基于SolidWorks四足行走机构的虚拟设计及动画模拟【三维SW】【CAD高清图纸文档可编辑】
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专 业机械设计制造及自动化学 院工程学院姓 名张杰指导教师刘天祥论文（设计）题 目基于SolidWorks四足行走机构的虚拟设计及动画模拟毕业论文（设计）前期工作小结 前期我主要完成了与课题相关的分析工作，通过对相关的文献资料进行细统的搜集、分析，选出了与设计有关的资料备用，分析了一些多足行走机构的结构与构造的情况，以及查阅四足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。拟定了设计对象，对整体进行了系统分析，寻找最佳设计方案，按时完成了前期的工作计划，并开始为下一阶段的设计做准备毕业论文（设计）中期工作小结 经过前期大量的资料收集后选择了四足行走机构为本次设计的对象，结合以前所学的知识，查阅四足行走机构技术相关文章及机构，对其进行了结构分析及工序安排，并制定了其加工工艺，编写了加工的程序清单，完成了加工用量的选择和相应计算，制定了相应加工的工艺卡片。在此过程中所遇到的问题通过与老师沟通，大部分已经得到解决，并开始着手最后阶段的设计工作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：2009-4-29学士学位毕业论文（设计）基于Solid Works 四足行走机构的虚拟设计及动画模拟学生姓名：张杰学 号：20054024120指导教师：刘天祥所在学院：工程学院专 业：机械设计制造及自动化中国大庆2009年6月 黑龙江八一农垦大学毕业设计(论文)开题报告学生姓名： 张杰 学 号： 20054024120 专 业： 机械设计制造及自动化 设计(论文)题目： 基于SolidWorks四足行走机构的虚拟设计及动画模拟 指导教师： 刘天祥 2009年3月19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 文 献 综 述1.1四足机器人仿真研究的意义机器人是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物，也是二十世纪高技术发展的一个重要内容，从1948年出现第一个遥控机械手至今，其已有近半个世纪的发展历史。第一代遥控机械手诞生于194年美国的阿贡实验室，当时用来对放射性材料进行远距离操作，以保护原子能工作者免受放射线照射。自动化技术的发展，特别是计算机的诞生，推动了现代机器人的发展。20世纪50年代是机器人的萌芽期，其概念是“一个空间机构组成的机械臂，一个可重复编程动作的机器”。1954年美国戴沃尔发表了“通用重复型机器人”的专利论文，首次提出“工业机器人”的概念。第一台工业机器人诞生于1956年，是英格尔博格(J.Engelberger)将数字控制技术与机械臂相结合的产物。这台机器人可通过编程来灵活地改变作业程序。当时，主要是为了克服串联机构累计的系统误差，以便达到较高空间定位精度。为此提出了示教再现的编程方式，从而使重复定位精度差不多比绝对定位精度提高了一个数量级。至今绝大部分使用中的工业机器人仍采用这种编程方式。第一台工业机器人的商用产品诞生于1962年，当时，其作业仅限于上、下料。随着传感技术和工业自动化的发展，20世纪60年代中后期，工业机器人进入成长期，机器人开始向实用化发展，并被用于焊接和喷涂作业中。20世纪70年代随着计算机和人工智能的发展，机器人进入实用化时代。日本虽起步较晚，但结合国情，面向中小企业，采取了一系列鼓励使用机器人的措施，其机器人拥有量很快超过了美国，一举成为“机器人王国”。20世纪80年代，机器人发展成为具有各种移动机构、通过传感器控制的机器。工业机器人进入普及时代，开始在汽车、电子等行业得到大量使用，推动了机器人产业的发展。为满足人们个性化的要求，工业机器人的生产趋于小批量、多品种。20世纪90年代初期，工业机器人的生产与需求进入了高潮期:1990年世界上新装备机器人81000台，1991年新装备76000台。1991年底世界上己有53万台工业机器人工作在各条战线上。随后由于受到日本等国经济危机的影响，机器人产业也一度跌入低谷。近几年随着世界经济的复苏，机器人产业又出现了一片生机。20世纪90年代后期还出现了具有感知、决策、动作能力的智能机器人，产生了智能机器或机器人化机器。随着信息技术的发展，机器人的概念和应用领域也在不断扩大。从科学幻想、工艺精品到工业机器人，从程控机器人、传感机器人、交互机器人、半自主机器人到自主机器人，从操作机器人、生物机器人、仿生机器人到拟人机器人和机脏人，机器人已走过漫长的“进化”过程。目前，世界上己有近百万台各式各样的机器人正服务于各行各业，为人类做出了巨大贡献。无疑，机器人的诞生是20世纪人类科学技术的重大成就。由于特定环境的需要，步行机器人一直以来是人们研究的一类重要机器人，具有其它机器人所不能及的空间活动范围，是人类进行科研探索活动不可替代的重要工具。四足机器人便是步行机器人中较为重要的一类，具有广泛的应用领域。例如，日本索尼公司推出的智能玩具机器狗AIBO，就是一个典型的四足机器人动物仿生产品，它涉及到了计算机技术、电子学、机械学、力学等多个学科领域的知识，具有相当的技术难度。在机器人的研制中，机器人仿真是机器人研究的一项很重要的内容，它涉及机器人机构学、机器人运动学、机器人零件建模、仿真机器人三维实现和机器人运动控制，是一项综合性的有创新意义和实用价值的研究课题。仿真利用计算机可视化和面向对象的手段，模拟机器人的动态特性，帮助研究人员了解机器人工作空间的形态及极限揭示机构的合理运动方案及有效的控制算法，从而解决在机器人设计、制造以及运行过程中的问题，避免了直接操作实体可能会造成的事故或者不必要的损失。在机器人实际应用项目的开发之前，如果利用机器人仿真软件先制作出设计方案中的机器人模型，为机器人本体结构方案设计提供参考依据，并在这台“机器人”上模拟能都实现的功能，使用户直接看到设计效果，及时找出缺点和不足，进行改进，这将使机器人的研究及生产进入一个可预知结果的新时代。一个新的机器人工作编制完后，先在仿真软件中观察操作运行结果，分析检验轨迹规划和作业规划的正确性与合理性，实时检测机器人与作业环境之间的碰撞与干涉以保证整个生产单元的安全，避免因指令编写错误而引起的机器和材料的损伤，为离线编程技术的研究提供一种极为有效的验证手段。同样，在四足机器人的研制中，四足机器人仿真研究是开发四足机器人产品的基础，例如四足机器人运动学设计问题，由于没有一定的运动规律可以直接应用，所以在具体实现中往往要采用观察和试验的方法来解决。采用实物进行观察和实验耗费的人力和物力较大，而且对设计参数的调整也不方便。采用计算机仿真技术，可以预演或再现系统的运动规律或运动过程，还可以对无法直接进行试验的系统进行仿真试验研究。由此可见，机器人仿真在机器人的研制、设计、开发应用中正起着越来越重要的作用，它可以避免大量的物力、人力的浪费;可为机器人本体结构方案设计提供参考依据;对机器人的运动进行仿真，改善机器人的运动参数;对机器人的视觉和视景进行仿真，提高机器人的智能识别能力:帮助研究人员了解机器人工作空间的形态及极限:可用于分析检验轨迹规划和作业规划的正确性与合理性;可为离线编程技术的研究提供一种极为有效的验证手段;可用于实时检测机器人与作业环境之间的碰撞与干涉以保证整个生产单元的安全。此外，仿真技术还可帮助用户选择适合特定作业的机器人产品类型。，1.2国内外研究现状人类为扩大自身活动空间，开发宇宙、海洋，通过研究和模仿动物甚至人类自身，而设计、创造了对自然环境具有高度适应能力的步行机器人，四足机器人便是其中的一种。早在1966到1977年，美国R.B.MCghee和A.A。Frank在加利福尼亚大学便设计了名为加利福尼亚马的电动四足步行机。同时，1968年美国通用电气公司R.S.Mosher与美陆军移动系统实验室R.A.LISton合作制成一种四足步行机实用样机。不过，早期的这几种四足机器人设计比较简单，只是一种雏形。直至1988年，日本机械研究所研制成能动步行四足步行机器人，是一种设计比较完整的四足机器人，但距离真正的使用还有一定的差足巨。我国对步行机构研究历史较早，但由于失传至今无法复原。多足步行机构取得成就应该说是在80年代。在国家高技术项目支持下，上海交通大学研制成全方位四足步行机器人(JTUwM一l)，采用缩放机构，成功地实现四足静步行移动，但其距离国际先进水平还有一定差足巨。随着机器人研究的不断深入和机器人领域的不断发展，机器人仿真系统作为机器人设计和研究的安全可草、灵活方便的工具、发挥着越来越重要的作用。近年来己有许多功能齐全的商品化CAD软件包问世。在国外，有专门为制造行业设计的机器人仿真平台，例如，美国的ROBSM，英国的SAMMIE，以色列ROBCAD和Denab公司的Ev151on软件;国内许多高等院校及研究所(例如清华大学、浙江大学、沈阳自动化所、上海交大、华中理工大学等)也做了大量的工作，推出了一些软件系统。这些大型软件系统主要用于机器人仿真和离线编程以及运动学和动力学的分析研究。他们的共同特点是:人机界面良好，易于用户再次开发，图形逼真，计算速度快。但是，这些软件不仅价格昂贵，而且对硬件要求较高，大多数32位工作站上运行，使得一般用户不敢问津。例如，RoboCAD虽然是专门为机器人仿真设计，功能齐全，但价格昂贵，不适合普遍推广。Evision有一个专门的零件库，里面收集了各种机械结构的零部件，操作简便，功能强大，其仿真效果基本上考虑了客户可能的各种需要，但正因如此，反而不能兼顾一些客户的特殊的个性化要求，并且成本也是居高，使用这一软件还需要经过专门的培训，都不利于其推广使用。各种机器人研究项目中对仿真软件的需求侧重点不同，对不断更新的机器人型号、机器人应用类型，需要有相应的仿真演示。而现成软件的模式、内容都是固定的，不利于变动性大的研究。目前情况，机器人行业对操作简单、可满足基本仿真功能、成本低的软件具有较大的需要，所以进行这方面的研究，在工程上和市场上都有较高的实际价值。由于四足机器人本身特点在实际应用中的局限，自20世纪90年代以来，四足机器人的研究一直没有较大的发展。直到近几年，仿生产品市场的发展刁有效地促进了四足机器人的研究，其中日本索尼公司的AIBO机器狗便是最好的例证。在此同时，由于计算机技术的高度发展，也相应的改变了四足机器人的研究方式，是以实物为主体的实验形式逐步被以实物和计算机相结合的新形式所替代，计算机仿真技术的应用，有效地促进了四足机器人研究的发展，避免了人力、物力的浪费。但是，目前国内四足机器人仿真没有成型软件，只有一些不成熟的针对四足机器人某一方面的简单仿真，尚无真正用来进行四足机器人仿真的成形工具。参考文献1王正中.屠仁寿.等.现代计算机仿真技术及其应用.国防工业出版社.1991.32熊光楞.数字仿真算法与软件.宇航出版社.1991.83白建军.朱亚平等.openGL三维图形设计与制作.人民邮电出版社.1999.84(美)KateGregory.Visuale+6开发使用手册.机械工业出版社.1999.25孙家广等.计算机图形学(第三版).清华大学出版社.1998.36吴重光.仿真技术.化学工业出版社.2000.57蔡自兴.机器人学.清华大学出版社.2000.98蒋新松.机器人学导论.辽宁科学出版社.19939林锐，石教英等.基于OpenGL的可复用软构件库与三维交互设计.计算机研究与发展.2000.37(11)10冯惠军，冯允成等.面向对象的仿真综述.系统仿真学报.1995.7(3)11屠仁寿，李伯虎等.当前仿真方法学发展中的若干问题.系统仿真学报.1998.0112张三元，孙守迁等.数字化仿真人体模型的设计方法.系统仿真学报.2000.12(l)13胡建宏，马永光等.在线式图形建模与仿真研究.计算机仿真，2000.17(1)14李洪儒，冯振声等.面向对象仿真的基本概念框架研究.计算机仿真.2000.17(5)15崔刚，王申科等.接口系统中若干技术的研究与设计.计算机工程与科学.1997.0316毛卫强，潘云鹤.植物三维建模方法综述.计算机科学.2000.27(6)17王坤兴.机器人技术的发展趋势.机器人技术与应用.1999TP0218蒋新松.未来机器人技术发展方向的探讨.机器人.1996.18(5):285一29119蒋新松.未来机器人技术的发展方向.机器人技术与应用.1997TP0120方浩.可视化技术研究及其在机器人设计中的应用.机器人.1998TP0521李大生一个智能化的机器人仿真系统.机器人.1989TP0122崔培莲.微机机器人仿真系统pCROBSM，孙增沂.机器人.1995TP0523艾海舟，张拔.基于行为的移动机器人仿真实验系统.机器人.1994TP0124马洪斌等.四足机器人运动学仿真技术的研究.青岛大学学报.2000.1225 NemeeB，Lenareie.J，Arobot simulation system based on kinematic analysis.Robotica，1985;3:79一84.26 LiegeisA，BorrelP，Dombre.Progranuning simulation and evaluation of robotaetion.Symp.On Roboties Researeh，Kyoto，1984:309一31627 FrankC.Park.Computational Aspeets of the Product-of-Exponentials FormulaFor Robot Kinematies.IEEE Trans Auto Contr，1994，39(3):643一647 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本课题的主要研究内容本课题对四足机器人仿真进行研究，主要研究内容有:(l)四足机器人建模一个完善的面向机器人运动学的图形仿真系统，首先必须解决的问题是如何方便、有效地在计算机中建立机器人世界(包括机器人本体及环境)的数学模型及几何模型。设计一个一适应现代产品设计要求的模型以及如何方便、有效地利用现有的几何造型系统建立四足机器人的模型，便是建模的首要问题。(2)四足机器人运动学仿真和动力学研究设计合理的机器人运动学模型以及如何根据机器人几何模型生成其运动模型，是机器人运动学图形仿真解决的主要问题，也是计算机图形仿真与机器人运动学之间的桥梁。根据机器人运动学的特点及基本要求，四足机器人运动学仿真首先必须解决机器人各种运动形式的步态设计问题，其次，在此基础上，运用运动学和逆运动学原理，研究建立四足机器人机构运动的运动学模型，设计调整各种基本运动如行走、转弯等的控制参数。在运动学仿真的基础上，如何根据运动学仿真结果建立四足机器人的动力学运动方程是动力学研究的主要问题。2研究方法1.采用三维造型软件solldworkS建立四足机器人的本体结构，然后在保持模型质量、质心位置和转动惯量等物理信息和几何信息不变的条件下，对模型进行简化。2.采用Parasolld文件传输标准，利用ADAMS的专业图形接口模块ADAMs尼xchange，把在501记works环境下建立的简化后的模型导入ADAMSMew中。在ADAMSMew环境下，根据实际情况添加相应的约束、驱动和力。3.进行仿真，并将仿真过程保存在AVI格式的电影文件。 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11黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文）I摘要摘要本文根据目前国内外行走机构的研究现状，提出一种四足行走机构的设计与动画模拟。按照预定的轨迹，设计单条腿，并建立单条腿机构的数学模型，编排程序利用该数学模型对腿机构进行优化，并在此基础上进行了运动特性分析，同时运用 MATLAB 对尺寸进行了校核，选择了一种步态，并对步态进行了分析，使得四条腿能够运作协调，带动机体行走；在此设计过程中，综合运用了 Solid Works 软件进行辅助设计，并对该行走机构进行了干涉检查和运动模拟。关键词：关键词：行走机构，步态，动画仿真黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文）IIAbstract According to the present research situation, this thesis brings forward design and simulation of a four-leg stepped mechanism. It designs the single leg, sets up the mathematical model of the single leg and builds the program to optimize the mechanism. It analyses the motion character. At the same time, it revises the measure with the MATLAB. It selects and analyses the pace to harmonize four legs and to drive the stepped mechanism. At the course of the design, it makes use of Solid Works to have aided design, interference examination and motion simulation. Key words: stepped mechanism, pace, simulation目录黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文）III摘要.ABSTRACTABSTRACT.第一章 绪论.1 11.1 课题研究的意义 .1 11.2 行走机构研究的历史与现状 .2 21.3 研究行走机构的目的和方法.4 41.4 论文的主要研究内容 .4 4第二章 四足行走机构的研究.5 52.1 行走机构的分类.5 52.2.1 腿的配置形式 .52.2.2 腿的步态分析 .62.3行走机构腿的设计.9 92.3.1 行走机构腿的机构分析.102.4 行走机构单条腿尺寸优化.16162.4.1 数学模型 .162.4.2 优化方法及结果 .182.4.3 运动特征的分析 .182.5 行走机构足端的轨迹和运动分析 .19192.5.1 行走机构足端的轨迹分析 .192.5.2 行走机构足端的运动分析 .21第三章 行走机构设计.23233.1 行走机构设计 .23233.1.1 机体设计 .233.1.2、传动系统设计.243.1.3 转向实现与控制 .263.2 利用 Solid Works 进行行走机构辅助设计 .28283.2.1 基于 Solid Works 的行走机构图形绘制 .28黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文）IV3.2.2 干涉检查及运动模拟 .283.3 行走机构稳定性研究 .2929第四章 结论与建议.30304.1 论文完成的主要内容 .30304.2 结论 .3030参考文献.3131致谢.3333黑龙江八一农垦大学毕业论文（设计）第一章 绪论1.1课题研究的意义目前人类使用的行走机构有足式行走机构，轮式行走机构、履带式行走机构、蠕动式行走机构，其中前三种行走机构较常用。轮式行走机构在平坦的硬质地面上运动具有履带式和足式行走机构无法比拟的优点，在目前的移动机构中应用最多，如美国斯坦福大学的斯坦利(STANLEY)无人驾驶汽车、用于火星表面探测的“勇气号”和“机遇号”以及大多数足球机器人等，都是采用的轮式行走机构。履带式行走机构的优点为耐用，驱动性佳，着力强，野外作业能力强，如在阿富汗和伊拉克战场上使用的战地机器人PACKBOTS采用的就是履带式行走机构，它能够在崎岖不平的地形表面行走，可以在建筑物里执行搜救任务、抛掷手榴弹等。但缺点为行走速度慢，不能在混凝土地面过硬路面山上急转弯，否则将引起带体扭曲。本机底盘低，石子和异物容易进入履带和底架之间，且机动性差。足式行走机构最大的优点是对路况要求不高，在不连续的地形条件下具有很大优势，运动灵活，适应复杂地形的能力强，这就决定了它具有独特的使用价值。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。总之，四足机器人具有广阔的应用场合，而目前的相关技术还不成熟，足式行走机构难以发挥其特殊的作用。因此，开展足式行走机构相关技术的研究具有重大的现实意义。1.2行走机构研究的历史与现状1967年，R.麦吉和A.弗兰克在南加州大学设计了以“加利福尼亚马”而闻名的四足步行机械。用电马达驱动的这种机械系统，各脚都有两个活动度（髋关节和膝关节）,而四个髋关节的横向都具有一个被动自由度。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。空间通用公司的J.D.Mekenney和W.C.Baldwin、J.V.Miller尝试研制了多足步行机械。这种机械以探索行星为目的，其机构具有固定程序。他们还制成了椅子型步行机械系统的原型，作为瘫痪者的步行辅助装置。固定程序依靠特殊性装的凸轮来实现，凸轮由电马达驱动。依靠固定程序，大体能上下阶梯，但这只限于某种特定形式的阶梯。在方向转换时，还多少存在问题。由DARPA(美国国防部高级研究项目署)资助，波士顿动力公司研制的四足机器人Little Dog和Big Dog。Little Dog采用电机驱动，每条腿上装有3个电机，采用便携式计算机控制，机器人装有检测关节角度、电机电流、航向、脚与地之间的接触等用途的传感器，采用无线通信模块传送数据，随身携带的锂离子聚合物电池可以保证机器人运行30分钟。科学家们通过该机器人来研究电机、动力控制、对环境的感知和粗糙地形下的运动等问题。Big Dog与Little Dog相比性能得到了大幅度的提高，号称是目前世界上最先进的四足机器人。Big Dog长为1米、高为0.7米、重量为75千克，采用液压驱动，由汽油发动机提供动力，采用随身携带的计算机控制，装有位置、力、陀螺仪等传感器。Big Dog的环境适应能力特别强，可以在山地、沼泽地、雪地等路面上行走，目前可以3.3英里/小时的速度小跑，可以爬越35度的坡面，负载120磅。日本电信大学的H.Kimura等于十几年前开始研究采用行走机构的四足机器人，先后研制出四足机器人patrush-I、Patrush-II、Tekken-I、Tekken-II和Tekken-IV。以Tekken-II为例来介绍其特征，Tekken-II的外形尺寸为30x14x27.5厘米，含电池重4.3千克，共16个关节(每条腿4个关节，3个主动关节，一个被动关节)，采用直流伺服电机驱动、并配有减速箱，配有编码盘、陀螺仪、倾角计和接触传感器，控制器采用PC机、操作系统为RT-Linux，通过遥控器操作机器人。Kimura将中枢模式发生器CPG网络与牵张反射、伸肌反射、屈肌反射等机理结合，实现了所研制的四足机器人Tekken在复杂地形下的自适应运动，可以实现行走(walk)、同侧跑(pace)、对角跑(trot)和奔跑(gallop)步态，能避障、越障、爬坡，Tekken-4最高速度达1.5m/s。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，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。Fred Delcomyn的六腿机器人模仿了一种美国蟑螂Periplaneta americana之所以模仿这种昆虫，是因为它的超乎寻常的速度和敏捷，以及其广为人知的生理结构，与轮式运动结构相比，有腿的结构更能适应复杂的地形，机器人的尺寸是58cm*14cm*23cm，当它直立时，距地面15cm；机器人身体和腿的尺寸大约是相应的蟑螂尺寸的12到17倍，而重量却与其身体尺寸不相称，大约是11kg，主要是控制气动驱动器阀门的重量，机器人的腿部结构与比例和蟑螂类似：三段式的髋、股节、胫节，长度比是1：1，1：1.5。这种机器人的缺点是要求有气驱动源，难以成为一个独立的单元，目前还处于实验室研究阶段。国内一些科研院所，如北航、上海交大、北科大、国防科大、东南大学、沈阳自动化所和哈工大等进行了仿生机器人的研究。北航机器人研究所在国家“863”智能机器人主题支持下，研制出了能实现简单抓持和操作作业的3指9自由度灵巧手；沈阳自动化所研制开发的6000m水下自治机器人达到世界先进水平；哈工大机器人研究所研制了高度灵活性的仿人手臂及拟人双足步行机器人，其仿人手臂具有工作空间大、关节无奇异姿态、结构紧凑等特点，通过软件控制可实现避障、回避关节极限和优化动力学性能等，双足步行机器人关节式结构，具有12个自由度，可以完成平地前进、后退、侧行、转向和上下阶梯等步行功能。1.3 研究行走机构的目的和方法行走机构的设计在行走机器人机械系统设计中是最重要的一部分，因此，对行走机构进行研究时必要的。在行走机构研究中，人们多是着力于让机械采用类似于动物的腿的结构，即关节式机构。但是由于关节式机构是开链机构，承载能力低，所以本文采用闭链腿机构。腿的设计将运用六杆机构，即曲柄摇杆机构去控制大小腿视线运动；给出腿的足端的运动轨迹，根据运动轨迹，最后用优化方法把各杆的尺寸确定，并同时求出安装尺寸，这样完成单条腿的设计，根据对称原则，四条腿选择同样的设计，并利用了MATLAB软件进行编程求证所设计是否满足所需求的轨迹要求。四条腿的运动分配，就是我们所说的步态的选择，位了使四条腿在运动中能够相协调而不至于产生干涉，本文在几种步态中选择trot步态，即对角小跑步态，在运动中处于对角线的两条腿是同步的，另外一堆钱后退总是相位相差180度，这样四条腿就可以实现行走过程。同时trot步态，还保证了在行走过程中，行走机构的重心总是处于一个三角形内部，具有一定得稳定性和平衡性。1.4论文的主要研究内容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，以及转向方案的选择及确定。3.行走机构设计求解出该行走机构行走过程中重心的波动量。4.利用SolidWorks里面的插件进行仿真运动并做出动画。第二章 四足行走机构的研究2.1 行走机构的分类 行走机构按行走保持平衡的方式分为两类。一类是静态稳定的多足机，其机身的稳定通过足够数量的腿支撑。多足机的速度较慢，其步态是爬行或步行。另一类是动态稳定的，主要有拟人双足和单组跳跃机，该种步行机运动速度快，其步态可以使小跑和跳跃。2.2行走机构选择与设计四足行走机构机械设计主要包括腿的配置形势确定、步态分析、腿机构设计。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2-1所示。本设计机构将选择正向对称分布。图2-1腿的配置形式2.2.2腿的步态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、步态的类型四足动物（如狗）正常行走（非奔跑状态）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，如图2-2所示：a. 慢走，既正常行走。b. 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种步态，前进时是对角线的双腿共同向前移动。c. 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。 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。 (a)慢走 (b)对角小跑 (c)单侧小跑 (d)慢跑 (e)z形小跑 (f)o形飞跑 (g)两足跳跃 (h)四足跳跃图2-2四足动物的基本步态图二、步态的选择近年来，学术界开展了广泛的研究，首先突破的技术是静态步行，其特点是步行时每次只有一条腿处于摆动相，令三条腿呈支撑态，行走机构无跌倒之虑，但静态步行的占空系数k大，需四条腿轮流摆动，才能完成一个步行周期，从提高步行速度来说，动态步行有一定的优越性，但动态步行的技术难度远大于静态步行。本文研究动态步行中的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：1. 步行平稳、协调、进退自如，无左右摆晃及前后冲击2. 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。3. 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。4. 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。5. 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（见图2-2）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：1. 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2-3（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 2-3 (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2-3 (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 2-3 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 2-4 (a)，摆动腿 1 ,3 向前跨步造成重心前移(见图 2-4 (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 2-4 (c)。图 2-4 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 2-4 (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 2-4 (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 2-4 (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 )。（三）、trot 步态的实现形式以上说了 trot 步态的原理，但是具体如何实现 trot 步态？如何分配运动，这将在后一章的具体设计中作详细分析。2.3行走机构腿的设计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 行走机构腿的机构分析四足行走机构，为了支撑和驱动机体几条腿必须要有一定的能量，因此腿机构的选择和新机构的研究显得非常重要。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装配图以上尺寸仅仅是初步选择的，作为下面的优化参数的初始值。2.4 行走机构单条腿尺寸优化2.4.1数学模型据几何图形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优化方法及结果采用混合惩罚函数法（SUMT+DFP）求解上述优化问题；采用惩罚函数法（SUMT，既Sequential Unconstrained Minimization Technique，序列无约束极小化方法。）将优化约束转化为无约束优化，无约束优化采用DFP变尺度法，对于一维搜索则采用二次插值方法，并用二点差分代数导数，该方法对于约束问题是较为有效的。以前述机构基本设计所获得的机构尺寸作为优化计算初值，并取计算因子为：经过编制程序，得到设计变量优化结果见表2-2(长度单位为cm)表2-2 优化结果表2.4.3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行走机构足端的轨迹和运动分析2.5.1行走机构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行走机构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得出的速度图第三章 行走机构设计3.1行走机构设计本行走机构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 机体三维图3.1.2、传动系统设计按照驱动电机的数量可将四足行走机构划分为：1.一台电机一台电机驱动四条腿可以节省能量，控制比较简单，但要实现行走，传动系统将比较复杂。由于原动机装再机体上，减轻了腿的重量。日本的MEG-2行机器人既用一台电动机驱动复杂的连杆机构，实现步行。2.两台电机两台电机驱动四条腿既每台电机驱动两条腿，同样可以节省能量，控制相对复杂，但传动系统相对简单。4.四台电机每台电机驱动一条腿，加重了腿的支撑总量，功耗较大，同时也给控制带来较大的难度。考虑综合因素，本行走机构将选择四台电机。按照第二章所优化出的各杆尺寸，再Solid Works 中建立三维模型，各杆将采用异型工字钢，这就保证了在实际行走过程中能够由足够的强度和刚度。考虑到实际安装中杆与杆之间的装配，在此过程中还要设计杆与杆连接的套筒和滑动轴承。为了方便连接，与电机连接的主动杆用驱动件代替，这就简化设计过程中的传动部件，该驱动件如图3-2所示。 图2-2驱动件图在安装过程中，要保持前后腿相位差180度，这样在行走过程中，前后两腿总是交替的支撑和行走。一、电机与电源的选择电机的选择主要是参照其转速和功率两个参数。由于行走机构在支撑相中足端水平运动，行走过程基本上机体水平匀速直线运动，故理论上水平地面行走消耗能量不大，依靠运动消耗功率来确定电机容量不太可行，因此，电机容量按如下方法估计：按机体总体质量30kg，能以0.4m/s的速度沿坡度30度的坡行走，则功率为参考中国电机产品目录，选择直流电机。选择70ZYTJ系列直流减速电机，其技术参数如表3-1：根据实际需要，将选择70ZYT001J4000，其减速比为1/40，得到的转速为100r/min，比较合适。表3-1 技术参数表输出功率的计算方法如下： 单位：瓦(w)其中：T负载力矩 单位：克/厘米 (g/cm)N负载转速 单位：转/分 rpm此输出功率即就是带动推机构和机体行走的功率。由于将选择一个直流电源，给四个电机提供功率，所以其提供的功率至少为：故选择两个24V电瓶作为直流电源。3.1.3转向实现与控制一种行走机构在行走时，必然涉及到转向的问题。目前解决行走机构转向的问题的方法由很多种。但是多数方法都是附加一个新的机构来实现转向，这必然使得行走机构更加复杂化，而且容易发生机构干涉问题。本行走机构可以有如下几种转弯方案：1.改变行走机构中曲柄的长度，形成变杆长机构，此种方法容易实现转向，但是杆长变化了，必然改变了事先设计好的轨迹以及其他特性。2.利用改变两电机转速的方法，使得两电机转速不一致，这样电机驱动的腿行走速度必然不一样。腿一先，一后，必然实现转弯，但此时的转弯半径应该比较大。交流电机将选择变频调速，直流电机采用直流降压调速。本行走机构将选择第二种方法实现转向，用传感器控制减速的时间，以便保持转向后步态。根据直流电机的调速的调速特性知道，电机的转速与电枢供电电压U成正比，写成关系式如下：；其中，为系数，T为电机的转矩。此种调速，电枢电流与电压U无关，故电机转矩T不变，属于横转矩调速。在电路中串接一个电阻，这样可以连续性的改变电机两端的电压U，从而达到调速的目的。在行走机构的腿上安装传感器，当行走机构跨不过障碍物的时候，有个信号反馈给腿上的传感器，此信号被返回到动力装置，即需要转向，从而绕过障碍。继续行走。此种转向之后，存在最大的问题就是转向后步态不一致。为了解决问题，可以用传感器控制转向内侧电机减速的时间，使得转向之后，外侧电机总是比内侧减速电机多转整数圈，从而使得两腿的两相位差又回到180度，即回到初始的trot步态。具体实现方法：在前面两腿上相对应的地方涂上荧光，用传感器检测该两个地方的荧光，正常情况下，该两侧可以被检测到。当转向之后，有可能步态被打乱，即不能同时检测到此两处的荧光，传感器就会发出信号，要求继续转向。在转向的过程中，同时也进行荧光的检测，直到能够同时检测到两处荧光，即此两腿相位差又回到了180度，此时发出信号，要求停止内侧电机的转速。从而实现步态一致。 该行走机构系统结构框图如下所示：动力行走转向步态一致行走NNYY装配的时候，考虑到重心的要求，组建调整，使得初始位置的重心保持在该行走机构支撑腿的对角线上，以保证在静态时候行走机构保持稳定。这将要逐步调整机体的长度，以及配重的实际安装要求。实际的安装之后的效果图为图3-4所示：图3-4 效果图3.2利用Solid Works进行行走机构辅助设计3.2.1基于Solid Works的行走机构图形绘制Solid Works是一套机械设计软件，采用用户熟悉的Windows图形用户界面，它包括了零件设计、钣金设计、二维工程图自动生成、装配等，功能全面，而且集成和兼容了所有Windows系统的卓越功能，其三维实体建模系统具有易学、易用的特点，参数化特征造型技术定义清晰。该软件从三维到二维工程图的转换方便快捷、形象直观。基于Solid Works绘制的各个零件图及装配图，参看上图所示。该软件进行重心分析，干涉分析等等。3.2.2干涉检查及运动模拟零件装配好以后，要进行装配体的干涉检查，以便确定装配体中各零件之间是否存在实体边界冲突（即干涉）、冲突发生在何处，进而为消除干涉做好准备。一般对零件较多或转配要求严格的转配体，应该转配好一个零件就进行一次转配检查。本行走机构的转配体中的零件较少，而且为了简要说明装配过程，在装配的每个过程中没有进行装配检查，直到最后才进行总体干涉检查。从检查的结果来看，装配之后的腿的各个零件之间，以及腿与机体之间并不存在干涉现象。是由Solid Works Animator，可以模拟和捕捉Solid Works装配体的运动。Solid Works Animator 可以生成基于 Windows 的动画（.avi文件），可在任何基于 Windows 的电脑上播放。如果与Photo Works共同使用，Solid Works Animator可以输出真实感图像的动画。其有两种生成动画的基本方式。第一种是通过使用动画向导。动画向导可以很快生成快速动画、爆炸视图动画、或解除爆炸视图动画。第二种方式是在Solid Works 装配体中，为不同的零件指定明确的动画运动路径。生成动画之后，Solid Works
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