm，前后两腿之间的距离B为450mm，机体高H为400mm，长L为850mm。其三维图形如下3-1图所示：图3-1 机体外壳三维图3.1.

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