AI大模型机器人控制系统设计与仿真(知识研究版本)

知识研究AI多足机器人控制系统设计与仿真（学习模板）学院专业班级姓名学号指导教师xxxx年xx月x日xxxx毕业设计（论文）学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。作者签名：年月日导师签名：年月日PAGEPAGE41摘要机器人技术中，一个备受科研人员关注的领域是移动机器人。这些机器人按照其构造和移动机制差异，可以分为几大类：步行的、滚动的、履带式以及爬行类。足式机器人因其具有环境适应性强，稳定性好，承载力突出等优点，在许多国家得到了广泛的应用。深受国内外研究者的青睐。与多足机器人相比，多足机器人在构造与控制上更具优势。而与只有两条腿的两足机器人相比，多足机器人则表现出更优越的稳定性和更大的负载承受能力。因此，这类机器人在物流、探测和军事等领域有着广阔的应用前景。类行为学是以生物为对象，研究生物的构造与功能，并将其优点运用于科技领域的一门科学。它是将机器人技术和类行为学的原理相结合，模拟出了生物的机能构造和运动模式，将生物的动作优点结合在了机器人的设计之中。该研究课题聚焦于多足机器人的机械构造、步态策略设计以及控制机制这三大核心技术。研究旨在遵循多足爬行生物的运动特征，设计一种机械结构简洁且具有高度灵活性的多足类行为爬行机器人，同时对其步态进行深入的控制研究。基于多足爬行生物的运动机理，通过改良其腿部构造，引入单个腿部髋关节，构建一种机械装置，以实现腿部的旋转动作。同时建立多足机器人数学模型,对其位姿关系进行分析,用数学方法为机器人步态规划提供理论依据。合理规划多足机器人的步态,采用有限元仿真软件对所设计的机械结构进行运动学分析,输出相关运动参数曲线。在规划多足机器人的动态步态与分析相关参数的基础上，选择微控制器作为控制枢纽，构建多足机器人的硬件框架。通过设计算法和逻辑来编程，从而精细操控多足机器人的步伐，全面提升其AI多足机器人在多个维度的性能表现。关键词：类行为机器人；多足机器人；结构设计

AbstractOneareaofroboticsthathasattractedmuchattentionfromresearchersismobilerobots.Theserobotscanbedividedintoseveralcategoriesaccordingtotheirconstructionandmovementmechanisms:walking,rolling,crawler,andcrawling.Becauseofitsstrongenvironmentaladaptability,excellentstabilityandoutstandingloadcapacity,theleggedrobothasbeenlovedbymanyresearchersathomeandabroad.Amongtheleggedrobots,thestructureandcontrolofquadrupedrobotsaresimplerthanthosewithmorelegs.Comparedtobipedalrobotswithonlytwolegs,quadrupedrobotsshowsuperiorstabilityandgreaterloadcapacity.Therefore,thistypeofrobothasabroadapplicationprospectinlogistics,detectionandmilitaryfields.Biomimicryisasciencethatstudiesthestructureandfunctionofvariousorganismsandappliestheexcellentpropertiesoftheseorganismstothefieldofscienceandtechnology.Byintegratingtheprinciplesofroboticsandbionics,thebionicrobotimitatesthefunctionalstructureandmovementmodeofanimals,andintegratesthemovementadvantagesofanimalsintotherobotdesign.Thisresearchtopicfocusesonthethreecoretechnologiesofquadrupedrobots:mechanicalstructure,gaitstrategydesign,andcontrolmechanism.Thepurposeofthisstudyistodesignaquadrupedbioniccrawlingrobotwithsimplemechanicalstructureandhighflexibilityaccordingtothemotioncharacteristicsofquadrupedreptiles,andatthesametimetoconductin-depthcontrolresearchonitsgait.Basedonthemovementmechanismofquadrupedreptiles,amechanicaldevicewasconstructedtorealizetherotationofthelegsbyimprovingitslegstructureandintroducingasingleleghipjoint.Atthesametime,amathematicalmodelofthequadrupedrobotwasestablished,andtherelationshipbetweenitspositionandposturewasanalyzed,andthemathematicalmethodwasusedtoprovideatheoreticalbasisforthegaitplanningoftherobot.Thegaitofthequadrupedrobotwasreasonablyplanned,andthefiniteelementsimulationsoftwarewasusedtoanalyzethekinematicsofthedesignedmechanicalstructure,andtherelevantmotionparametercurveswereoutput.Onthebasisofplanningthedynamicgaitofthequadrupedrobotandanalyzingtherelevantparameters,themicrocontrollerwasselectedasthecontrolhubtoconstructthehardwareframeworkofthequadrupedrobot.Bydesigningalgorithmsandlogictoprogram,thepaceofthequadrupedrobotcanbefinelycontrolled,andtheperformanceofthebionicquadrupedrobotinmultipledimensionscanbecomprehensivelyimproved.KeyWords:Bionicrobot;Four-leggedrobots;Structuraldesign;Thegaitcontrol目录TOC\o"1-3"\h\u10012摘要 I5500Abstract II155051绪论 1286661.1引言 1169131.2研究背景与意义 1248401.3国内外研究现状 2301711.3.1国外研究现状 235651.3.2国内研究现状 4325191.4本文的主要内容 522952结构分析与机电系统选型 6306842.1引言 6224622.2机器人结构设计 7313172.2.1总体结构设计 7133242.2.2机身结构设计 8107242.3驱动器选取 1123202.4本章小结 13277463机器人运动学分析 14141103.1引言 14213103.2运动学模型的建立 14149943.3点位置的齐次坐标变换 15326213.4正向运动学分析 17303413.5本章小结 22239864控制系统设计 23108734.1引言 23179644.2控制系统设计 2346534.2.1硬件电路设计 2385264.2.2多足机器人控制逻辑 26269264.2.3控制程序 2714594.3本章小结 3261215步态规划与仿真分析 3375275.1引言 33159395.2步态规划 33221685.2.1步态的概念 33122975.2.2步态规划 34171145.3仿真分析 35229565.3.1仿真步骤 36249175.3.2仿真及结果分析 37307665.4本章小结 46132076总结 479516致谢 4914829参考文献 51PAGEPAGE411绪论1.1引言在最近几年，科技在国内外持续进步，近年来，在机械学、类行为学和智能学等方面，已有不少成果。其中，自主行走的机器人在仓储物流、地形勘察、灾难救灾等诸多方面具有广阔的发展前景。步行式机械臂可以解决履带、轮式机械臂对作业条件苛刻、机动性差等诸多优势。同时，在容错性方面，足式机器人展现出了明显的优势，因此，多年来，它吸引了大量学者的关注和研究。尽管足式机器人拥有众多优势，可是目前开发的足式移动机器人普遍面临移动速度缓慢、结构设计繁琐、控制上较为复杂等挑战。克服这类技术挑战，将极大促进移动机器人制造及其运行的发展，进而显著提升国家的科技实力。1.2研究背景与意义机器人技术，这一学科交叉领域，巧妙融合了机械工程、电子工程、计算机科学和人工智能等众多学科的精华，构成了现代机电一体化的典范。它不仅彰显了一个国家的科技水平，而且引起了全球范围内学者和科研机构的极大兴趣。这一领域的研究背景和意义，在于其不断推动科技进步，促进着机械结构设计、电路与控制理论、人工智能以及传感信息处理技术的融合与发展。在机器人技术领域，移动机器人扮演着一个不可替代的角色，它们的运用范围广泛，涵盖了工业生产、货物存储与分发、医疗保健服务、航空与海洋探索等多个方面。依照它们的移动机制，移动机器人可大致分类为履带式、轮式、仿足式以及爬行式四种类型。轮式机器人因其结构简洁、稳定性优良、移动效率高以及控制便捷等优点，在地面移动系统中得到了广泛的应用。相较于轮式移动机器人，履带式移动机器人因接触地面的面积更广，所以受到的阻力相对较小。这使得它在保持正常移动速度和防止打滑方面展现出更为卓越的性能。在克服障碍物、跨越壕沟和攀爬斜坡等任务中，履带式移动机器人明显优于轮式机器人。特别是在军事野战环境中，它更是展现出其独特的优势。蠕动型机器人，其设计多以柔韧材质或记忆合金为主，系出近年新型材质进步之果。它们在微型机器人和管道勘探等领域的应用潜力巨大，然而相关技术尚处于成熟阶段。足式移动机器人采用类似生物足部的构造，因此在设计和功能实现上，通常会融合类行为学的原理。这样的融合使得机器人能够依据生物体的解剖和运动机制来进行机构创新。足式移动机器人在与先前提到的几种移动机器人相比较时，显示出了更卓越的灵活性，同时在对环境造成的影响方面，而且比其它种类的行动机器人要低得多。针对履带机器人在高速行驶和转向过程中容易产生的侧移问题，提出了一种新的解决方案。然而，爬行型机器人是以软材料或者是记忆合金为主要材料，因此，爬行型机器人的运动速度、负重能力都无法与步行机器人相比。所以，在将来，足部机器人的用途将会更广。根据足部数量的不同，可以分为单足、两足、多足和六足四种，甚至有几种是双足的。与六足及以上足的机械臂相比，多足机械臂具有更少的脚部，能够消除冗余的运动部件与运动部件，因而在机构设计与控制上具有明显的优越性。与两条腿或两条腿的机器人比较，多足机器人在稳定性、速度、负重等性能上具有明显的优点，对更为复杂的地貌环境也具有较强的适应性。此外，多足机器人还能在不同的工作条件下灵活地移动。他们能在慢速、平稳的静止状态下行走，也能在中等到中等的高速状态下行走。。机器人架构可通过增加多样化功能模块来满足各种特定要求。例如，配备机械臂的机器人能够高效地执行制造业中的组装和物流任务，进而转变为一个灵活的移动作业系统。在对各种足式机器人形态进行细致评估后，可以得出结论：多足构造在当前的机器人领域中占据领先地位。正是基于其显著的应用潜力，多足机器人成为了研究界的焦点，吸引了日益增长的兴趣。在多足移动机械臂的研究中，多足机械臂的总体结构设计、行走步态规划以及控制方法等都面临着巨大的挑战。上述问题严重制约了多足机器人的实际应用。为此，探究其结构设计、步态规划合理性、控制策略的有效性，实现系统的动态平衡和提高多场景的适应能力，对推动多足机器人走向实用化有着十分重要的科学价值。为此，项目以AI多足机器人为研究对象，开展AI多足机器人的机构建模与建模，采用虚拟原型方法对其进行模拟试验，完成多足机器人在各种工作方式下的步长优化。在此基础上，利用简单的算法与MCU相结合的方法，完成多足机器人的步态控制，为其优异的动力学性能及实用化发展奠定坚实的理论基础。国内外研究现状步行机器人是一种重要的运动机械人。与轮式、履带型机械臂相比，其作业面无需完全平坦。由于双足机器人与履带、轮形机械臂相比，其对地表的接触比履带、轮形等要小得多，对周围的破坏也更小，而且其构型的柔性更大。所以，自六十年代以来，多足机器人的研究便已起步，目前已在多足行走机器人方面取得了令人瞩目的成果，这为多足机器人的开发奠定了良好的基础。然而，受到复杂机械结构和单一控制逻辑的影响，多足机器人的移动方式较为单一，这对其爬行能力造成了一定制约。近期，各类研究开始广泛利用计算机技术、信息科学和虚拟技术，推动现代爬行机器人发展至更迅速、更敏捷、更智能化及多模块化的境界。国外研究现状波士顿，美国，通用电气公司，多足类行为机器人领域，最早成果，上世纪中后期，研发，足式步行车(GEWalkingTruck)[2]，高精度力反馈，良好操作性能，操作手柄，踏板，控制，前进，推踏等动作。在高端力反馈系统的支持下，能够牵引深陷泥潭的吉普车，或者轻触灯泡而不至于损坏，这种能力属于仿足式机器人。由ChristensenDL带领的团队于美国斯坦福大学研发的一款机器人，重量仅为12克。其特色在于腿部装备了橡胶钉，这些橡胶钉在机器人爬行时受到压力便会弯曲，从而提高其腿部的抓地力。当机器人抬起腿时，橡胶钉失去压力并恢复原状。得益于这种类似壁虎的腿部设计，该机器人能够承载的重量是自身重量的2000倍。同时研发团队成功打造了一种微型爬行机器人，其重量之轻仅有20毫克，以至于必须借助显微镜才能进行细致的组装工作。这种机器人拥有超强的负重能力，能够承担远超过自身重量的负载20倍的物体。来自加拿大西门弗雷泽大学的黄-K-J研究小组，从壁虎在直立或倒立的墙壁上自由攀爬中获得灵感，研发出了阿贝尔-III型爬壁机器人。以六足行走为典型的仿壁机器人为例，其原理是通过对扁平足爪下表面的刚毛进行加工，使其在范德华作用下实现对地面的吸附。该方法将爬壁运动划分为粘附与分离两个阶段，其有效与迅速是提升移动速度与效率的关键。机器人的结构、运动范围和四肢结构都限制了它的移动速度。2015年，美国麻省理工大学的WPark教授和其他一些研究人员发明了一种叫做cheeta2的四脚机器人，它被称为cheetah2。这种四脚机器人装备有一个头上的雷射测距器，它可以感应周围的环境。当前方出现障碍物时，该机器人会根据自身的速度进行快速判断，并通过内部运算法则快速计算出一条腿上的力量，从而达到自动越障。波士顿电力公司于2005年发布了“大狗”，被认为是那时四条腿的代表。本公司一直致力于多足机器人技术的研究和探讨，在2008年，以大狗为基础，推出了二代多足机器人。之后又于2015、2016相继发布了两款行走的机器人Spot和Spotmini。Spot使用的是常规的液力传动，Spotmini是一款纯电动马达，这让它更加安静，而且它还装有大容量的电池，可以支持很久的续航。在2010年，意大利技术研究院旗下的动态腿系统实验室，成功开发了一款名为HyQ的多足机器人。这款机器人拥有12个由液压驱动的主动关节，并采用主动阻抗控制技术，使其能够灵活地控制力矩，达到每秒2米的速度。此外，HyQ具备一定的抗侧向干扰能力，能够在多种复杂的地面环境中稳定地行走。2015年该研究实验室研制推出多足机器人HyQ2Max[13]经由对关节驱动器的优化升级，以及引入创新的液压缸与伺服阀技术，其能力显著提升。同时，增添了自动调节机制，以适应不同工作环境的需求。在2011年，隶属于瑞士苏黎世联邦理工学院的机器人系统实验室成功研发了一款名为StarlETH的多足机器人。这款机器人的行动力来源于电机，其身体结构包含多达12个主动关节，这些关节均通过弹性铰接式连接，使其能够进行柔性的运动控制。StarlETH能够展现多样的步伐，并具备一定的抗干扰能力。2016年,该机器人实验ANYmal，新一代多足机器人，被推出。通过升级弹性驱动器的串联模式，机器人控制变得更柔和，力矩控制也更为精确。ANYmal机器人适合在极端条件下工作，它的身上配备了感应器和摄像头，可以独立执行任务，并且会根据所处地面的状况自动调整其行走方式。国内研究现状在中国，受制于科技发展的水平，关于多足机器人的探索始于20世纪80年代末期。那时，在机器人设计和操控领域，已经实现了初步的进展。随着清华大学、上海交通大学、山东大学等高等学府成功研发出多足机器人，国内的机器人技术得到了推动和发展。台湾一所国立大学通过融合足式和轮式两种模式，成功研发出一款能够实现腿轮互换的移动机器人。这款机器人装备有能够变形的核心机构，能够将旋转的轮盘形态巧妙地转变，进而形成两个可互相连接，并具备腿部功能的独立轮辐结构型的半圆形状。该转换机构提供了可变换车轮旋转和车轮中心上下调整两个自由度,使得机器人环境适应能力和灵活性得到极大提高。上海交通大学科研团队经深入研究章鱼的行为与结构，突破技术难关，创新性地开发出一款模仿章鱼动作的类行为机器人。这款机器人于2015年的世界机器人展览会上首次亮相，便迅速引起了广泛关注，包括众多媒体和专业学者。机器人六足对称设计，使其无需转变方向即可向多个方向行进，同时具备强大的负重能力和高效的动作性能。赵欣和康熙等研究人员来自天津大学，他们探讨了一种具备可变腰部的多足爬行机器人[19]。通过安装一个舵机来操纵腰部的形态变化，以此完成变胞过程。在此基础上，他们设计出了两种步态：扭腰直行和扭腰原地旋转，从而增强了机器人在复杂环境中的灵活性和适应性。南京航空航天大学成功设计出一款创新的多足爬行机器人，其特征在于独特的腿部构造，采用“十”字关节以及足部双弹簧机制。这款机器人运用绳索传动系统，利用钢丝绳将动力延伸至机器人足部，从而引导其行动。这样的设计不仅减轻了机器人的腿部负重，还提升了其传动效率以及移动能力。合肥工业大学在安徽创造了一款特别的多足机器人，它被设计为在三维空间中灵活移动。这款机器人结合了正四面体的结构和四个灵活的铰链腿，这四条腿均匀地分布在中间的正四面体上。在执行爬行动作时，三只脚接触地面以支撑其身体，而第四只脚则高高举起，位于四面体的顶点。这使得机器人能够在空间中准备进行三个维度的翻转，以便执行滚动式的爬行。它不仅能够顺畅地前进、转弯，还能越过高障碍物，同时在三维空间内也能连续攀爬。无论是在爬行还是越障的任务中，这款机器人都展现出了卓越的能力。经过对昆虫移动机制的深入研究，学者们揭示了昆虫在移动过程中的两个关键阶段：首先是利用爪垫与地面的接触，适应地形并缓解冲击力；其次是通过骶骨关节的收缩，打开所有爪子，扩大接触面积。在此基础上，专家们经过多次实验，尝试采用柔软的材料来吸收冲击力，并在文献[22，23]中进行了详细记录。最终，他们提出了一种新型的结构设计，即结合车轮、中间连接部分以及稳定器，以实现对冲击力的有效吸收，相关研究详见文献[24]。孙凌团队[25，26]采用控制算法对柔性结构进行补偿，有效降低了其对机器人系统带来的误差。1.4本文的主要内容本项目旨在研制出一种具有简单机械构造和良好适应性的多足机械臂，并通过计算机模拟对其机构进行合理的设计。采用微控制器和编程控制器的组合，实现了对多足机械臂的多种命令的引导。这种多足机器人可以进行基本的行进、转弯等运动，保证了它们的平稳行走。研究的焦点包括几个不同的方面：(1)多足机器人机体的整体构造，研究犬、壁虎、壁虎等多足爬行类的身体构造和步行机理，融合机构学理论，对其进行优化和创新，并基于SolidWorks3D建模技术建立多足机器人本体构架。(2)机械手的运动学特性研究，通过对所建立的多臂机械臂的姿态进行研究，确定其在不同环境下的动作范围，为行走机构的优化和规划奠定基础。(3)多足机器人的模拟实验，在此基础上，对多足移动机器人的步态进行了建模，建立了相应的3D建模方法。利用Adams软件建立模拟环境，验证机构的合理与否，并给出相应的参数曲线。(4)控制方案的研制，在多足机械臂的控制系统中，根据多足机械臂特有的行走方式，制定了机械臂的硬件电路。

2多足机器人机械结构设计2.1引言爬行能力、稳定性以及任务适应性等关键性能指标，对于多足机器人而言，深受其机构设计的影响。腿部与机体的协同设计构成了机械系统的核心。为了创造出满足特定需求的多足爬行机器人，设计时不仅要考虑结构的灵活性、工作速度和承载力等方面，还需遵循机械设计的基本原则。设计方案应确保机械结构的实际可行性，基于科学原理进行构建。运动机能需彼此协调，无冲突，并且机器人空间结构应合理规划。此外，产品设计须能在当前生产环境中顺利进行制造、加工和组装。在设计多足机器人的架构时，应当遵循独创性原则。这意味着在研究前人的成果基础上，必须追求创新，对机械结构进行新颖的思考和深入的钻研。在机械结构的设计过程中，必须秉持追求最佳方案的原则。这就意味着，在开展设计工作之前，应当深入探讨是否存在更加优秀的方案以实现设计目标。同时，对于多足机器人的设计及生产成本，也应给予足够的重视。理想中的机器人设计应当体现出机械结构的简洁性、制造成本的的经济性以及成品的轻便性。在驱动器的选取上，应当做出合理的配置决策，以避免资源的不必要浪费。2.2机器人结构设计2.2.1总体结构设计通常，多足机器人的设计灵感来源于诸如猫科生物、狗和蜥蜴等爬行生物。然而，仅仅模类行为物的构造是不够的，因为生物的运动依赖于肌肉的拉动和神经的调控。在当前技术条件下，实现完全的类行为是非常困难的。因此，对生物结构的改进变得格外关键。该设计参照爬行生物的行为模式，探讨了实现多足机器人稳定移动的要求。鉴于多足机器人具有较低的重心，研究者在设计时特别关注其在行走过程中对地面的压力分布和摩擦力矩的生成，这是推动机器人前进的关键。因此，机器人的腿部设计成与地面保持垂直关系，并适当地扩大了与地面的接触范围，以确保良好的抓地力。多足机器人的构建着重于其腿部机构的升降与摆动，这些动作是实现移动和转向的关键。在设计过程中，充分权衡了其活动自由度和成本效益。本设计利用单个舵机来操控腿部动作，实现起降与接触地面的过程。与传统的机器人结构不同，此处采用了一种创新方法，通过精心的布局模拟爬行生物的髋关节，使得单个舵机能够驱动两条腿完成摆动，从而推动机器人的前行。设计任务书规定了尺寸限制，具体为不超过0.5米乘0.5米乘0.5米的范围。在设计机器人时，需注意其重心的分布，避免过高。为此，在构建机器人的腿部设计时，选用了尺寸为0.3米*0.32米*0.15米的结构。这样的尺寸能够满足任务需求，并有助于实现重心的降低。此外，为了确保机器人运动的稳定性，驱动器的布局也被仔细考虑，最终选用了对称的设计方案。图2-1机械结构图如图2-1所揭示的，这款多足机器人的腿部构建包含一个髋关节和两个膝关节。每个独立腿单元具备两个转动自由度。膝关节1、3、4、6的旋转能够操控腿部提起与放下。与此同时，髋关节2、5的旋转联合平面连杆，经过妥善规划，促使多足机器人向前发展，呈现对称分布的腿部开链结构设计。这种设计让多足机器人的几何中心与机体重心重合。此外，足端与地面的接触形成平面副，有效扩大了与地面的接触面积。该设计方案尽管在驱动单元数量上较传统型至少缩减了两个单元，它在形成有效步行模式时，仅能呈现出类似平行四边形的变形前进，这使得其行进方式过于单调，适应性不强。同时，转向功能亦显得笨拙，限制了其实际应用价值。然而，如果在主体躯干部分引入一个旋转副件，便能够提升一个自由度，进而有效地解决上述种种局限。通过整合先前的步态模式，可以衍生出多种新的步态，从而显著增强机器人的适应性，并扩展其应用范围。具体机械结构如下：图2-2机械结构简图将所提供的运动方案与身体躯干部分整合，新增一个旋转关节，并安装一个动力装置。依据对空间活动自由度的估算方法，可得机构的自由度计算等式如下： （2-1）上述公式中：选取其中一个构件作为固定参照物，n表示机构中有个n个自由的刚性物体，每个物体在空间中都具有沿笛卡尔坐标系中3个坐标轴的3个移动自由度和绕5个坐标轴旋转的3个自由度，共6个自由度。所以空间中n个刚性物体在相对固定参考对象时运动自由度为6(n-1)，将机械结构中不同构件用运动副联结起来，ui表示第i个运动副的约束，k表示所有物体之间的运动副数目。根据公式和所设计的多足机器人结构带入相应参数得F=6，表示机器人可以实现全方位的运动。2.2.2机身结构设计确立多足机器人的整体架构时，需考虑到其内置的控制电路板与电池等组件，因此必须规划出适宜的安置平台。鉴于该多足机器人的腰部具备转动能力，该平台应与机身主体保持一定距离，同时确保平台的布局不会干扰到机器人的正常运作机制。实施前端工作台策略，通过横向扩展前机体并规划通道以支持工作台，同时设计时确保整体机身的对称性，确保机体的几何中心与其重心重合。各部分结构图如下:图2-3整体结构装配图图2-4整体结构爆炸图为驱为前腹板为机器人后腿，；6为支撑工作台在图2-4的总体结构分解图中，序号1代表机器人的前肢，它依靠舵机驱动来实现各种动作。两个驱动器操控舵机，模仿各关节的动作，并为多足机器人的各项动作供应推动力和扭矩。3为前腹板,主要用于支撑工作台;4为后腹板,可用于搭载电池等其他外部设备;机器人下肢由五部分组成，这些部分协同上肢和背部关节，共同完成各种动作任务。六号工作台承担着支撑功能，主要用于固定硬件组件、微控制器电路板和印刷电路板等。图2-5腿部结构装配图图2-6腿部结构爆炸图13在图2-6展现的腿部结构分解图中，标识为1的部分是多足机器人的脚部，它负责与地面接触以支撑整个机体，并在横向股部的驱动下实现移动。扭矩传递是多足机器人行走的关键，其中第二号机器人的大腿部分扮演着重要角色，它负责实现运动中的扭矩传输，确保机器人能够执行前进、转向等复杂动作。驱动舵机作为多足机器人足部动作的关键动力来源。图2-7舵机装配图图2-8舵机装配爆炸图在图2-8所示的转向器组合件拆卸视图中，编号1的部件为转向器组的固定片，起到了保证转向器组可靠联接的作用；2是转向器法兰，用于将转向器装配件与被传动零件相联接；3给操舵机本体，给操舵机本体提供动力及驱动力矩。2.3驱动器选取针对目前多足机器人对重量要求较高、体积小、稳定性好、操作方便等要求，拟将执行机构用作多足机器人的动力来源。相对于传统的直流电动机，该驱动器质量较轻，尺寸较小，但输出转矩较大，是一种较好的多关节大转矩机械臂。另外，转向器内部的齿轮减速机制，可以有效地降低震动，改善精度和紧固力量。而普通的直流电动机，需要按其自身的速度比例来进行减速。另外，当功率脉冲被传输到执行机构的时候，执行机构内的线路可以对这些输入信号进行处理，按照预先设定的参数，可以按照执行机构控制器来调节电动机的输出功率，这样就方便了执行机构的控制。该操舵机构由电机，电路板，齿轮减速机构，壳体和定位传感器组成。舵机板上有一块用于调节信号的晶片。将外界的控制讯号经由特殊的通路传送到晶片上，就可产生一种直流偏压讯号。通过与舵内基准回路的相互影响，产生20ms宽度1.5ms的基准信号。将这一信号输入到电位仪中，并与此处的基准电压相比较，从而得到一个差值的信号。最后，通过正、负两个不同的电位差，决定了电动机的正向和反向。当马达速度不变时，利用串联式减速装置带动内建电位计旋转，从而消除了电势差，使马达停转。由于舵件的不同，各种类型的舵件都具有自己独特的工作电压和工作电流。在运行过程中，一定要遵循这个极限，超过这个极限将会造成转向器的损伤。一般情况下，舵机都有三条导线，一条是用来传送控制信息，一条是用来提供动力的，一条是用来连接到电源的正电极和接地的。在选购转向器时，应综合考虑以下几个方面：转速，扭矩，电压，尺寸，重量，材料。在设计多足机器人时，考虑到其结构特性、所需的驱动力矩和尺寸规范等关键因素，选择了LX-16A串行总线舵机作为驱动装置。此种舵机能够由控制板通过单一总线接口引出一个I/O口实现通信连接，通过上下双接口配置，实现了舵机间的串联，有效降低了串口的使用，同时也使得布线更为简洁。在使用多个舵机时，为每个舵机指定一个独特的ID号码以便识别。控制单元下达的命令将包含所对应的舵机ID。只有当ID相符时，相应的舵机才能完整地接收命令，并执行相应的动作。LX-16A舵机以其独特的矮壳短机身设计脱颖而出，这种紧凑的结构大幅减少了空间的需求。它不仅能够以舵机模式在240度的范围内进行有效转动，还能够在减速电机模式下控制转动的方向。这种双重工作模式使得LX-16A在功能上更为灵活多变。能够快速完成360度的连续旋转，并伴有角度的即时反馈功能，同时也支持角度的再次读取，用于准确捕捉机器人关节的位置。表2-1参数表名称值重量52g尺寸45.2mm×24.7mm×35mm转动速度0.18sec/60degree（4.8v）0.15sec/60degree（6v）最高输出扭矩19.5kg·cm控制精度0.24°通信波特率115200bps转角范围0-240°工作电压5-8.4vLX-16A舵机重52g；尺寸为45.2mm×24.7mm×35mm；转动速度分别为0.18sec/60degree（4.8v），0.15sec/60degree（6v）；最高输出扭矩19.5kg·cm；控制精度0.24°；通信波特率：115200bps；转角范围：0-240°；工作电压为：5-8.4v。2.4本章小结本项研究聚焦于多足机器人全面的规划蓝图，以及对其腿部架构的塑造。在继承了现有多足机器人机械构造的基础上，本研究致力于从特定的设计要求出发，构建了一种创新型的多足爬行机械结构。该结构通过独特的横向肢体设计实现了两只足部的协调摆动，并深度考量了与地面的接触问题，采纳了平面关节与地面的接触方式，保证了机器人在步行过程中的稳定性能。在对多足行走机构进行运动仿真时，以执行机构为驱动器，对多足行走机构所需的配件进行了详细的设计，使之达到一定的尺寸，重量较轻，同时具备较高的柔性。执行机构可以有效的嵌入到机械臂的骨架中，从而为多足机械臂的运动分析、模拟试验以及软件的编制奠定了基础。

3机器人运动学分析3.1引言对四肢式机械生物的移动机制研究构成了爬行型机器人步伐发展的关键环节。在探讨机械生物的移动学特性时，依据研究对象及途径的差异，可以将分析方法划分为正向剖析与逆向剖析两种类型。正向剖析涉及已知机械生物各活动关节的参数，进而推导出其末端执行器的运动细节；而逆向剖析则刚好相反，是基于末端执行器的运动数据，反向推算各个关节的具体动作。在本研究项目中，预先确定了机器人的杆长。将通过正向运动学方法来解析机器人的姿势。在此过程中，不会对多足机器人的力学特性进行探讨，而是仅基于几何学角度来探究其身体的方位等属性。通过对多足机器人构造的抽象化处理，并构建数学模型，进而设立特定的坐标系，对机器人的主要关节部位进行详细的姿态分析。3.2运动学模型的建立通过精简多足机械行走机械装置的构架，实现对多足机械行走装置的数理建模。通过探究关节活动的数据解析，获取控制多足机械行走装置爬行动作所需的参数。构建精确的数理模型是揭示机器人行走动态特征的根本，鉴于该项目所设计的多足机器人构架的简洁性，其数理模型也显得较为简易，因此在运动学上的分析和计算负担较轻。构建运动学模型涉及对多足机器人构造中的部件、运动接头、运动链以及构件的深入理解。本研究以铰链平面连杆并联机构作为核心，融入多足机器人机械结构的设计特色，如图3-1所示，对结构进行了简化。在此基础上，通过建立适当的数学模型，对机器人在正向和逆向运动学方面的行为进行详尽分析。图3-1机器人结构简图3.3点位置的齐次坐标变换运动学分析涉及将机器人在三维空间中的移动通过数学手段转化为时间的函数。本文以多足爬虫为研究对象，重点研究了多足爬虫的运动轨迹和运动轨迹的关系。以多足行走机构为研究对象，将其视为由若干关节连接在一起的一组链环所组成。在每个关节上分别设置了相应的座标。用齐次转换表示各杆件之间的相对位置、方向及联接关系。在确定了多足机械臂各关节的转角及连接臂的长度后，就必须对其终端副的位姿进行求解。在机器人的运动学中，各个刚体构件的运动可以分解为沿某一方向的移动和绕某固定轴的转动。a.坐标平移变换。坐标中某一点A（X,Y,Z），在平移到某一点A1（X1,Y1,Z1）时，根据坐标的平移变换，可得：X1XXYYY

（3-1）1Z1 ZZZ1用矩阵表示点A的平移变换过程为：X1

1 0 0

XXY 0 1 0

YY1

（3-2）Z1 0 0 1

ZZ1 0 0 0

11 也可简写为：A1Trans(X,Y,Z)A式中Trans（△X,△Y,△Z）就表示坐标的平移变换算子，即：

（3-3）1 0 00 1 0Trans(X,Y,Z)0 0 1

XYZ

（3-4）0001 0001 当坐标变换是相对固定坐标进行时，将算子左乘；坐标变换是相对动坐标系进行时，该算子右乘。b.坐标旋转变换。坐标中某一点A（X,Y,Z），在旋转至某一点A1（X1,Y1,Z1）时，根据点的旋转坐标（以Z轴为例）在坐标系中的变换规则，可得：X1XcosYsinYYsinYcos

（3-5）1ZZZ 1用矩阵表示点A的旋转变换过程为： （3-6）用齐次坐标表示为 (3-2)式中Rot（Z，θ）表示坐标齐次变换时，绕Z轴的旋转变换算子，相对于固定坐标系变换时，算子左乘，相对于动坐标系变换时，算子右乘。3.4正向运动学分析对所创造的机械构造图示，进行1.5次的正向运动学评析，创立连杆的坐标体系。在构建机器人坐标系的过程中，关键是将多个关节及其相连的两杆件视为关节轴。选取任一关节轴与其后继轴的交点作为坐标原点，标记为坐标系的基础。在此基础上，将这两轴之间的垂直线定义为Z轴的正方向，而Y轴的方向则依据右手定则来确定。以多足机器人的对角步态为研究对象，可以建立一个适用于多足机器人的坐标系模型：图3-2三关节平面数学模型表3-1多足机器人连杆参数连杆标号i关节转动角度θi连杆相对偏距di连杆固定长度ai连杆扭角变化αi1θ1d1=0a1=160α1=02θ2d2=0a2=150α2=03θ3d3=0a3=150α3=04θ4d4=0a4=160α4=0多足机器人连杆参数归纳如下：(1)连杆固定长度ai：沿轴Xi，从Xi到Xi+1的距离，即多足机器人连杆的长度。(2)连杆相对扭角αi：绕轴Zi，从Xi到Xi+1的角度，即连杆的扭曲角度，由于四足机器人内杆件的设计采用铝合金直线刚性构件，所以各扭角均为0。(3)连杆相对偏距di，沿轴Xi，从Zi-1到Zi的距离，即坐标原点i在Z轴方向相对于坐标原点i-1偏移的距离，因为所分析的各个关节均在同一平面内，所以偏距均为0。(4)关节转动角度θi：绕轴Zi，相对轴Xi旋转变化的角度，根据运动规划设定。根据连杆坐标系之间的变换矩阵得所设计的平面关节型机器人的运动方程为:T3=A1A2A3A4在公式(3-1)中:A1表示连杆1的坐标系相对于固定坐标系的齐次变换矩阵A1表示连杆2的坐标系相对于连杆1的齐次坐标变换矩阵A2表示连杆3的坐标系相对于连杆2的齐次坐标变换矩阵A3表示连杆4的坐标系相对于连杆3的齐次坐标变换矩阵T3表示多足机器人尾部一侧足的位姿根据位姿矩阵齐次坐标的复合变换变换公式可得:o2in2

0 01 0 0150sin

cos 0 00 1 0 0 2 00

2 1 1 00 0 1 0 0 0 10 0 0 1

（3-11）3Rot(z23Tansl3,,0)o3in3

0 01 0 0150sin

cos 0 00 1 0 0 3 00

3 1 1 00 0 1 0 0 0 10 0 0 1

（3-12）A4Rot(z3）Tansl4,,0)cos4

0 01

0 0160sin4

0

0 01000 0100 综上可得：

1 1 00 0 1 0 0 0 10 0 0 1

（3-13）T3A1A2A3A4o1in1

0 01 0 0160sin

cos 0 00 1 0 0 1 000

1 1 1 00 0 1 0 0 0 10 0 0 1o2in2

0 01 0 0150sin cos 0 00 1 0 00110001000110001000010001 o3in3

0 01 0 0150sin cos 0 00 1 0 00110001000110001000010001 cos40

01 0 0160sin4010110001000010001

0

0 01000 0100

（3-14）PAGEPAGE在此基础上，将角参数等输入到多足机械臂的运动轨迹中，可以获得多足机械臂各个关键关节的位姿矩阵，从而实现多足机械臂的行走。3.5本章小结这一部分主要研究多足行走机器人的结构实质。首先，建立并联机构的空间坐标系，确定其运动状态；其次，研究多个平面各关节的前向运动学，结合位姿矩阵，研究其位姿转换的机理。这一成果为未来机器人步态的设计与动态模拟积累了必要的数学依据。

4控制系统设计4.1引言本节内容基于多足爬行机器人的特性及其运动方式，构建了相应的多足移动机械臂的运动控制系统，这个系统包括了设计硬件线路和程序设计两部分。该系统的硬件部分完成了各个模块之间的界面设计，以及与之相匹配的控制芯片。在此基础上，以多足机械臂的行走轨迹为基础，建立了多足机械臂的运动模型，并用程序语言实现了其在电脑上的实现，并将其与所选择的单片微控制器进行集成。控制系统和舵机间的互动完成命令的传达，最后完成特定的动作命令的完成。控制系统的设计需确保其具备高度的实时性和迅速的响应能力，以便对多足机器人进行精确的协调，使其顺利执行各种动作。多足机械臂的硬件电路及编程算法是构成多足机械臂的关键。4.2控制系统设计4.2.1硬件电路设计而在此基础上，以单片机为中心的微控制器，其工作特性及周边线路的设计，将会对整机的工作可靠性产生重要的影响。因此，在多足机器人控制系统的设计过程中，对单片机型号的挑选和外围电路的布局是关键环节。设计中的机器人采用多足架构，其动作控制较为基础。主要通过单片机对七个舵机进行实时调控，确保它们在恰当的时机旋转特定的角度。这种有序的控制逻辑促成了机器人流畅的动作执行。宏晶科技，作为国内领先的单片机设计制造企业，已稳健发展成为全球51单片机领域的领军者。其中，STC系列单片机，作为该公司的一大招牌产品，广受市场欢迎，占据了我国单片机市场的重要份额。STC15W4K32S4单片机宏晶科技在2014年生产发布的一个时钟周期为1T的单片机,作为一款增强型51单片机,片内置有较大字节的程序存储器,且可擦写次数多、重复利用性高。在编程指令方面，此款单片机与传统的51系列完全契合，无需对控制命令进行额外调整。学习过程应当致力于提升实际应用中的效率与速度。STC15W4K32S4单片机在信号传输和运算处理速度上，相较于传统的51单片机，提升了大约十倍。内置大量的SRAM，内置10比特PWM与A/D变换器，具有较强的抗干扰能力。在传统51微控制器体系结构基础上，增加了大量的高速、独立的、非同步串行通讯界面，在很大程度上满足了不同的设计需求。STC15W4K32S4系列MCU内置R/C同步及重置回路，因此在硬件设计中不需要再增加晶体振荡器及重置电路。这使得对应的时钟循环信号和低电平重置信号被直接地提供给外部电路组件，由此大大减少了费用并且使设计过程得以简化。STC15W4K32S4型号的芯片在能耗方面表现出色，其运转电压范围介于2.5v至5.5v。在节能机制的设计上，该芯片能够在空闲、断电以及低速模式下工作，允许设计师在创作时，根据项目的具体需求和各种可能的选择，做出最佳决策。采用CH340G芯片作为原USB总线的继电器，实现了对普通USB数据的转化。另外，该芯片还支持高速USB装置的USB接口，因此在开发过程中不需要考虑其它的问题。在编程上，CH340G能很好地适应Windows系统，不需要做任何附加的改动。CH340G是一种以调制解调器为主机添加非同步串口的设备，它还可以将常规的串口升级到USB接口。使用总线进行串行通讯。该模块具有与本项目中使用的MCU相匹配的单独收发缓冲，并具有不同的异步串口通讯方式。在本项目的研究中，所使用的微控制器和舵盘，其波特率设定与甲醇40G变换器所能提供的通信速率是一致的。在(50bps~2Mbps)范围内，在一定程度上可以减少电路信号的错误发生。通过外加电平转换器件,可兼容提供RS232、RS485、RS422等接口,软件兼容传统的CH341芯片,在使用时可以简化使用CH341的驱动程序,5v或者3.3v的工作电压也使得CH340具备较低功耗。依据多足机器人运作特性及电子元件的挑选，借助AltiumDesigner软件开展电路图设计，以完成硬件系统的构建，具体步骤如下所述：。图4-1硬件电路图在设计中，利用Kp输出配合程序命令来实现对多足机器人控制系统的初始化，设定三个步骤。K1、K2、K3这几个按键承担着制造不同电平信号的重任，以此来操控多足机器人的行进和转向。连接CH340的发送和接收引脚至STC15W4K32S4单片机的相应引脚时，需注意反向连接。具体来说，CH340G的TXD引脚应连接至单片机的RXD引脚，同时单片机的TXD引脚应连接至CH340的RXD引脚。LX-16A舵机通过串行接口与单片机的发送和接收引脚相连，并且各个舵机以串联的方式连接在一起。在电路设计的环节，选择了5v的电源为STC15W4K32S4单片机和LX-16A舵机分别供能。这样的电源选择确保了其工作电压处于两者的工作区间内，省去了变压器的使用。此外，采取双电源的设计方案，旨在保障电源模块间的独立供电，以此确保即便在一个电源模块出现问题时，不会对另一模块的数据造成损害。4.2.2多足机器人控制逻辑稳定的多足机器人运动依赖于坚实的算法逻辑，而其算法核心是构建于机器步态的逻辑之上。将运动算法转化为舵机控制命令，涉及对各个舵机在特定时刻旋转特定角度的精准调控。多足机器人算法设计的具体步骤如下：图4-2多足机器人舵机ID（1）多足机器人直线运动算法逻辑（a）4号舵机顺时针转动15度，3号舵机逆时针转动15度，5号舵机顺时针转动15度，2号舵机逆时针转动15度，15度，315度，（b）6号舵机逆时针转动15度，1号舵机顺时针转动15度，15度，215度，15度，115度。如需让多足机器人继续前进，只需重复执行（a）、（b）算法即可（2）多足机器人转向运动算法逻辑（以右转为例）3号舵机逆时针转动15度，4号舵机顺时针转动15度，2号舵机顺时针转动15度，5号舵机逆时针转动15度，PAGEPAGE317号舵机顺时针转动45度，3号舵机顺时针转动15度，4号舵机逆时针转动15度；（a）1号舵机顺时针转动15度，6号舵机逆时针转动15度，2号舵机顺时针转动15度，5号舵机顺时针转动15度，7号舵机顺时针转动45度，1号舵机逆时针转动15度，6号舵机顺时针转动15度；（b）3号舵机逆时针转动15度，4号舵机顺时针转动15度，2号舵机顺时针转动15度，5号舵机顺时针转动15度，7号舵机顺时针转动45度，3号舵机顺时针转动15度，4号舵机逆时针转动15度。4.2.3控制程序在遵循多足机器人的动态原理及对其控制系统的全局规划基础上，利用所掌握的编程知识，多足移动机械臂的动作调整方案的建立。其中包括：系统启动，串行通讯参数设置，机器人动作初始化组态，动作精确操作等几个方面。在此基础上，根据多足机器人的操作方案，设计了相应的操作程序：:图4-3机器人控制程序流程图该模块的初始化设计，以满足控制系统串口通讯的要求，并根据串行通讯的要求，设计了一种适合于控制系统的工作方式。主要内容有：设置微控制器和舵机间的串口，设置微控制器的通讯速率，并编写相应的命令。当系统激活完毕后，它会把四条手臂的姿势还原成原来的姿势，以便让它可以顺利地进行下一步的走路。多足移动机械臂的运动控制部分，其运动控制系统的设计很大程度上取决于其运动逻辑的编写。在具体的程序设计中，仅需对相关的功能模块进行调用，即可完成该机器人的动作。采用STC15W4K32S4单片机，LX-16A执行机构，结合多足行走机构的行走轨迹，开发了一种适合多足行走机构的控制方案。为了保证所选择的舵机串行通讯的波特率要求，将通讯波特率设置为115200bps。设置单芯片通讯的波特率为115200bps，设置1号串行通讯模式。图4-4串口初始化程序设定串口发送程序，单片机读取指令并根据串口发送中断程序控制程序的发送和中断。图4-5串口发送中断程序根据舵机的使用特点编写控制舵机转动的程序，主函数中只需要设定舵机ID、转动角度和时间直接调用程序即可。图4-6舵机转动程序根据对多足机器人直线前步态进态规划与算法逻辑，编写多足机器人直线前进控制程序图4-7多足机器人直线前进程序根据对多足机器人右转步态规划与算法逻辑，编写多足机器人右转控制程序图4-8多足机器人右转程序4.3本章小结在此基础上，提出了一种基于自主知识产权的类行为学方法，并对其进行了研究。通过有目的地选取STC15W4K32S4MCU，加深了对MCU硬件的认识，并通过对有关的编程语言的研究，实现了从一个简单的问题到一个简单的程序求解。为了保证控制系统的可靠性，通讯的稳定是一个重要的要素。在硬件和软件的设计阶段，模块化的方法被积极采用，这不仅有利于故障排查，同时也极大地提高了多足机器人在功能发展上的柔性，并对其进行更深层次的控制研究。在编写程序时，注重对各部件性能的综合考虑，利用串行通讯界面给执行机构发出命令，从而实现对机械臂的各项运动的控制。该设计未能构建实体多足机器人，因此其控制程序参数需在真实环境中进行调整，以适应各种环境因素。

5步态规划与仿真分析5.1引言多足机器人依赖各足之间的协同运动来完成移动任务。在早期阶段，由于受到硬件与软件的限制，这些机器人通常只采用单一的移动方式，这使得它们的灵活性较低。然而，随着科技进步和对机器人移动行为研究的深化，其灵活性预计将得到显著提升，从而迎来以足式机器人为核心的研究与成长的新纪元。为了提升足式机器人的灵活性和稳定性，必须构建优秀的腿部结构，并制定出色的步态规划。在最近的时间里，大量的研究者对爬行生物进行了广泛的研究，提出了多种创新的步态设计。然而，时至今日，机器人的步态实现与真实生物的运动能力之间依旧存在着一定的距离。通过对各类爬行生物扭摆前行的动作进行深入研究，本研究项目构建了模仿这些生物运动的机器人机械框架。为了确保多足机器人能够高效爬行，进一步的步态策略设计是必不可少的，旨在对其运动模式进行精确调控。5.2步态规划5.2.1步态的概念步态是指生物体在移动过程中的姿势形态，对于爬行机器人而言，它是实现运动结构与功能的关键因素。在执行诸如前进和转向等预定动作时，是通过连续变换腿部支撑，来实现行走过程中的连续运动。在行进的途中，每当一条腿作为支撑腿承托着身体并驱动另一条腿向前时，后者会依照身体的节奏向外摆出一定角度，而后又是一脚踩在了地面上，开始了下一步的支撑。在这个相继变化的期间，有那么一小段时间，全部腿部起到了支持作用，即，在这个时刻，腿部受到了支持。在行进的旅途上，每根肢体遵循特定的模式，在时间和空间的和谐统一中演绎着走路的姿势。根据机器人步伐的循环特性，可将机器人的移动模式划分为规律性步伐与非规律性步伐两种类型。机器人的腿按照既定的规律和姿态周期进行活动，这被称为规则步态。不规则步态，指的是机器人的腿部运动姿势以及足部运动的路径具有不确定性。在行进过程中，机器人会依据所处环境的差异，调整腿部摆动的顺序和路径，从而完成特定的功能。行走循环是指行走完成某一步步所需要的时间，它覆盖了行走的每一条腿从抬起、摇摆到落下的全过程。当一个完整的行走周期完成后，身体的重心相对于最初的位置改变，该改变的数值称为步长5.2.2步态规划目前，多足机器人的行走方式多是参考蜥蜴类、猫类、犬类等爬行类生物的行走方式。常见的步态包括对角线奔跑、跳跃以及定点旋转等。这些步态对于机器人的平稳行走和爬行至关重要。在制定步态时，需要全面考虑以下个要素：（1）动作之间和谐流畅，腿部动作线路转换无任何抵触，保持出色的稳定性。（2）足部受到的冲击应适度，保持身体与地面平行，且避免出现剧烈的颤动。（3）力求在改变角度和速度时做到渐进平和，避免出现突兀的变化。为了使机身爬行运动简化，同时尽量提高爬行的稳定性，结合本设计的机械结构特点，考虑采用具有交替对称的特点的对角小跑步态作为本课题多足机器人的基本步态。同时考虑对角小跑步态不适应多足机器人转向的问题，本课题设计采用不规则步态辅助完成多足机器人的转向运动。（b）（c）1423ab152、3触地，足1、4抬起同时舵机a、b转动约15°，依次循环。（c）（b）（c）1423a/cb转动一个角度，如图(b)231/4a/c15b转动一个角度，如图(c).5.3仿真分析仿真是利用人机交互的图形处理和运动学原理，研究机械臂的3D建模或几何建模，建立相应的约束条件，揭示机械臂在运动中的动力学状态。通过对多足机器人进行计算机仿真，可以很容易地将产品从产品的设计建模到产品的实际加工过程中进行，以此来检验产品的设计是否合理，并可以减少产品的误差和重复劳动。在此之前，外国学者已经认识到了对机器人进行仿真研究的意义，从上个世纪50年代开始，人们就开始了对机器人的仿真研究。本研究利用动态模拟软件Adams，对一个精密的机构结构进行了模拟检验。Adams是一款专业级的虚拟样机与动态模拟工具，它使得用户能够对各类机械系统在真实操作条件下的表现进行仿真实验。通过该软件，用户可以观察和分析系统在三维空间中的运动轨迹以及对应的力学响应。此工具强化了研究团队对设计方案的评估速度，同时，它也为自动化机器人的运动策略制定与精准在这方面，我们提出了一个新颖的研究思路。在此基础上，对该系统进行了试验，并对其进行了优化，以保证其达到了预期的效果。在程序接口中，利用该规则库，可以很容易地实现对移动构件和刚性固定构件的约束。另外，人机交互的人机交互接口可以清楚的显示新加入的运动副、力矩、坐标等参量，帮助建立并调节各运动之间的联系。该软件可以将图像中的运动单位转换成运动学方程，并以交互式的人机交互方式展示模拟效果。通过对机构的动力学行为进行分析，将其运动方程求解到动力学模拟阶段，即可得到各个零件在不同运动状态下的各项参数变化规律。通过对机器的动力学特性进行模拟，可以准确地监控各部件的位移、速度和力矩等随时间的演变过程。通过该机构的模拟动画及相关的参量关系图，可以从各构件之间的相互影响、各部分的运动学边界等角度来评价该机构的设计方案与预定的目的是否一致。5.3.1仿真步骤基于Adams平台，利用Adams等有限元程序，通过对其进行有限元建模，实现只对核心构件的有限元计算。建立仿多足行走机器人时，有关参数需作理论上的设定。（1）假设多足机器人各运动部件均为刚体，并锁定无相对位置变化的构件；（2）根据多足机器人的结构和运动特征，在各关节处创建转动副和驱动力矩；（3）在仿真环境中创建虚拟地面，在足端和地面之间添加实体接触。在solidworks中首先构建三维模型，随后修改文件格式以适应仿真程序的导入需求。接着，在仿真软件内配置环境参数、运动关节以及扭矩等关键指标，启动仿真流程。通过此流程对一种多足机器人的构造进行深入分析。基于分析结果，对机械构造中存在的缺陷进行必要的修订与优化。最终，得出准确的仿真成果或相关数据。5.3.2仿真及结果分析对所设计的具有四条腿的类行为爬行机器人的模型进行转换处理后，接入Adams软件平台，并把其三维模型引入其中。考虑到机器人机构中有一些与运动无关的部件，因此，我们对其结构模型进行了简化，如附图5-3所展示的那样。接着，我们对导入的模型进行了单位设置和环境配置，其中重力加速度g被设定为9.80665m/s²，其方向朝向z轴正向。此外，我们还为该三维模型指定了铝合金作为其材料，并将其材料属性指定为aluminum。图5-3仿真模型导入Adams图5-4添加运动副和力矩如图5-4所示，对多足机器人各个旋转接头施加相应的旋转副限制，同时在无相对活动的部件上施加固定限制。依据多足机器人的步态规划策略，为机器人的运动接头设定相应的力矩和旋转角度，以模拟舵机的输出和仿真时间等相关的运动参数。在完成参数设置后，点击仿真按钮，即可对机器人进行虚拟仿真。•直线爬行运动仿真及分析（a）（b） （c） （d）（b）（c）图5-5机器人直线仿真步态图如图5-5呈现，在ADAMS仿真环境中，多足机器人以对角直线爬行步态存在于不同时间点的姿态。起初，机器人的所有足部均与地面接触。依据直线对角小跑步态规划（具体步态设计见5.2.2节），机器人完成了直线运动的仿真。（a） （b）（c） （d）（e） （f）图5-6多足机器人直线仿真关节角度变化通过观察图5-6呈现的多足机器人直线爬行过程中，仿真关节角度随时间演变的曲线，可以明显观察到关节角度的波动呈现出周期性的特征。每个关节角度的变化波动范围维持在15°左右，且波动的周期大约持续2.5秒。经过对曲线的详细分析，可以明确地得出结论：多足机器人关节角度的周期性变化与步态设计方案高度契合，这进一步证明了步态规划的科学性和有效性。机器人的动态主要依赖伺服电机在各个关节部位的协作，以实现其腿部的动作。在移动过程中，机器人会遇到阻碍，这就要求安装在关节上的伺服电机必须对抗这种阻力，执行正向的动力输出，产生必要的扭矩来推动机器人的脚步执行各种动作。利用ADAMS这样的虚拟仿真平台，可以在仿真测试中较为精确地计算出驱动各个关节所需的扭矩。（a） （b）（c） （d）（e） （f）图5-7多足机器人直线仿真关节受力在图5-7里，展示了在模拟过程中机器人的各个关节所受的驱动力矩的走势。去除了一些突兀的异常数据点后，可以观察到机器人进行抬腿动作的关节驱动力矩值介于0至0.1牛顿·米之间，而进行转向动作的关节驱动力矩值则介于0至1牛顿·米之间。这一观察结果反映了为了克服地面的摩擦力以及推动机身前行，转向关节所需的驱动力矩相较于抬腿关节有更宽的分布范围。•进行运动模拟与评估，选用向右转向作为具体实例。•转向运动仿真及分析（以右转为例）（a）（b） （c） （d）图5-8机器人转向步态图如图5-8呈现，在ADAMS仿真环境中，多足机器人进行右转爬行，其位姿在各个不同时间点有所不同。开始时，机器人的多足均与地面接触。基于设计的多足机器人转向不规则步态规划（具体步态设计见5.2.2节），实现了机器人在转向运动中的仿真。（a） （b）（c） （d）（e） （f）（g）图5-9多足机器人右转仿真关节角度变化观察图5-9所展示的多足机器人转换至爬行模式时，其仿真关节角度随时间演变的轨迹，可以明确地识别出抬腿关节以及前后腿的髋关节角度均呈现出周期性的波动。这些角度的变化波动其峰值稳定在15°，且整个波动周期大约持续2.5秒。特别地，在6秒的时刻，中间关节的角度归零，这标志着机器人转向过程的结束，随后机器人便切换至直线行进模式，此时中间关节不再参与动作。分析曲线显示，多足机器人的关节运动与其步态设计紧密匹配，证明了其转向步态策略的有效性。（a） （b）（c） （d）（e） （f）（g）图5-10多足机器人右转仿真关节受力图5-10展示了在机器人转向仿真过程中，其各个关节的驱动力矩的变化曲线。在此场景中，机器人受到了各种力的作用。在爬行转型过程中，结构呈现出非均衡状态，这导致不同关节的输出力矩出现差异。去除一些异常的突变数据点后，可以观察到抬腿关节的驱动力矩分布在0至0.1牛顿·米之间，而转向关节的驱动力矩分布在0至1牛顿·米之间。机身关节所使用的舵机主要功能是操纵机身进行扭转动作，以保障整体操作的灵活性，因此在曲线图中这些舵机产生的力矩相对较小。5.4本章小结设计合理的机构和准确的行走方式是保证运动平稳运行的前提。在此部分中，我们将讨论多足行走机器人的构造特征，并对其行走方式做进一步的分析，尤其是对角线运动方式。基于这个，再通过在此基础上，通过在多足行走机构中加入虚拟的约束条件及力矩，实现了多足行走机构在一个虚拟的空间中的运动及行走过程的仿真，验证机构的合理和运动控制的正确性。由模拟结果可知，各关节的扭矩范围为0~1N.m，其最大扭矩远小于本项目所选择的方向。也就是说，选择的方向是满足规格要求的，而且可以承载一些附加的载荷。所以，该系统能够在一般情况下完成对机械臂的负载要求。

6总结在深入探讨了国际与国内在已取得多足行走机器人机理研究成果的基础上，项目以解决现有多足行走机器人在力学构造上存在的复杂、柔性不足和难以实现精确操控等问题为目标，开展基于类行为学的多足行走机器人的创新性设计。这种设计避免了传统机器人的结构模式，而是选择了类似平面杆件并联机构的构造。结果表明，这种新型的多足机器人不仅具备高灵活性，而且结构更为简洁，非常适合执行如复杂地形物料搬运、情报侦察、外太空探索等多重任务。融合多足机械设计的规范与学术理论，本研究展开以下探索领域：依据多足生物的常见解剖特征，本研究模仿这些生物的移动方式，创建了一种多足机器人。该机器人的机械构造并非纯粹的生物类行为学复制，而是基于对生物结构的精细观察，对机器人的腿部关节进行了改良。设计中，每一个腿部髋关节取代了常规多足机器人中需要两个驱动器的功能，使得两条腿能够灵活转动。这种新颖的结构可以大大降低执行机构的数目。通过对机体进行适当的布局，可以方便地布置多足机械臂的硬件线路，并方便其它各模块的负载。利用位姿矩阵方法，建立了多足机械臂的运动学模型，并对其进行了分析。通过对多足机器人关键关节的动态研究，本研究详尽地解析了其关节的相对位置等关键参数。在此基础上，运用运动学原理对机器人关节的运动特性进行了深入探讨，构建了精确的关节位姿矩阵模型。通过将具体的关节角度数据输入该模型，可以有效地计算出各个关节在运动过程中的具体位姿。在规划多足机器人的步态时，依据其特定的机械构造，最初设定了平行步态和对角步态两种前进方式。然而，经过详尽的分析，发现平行步态可能会引发机器人的侧翻，因此决定放弃这种步态，换成了斜行的步态。在转弯方面，采用了一种不规则的行走方式，以满足各种行驶要求。在此基础上，利用运动模拟程序Adams对该多足行走机构进行了模拟与优选，验证了该机构的机构及行走方式的正确性。控制多足爬行机器人的核心在于驱动舵机的旋转，这涉及到对LX-16A型舵机的串行控制特性进行分析，并据此选择了适当的微控制器与对应的控制策略。针对控制计划的实施，精心挑选了适宜的设备和能源，并构建了一个基础的硬件回路。借助多足机器人行走机制，设计运动规划算法，进而编写控制程序。编写过程中，硬件与软件均遵循模块化设计，便于拓展多足机器人的研究范围。足式机器人作为机器人技术研究的一个焦点，始终吸引着众多研究者的目光。研究者们通过创新各种不同的机械结构，致力于开发出更加优秀的足式机器人。这种新型的机械臂在结构上进行了优化，使其具有较高的柔性和对各种不同的环境的适应性。在此基础上，提出了一种基于多足行走机构的新型多足行走机构，并对其进行了深入的研究。改进后的脚型结构，使其具有更多的行走方式，并可安装其它的模块来扩充其功能。比如，安装了摄像机，就可以用来检测环境；如果再加上一个磁性的吸盘，就可以让使用者上下运动了。

致谢时光匆匆，白驹过隙，四年的大学生活即将落下帷幕。站在毕业的门槛上，回首这段充满挑战与成长的历程，我不禁感慨万分。在这段宝贵的时光里，我认识了很多好朋友，他们一直陪伴着我，鼓励着我，帮助着我。光阴似箭，我的大学生活已经接近尾声，我不禁感叹，岁月过得真快，真舍不得放弃这美好的大学生活。回顾这些年的生活，真的很宝贵，也很难忘记，这些都是我一生中最重要的记忆，也是我今后生活的基石。很感激这些年来在我生活中给予我帮助的人与物，谢谢他们一直以来的相伴与支持。首先，我要感激母校给我们营造了一个很好的学习气氛，经过这些年的大学生活，我们已经由懵懂的孩子变成了有独立思考能力的人类，我们的思维发生了变化，我们的