【正文】 的一款四足步行機器人，如圖 16 所示。它采用開環(huán)關節(jié)連桿機構(gòu)作為步行機構(gòu)，通過模擬動物的運動機理，實現(xiàn)比較穩(wěn)定的節(jié)律運動，可以自主應付復雜的地形條件，完成上下坡行走、越障等功能。不足之處是腿運動時的協(xié)調(diào)控制比較復雜，而且承載能力較小。綜上所述，美國、日本的研究最具代表性，其技術水平已經(jīng)較為先進，實用化程度也在逐步提高。國內(nèi)四足步行機器的研究起步比較晚，在上個世紀 90 年代以后才逐步有了成果，但研究水平據(jù)世界先進水平還有差距。 機器人學主要涉及的學科內(nèi)容機器人學主要涉及控制論、仿生機構(gòu)學和人工智能三大基礎學科。人工智能人工智能的研究，采用計算機科學的觀點和方法，撇開人腦的細微結(jié)構(gòu)，單純進行人腦宏觀功能的模擬。人工智能是在 20 世紀 50 年代后半期，即電子計算機的發(fā)展已具備各種復雜工作能力是形成的。電子技術電子技術的進步，特別是微處理器、存儲器及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，使得聊城大學本科畢業(yè)論文vi機器人的控制能力提高，而體積減小。另外，大容量晶體管、柵控閘流晶體管、場效應管等電子元件的開發(fā)，促進了機器人伺服驅(qū)動技術的發(fā)展。傳感技術這是涉及很多學科領域的技術。機器人有視覺、聽覺和觸覺等感覺，相應傳感技術包括視覺系統(tǒng)的模式識別技術，環(huán)境的情景分析，三維位置測量技術和皮膚的感覺（如觸覺、壓覺等力的感覺） ，其他還有語音識別和自然語言理解等。機械技術機器人的手和足要能像人一樣靈活動作，必須要有精密靈巧的機械裝置。小型高強度機械裝置的研制，對機器人手、足機構(gòu)的改進起到了很大的推動作用。仿生機構(gòu)技術機器人作為一種擬人（動物）的自動機械裝置，就應該像人（動物）一樣有手腳，而且實現(xiàn)像人或動物一樣以步行方式行走是機器人學研究領域最重要的一個方向。因此，必須進行行走步態(tài)、重心轉(zhuǎn)移、移動導向、穩(wěn)定步行等仿生問題的研究。機器人還涉及到其他領域，如材料科學、心理學等其他學科。總之，機器人學是一門綜合性的學科，它的發(fā)展和進步與其他相關學科的發(fā)展密切相關。 課題簡介本課題所設計的是一種四足行走機器人。目前國際上對四足行走機器人的研究相當熱門，技術也已相當成熟，主要集中在電子寵物機器人領域，如前所述的日本及美國的機器狗，均標志著兩國在機器人和機器動物研制領域已處于世界領先地位。由于現(xiàn)實世界中，狗占據(jù)著寵物的“霸主”地位，故本課題選擇狗的外形作為四足行走機器人外形的參考模型；而且，狗作為人類的得力助手，在福利助殘(導盲犬 )，對付犯罪 (緝毒犬、警犬等) 等方面能發(fā)揮重要的作用，故本課題的研究就具有重大的現(xiàn)實意義。本課題的研究重點是設計一種四足行走行走機構(gòu)，并設計了一種脊柱轉(zhuǎn)彎機構(gòu)，以這兩種機構(gòu)為基礎，以狗外形作為外形參考模型，設計了一種四足行走機器人( 機器狗 )。本課題的主要任務是提供一個比較完善的行走機器人機械系統(tǒng)，為開發(fā)完整的行走機器人系統(tǒng)提供硬件支持。聊城大學本科畢業(yè)論文vii本課題所設計的機器人的腿機構(gòu)技術性能如下：腿機構(gòu)的自由度：3 個機構(gòu)所含的運動副：轉(zhuǎn)動副、移動副在支撐相 ①中，足端相對于機身運動狀況：理論上絕對水平勻速直線運動支撐相相位角：3π/2懸空相 ①相位角：π/2機構(gòu)的外形：具有哺乳動物腿的外形本課題所設計的機器人技術性能如下：外形尺寸：895 *808*322? 電源：12V 鎘鎳堿性蓄電池? 運動形式：可前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)? 步距：150mm（正常前進時）? 步行速度：可變? 智能水平：無(待開發(fā))? 負載：無 機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述 機器人基本上是由機械本體結(jié)構(gòu)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、通信接口等部分組成。機械本體結(jié)構(gòu)：從機構(gòu)學的角度來分析，機器人的機械結(jié)構(gòu)可以看作有一系列連桿通過旋轉(zhuǎn)關節(jié)（或移動關節(jié)）連接起來的開式運動鏈。①步行機器人在運動過程中，各腿交替的呈現(xiàn)兩種不同的狀態(tài)，即支撐狀態(tài)和懸空狀態(tài)。腿處于支撐狀態(tài)時，足端與地面接觸支持機體重量，并且推動機體前進，這種狀態(tài)稱為支撐相。②當腿處于懸空狀態(tài)時，足端抬離地面，向前邁步為下一個支撐相作準備，這種狀態(tài)稱為懸空相。聊城大學本科畢業(yè)論文viii關節(jié)伺服驅(qū)動系統(tǒng)：機器人本體機械結(jié)構(gòu)的動作靠的是關節(jié)驅(qū)動，機器人的關節(jié)驅(qū)動大多是基于閉環(huán)控制的原理來進行的。常用的驅(qū)動單元是各種伺服電機，由于一般伺服電機的輸出轉(zhuǎn)速很高(1000r/min~10000r/min)，因此，在電機與負載之間用一套傳動裝置來進行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的匹配。計算機控制系統(tǒng)：各關節(jié)伺服驅(qū)動的指令值由主計算機計算后在每個采樣周期給出。計算機通過軌跡規(guī)劃，得到空間軌跡在各采樣時刻的數(shù)據(jù)，通過逆運動學計算把空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)楦麝P節(jié)的指令值。4．感知系統(tǒng)與通信接口：機器人要正常地進行工作，必須與周圍環(huán)境保持密切的聯(lián)系。除了關節(jié)伺服驅(qū)動系統(tǒng)中供反饋用的位置、速度、加速度的傳感器(稱為機器人的內(nèi)部傳感器)，機器人還可配備視覺、力覺、觸覺、接近覺等等多種類型的傳感器(稱為機器人的外部傳感器) ，以及傳感信號的采集處理系統(tǒng)。 四足機器人研發(fā)流程四足行走機器人的研發(fā)流程如圖 21 所示。首先，采用虛擬樣機技術（vitual prototype） ，利用三維造型軟件]5[（PRO/E）建立機器人機械部分的三維實體模型；然后利用動力學分析軟件（ADAMS）建立機械系統(tǒng)的運動學和動力學模型，進行動力學仿真；與此同時，進行四足機器人的控制、驅(qū)動和傳感器子系統(tǒng)設計。最后，對機器人各個系統(tǒng)進行集成、調(diào)試，根據(jù)調(diào)試的結(jié)果修改設計缺陷，對整個系統(tǒng)進行循環(huán)改進，直至獲得最優(yōu)設計方案后，再制作物理樣機。聊城大學本科畢業(yè)論文ix機構(gòu)設計 步態(tài)規(guī)劃設計 運動學、動 力學分析 控制子系統(tǒng)的設計 驅(qū)動子系統(tǒng)的設計總體設計建模仿真 兼容性分析傳感器子系統(tǒng)的設計加工物理樣機圖 21 四足機器人的研發(fā)流程任務 四足機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計任務：本課題并未要求規(guī)劃機器人的任務，因此，在本節(jié)系統(tǒng)規(guī)劃中將其納入機器人系統(tǒng)中，但在后續(xù)設計中并不進行具體設計。環(huán)境：機器人的移動機構(gòu)形式取決于移動環(huán)境。廣義的移動環(huán)境包括氣體環(huán)境、液體環(huán)境、固體環(huán)境和混合環(huán)境。本課題所設計的機器人的移動環(huán)境是陸上表面環(huán)境。其特點是表面較硬、凹凸不平、有障礙、獨立（即環(huán)境不應因機器人的運動而改變） 。控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)由計算機系統(tǒng)及相應的軟件組成。計算機系統(tǒng)可由二級或三級組成，由主計算機完成智能控制功能，從計算機產(chǎn)生行走控制信號。本設計完成了從計算機子系統(tǒng)，實現(xiàn)了行走控制功能。調(diào)整優(yōu)化聊城大學本科畢業(yè)論文x任務 環(huán)境機器人模型環(huán)境模型工作任務程序控制算法外部傳感器行走機構(gòu)、轉(zhuǎn)彎機構(gòu)減速機構(gòu)動力裝置（伺服電機）接口電路內(nèi)部傳感器機器人控制系統(tǒng)計算機語言 交互作用22 機器人結(jié)構(gòu)框架圖機器人本體：機器人本體主要由三個部分組成：動力裝置（伺服電機） 、減速裝置、執(zhí)行機構(gòu)（行走機構(gòu)、轉(zhuǎn)彎機構(gòu)） 。通過內(nèi)部傳感器（光電編碼器等）將這三部分有機地結(jié)合在一起。本課題中使用了直流伺服電機作為動力裝置，12V 蓄電池為系統(tǒng)提供能量；也使用了齒輪副作為二級、三級減速；使用了一種三自由度的平面關節(jié)式腿機構(gòu)作為行走機構(gòu)；轉(zhuǎn)彎功能通過一種脊柱機構(gòu)完成。系統(tǒng)集成：要把以上四個部分結(jié)合在一起，構(gòu)成一個有機的機器人系統(tǒng)，完成了如下工作：利用計算機語言將任務“告訴”控制系統(tǒng)，經(jīng)控制系統(tǒng)處理后，產(chǎn)生控制信號，經(jīng)過接口電路，控制伺服電機動作，機器人在具體的環(huán)境中運動，與環(huán)境相互作用，通過外部傳感器，將環(huán)境信息采集處理后傳輸給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)指導機器人如何動作。 機構(gòu)設計是四足機器人系統(tǒng)設計的基礎，整體機械結(jié)構(gòu)、自由度數(shù)、驅(qū)動方聊城大學本科畢業(yè)論文xi式和傳動機構(gòu)等都會直接影響機器人的運動和動力性能。同時四足機器人在機構(gòu)設計除了需要滿足系統(tǒng)的技術性能外，還需要滿足經(jīng)濟性要求，即必須在滿足機器人的預期技術指標的同時，考慮用材合理、制造安裝簡單以及可靠性高等問題。 機器人機械設計的內(nèi)容及特點所謂“機械” ，經(jīng)典的定義就是“按確定的位置相互聯(lián)結(jié)，并按一定的規(guī)律相對運動的機構(gòu)或零件的組合體。通過這種組合可以達到減輕或代替人的勞動，完成有用的機械功或轉(zhuǎn)換機械能的目的” 。機器人的機械設計與一般的機械設計相比，許多方面是類似的，但是也有不少特殊之處。首先，從機構(gòu)學的角度來分析，機器人的機械結(jié)構(gòu)可以看作有一系列連桿通過旋轉(zhuǎn)關節(jié)（或移動關節(jié)）連接起來的開式運動鏈。開鏈結(jié)構(gòu)使得機器人的運動分析和靜力分析復雜化，兩相鄰連桿坐標系之間的位姿關系、手臂末端操作器的位姿與各關節(jié)變量之間的關系、末端操作器上的受力和各關節(jié)力矩（或力）之間的關系等，均不是一般機構(gòu)分析方法能解決得了的，而要建立一套針對空間開鏈機構(gòu)的特殊的運動學、靜力學分析方法。末端的位置、速度、加速度和各關節(jié)力矩（或力）之間的關系是動力分析的主要內(nèi)容，在開鏈結(jié)構(gòu)中，每個關節(jié)的運動受到其他關節(jié)運動的影響，作用在每個關節(jié)上的重力負載和慣性負載隨著手臂的形位變化，在高速情況下，還存在不容忽視的力心理和哥氏力的影響，因此，嚴格地講，機器人是一個多輸入多輸出的非線性的強耦合的位置時變的動力學系統(tǒng)，動力學分析十分復雜，即使經(jīng)過一定程度的簡化，也區(qū)別于一般的機構(gòu)分析方法。其次，機器人的開鏈結(jié)構(gòu)形式比期一般機構(gòu)來說，雖在靈巧性和空間可達性等方面要好得多，但是由于開鏈結(jié)構(gòu)相當于一系列懸臂桿件串聯(lián)在一起，機械誤差和彈性變形的累積，使機器人的剛度和精度大受影響，也就是說，這種形式的機器人在運動傳遞上存在先天的不足。一般機械設計主要是強度設計，機器人的機械設計既要滿足強度要求，又要考慮剛度和精度設計。為了克服開鏈機構(gòu)的缺陷，目前已發(fā)展了基于閉鏈結(jié)構(gòu)的機器人。再次，機器人的機械結(jié)構(gòu)，特別是關節(jié)傳動系統(tǒng)，使整個機器人伺服系統(tǒng)中的一個組成環(huán)節(jié)，因此，機器人的機械設計具有機電一體化的特點，比如，一般機械對運動部件的慣量控制只是從減少驅(qū)動功率著眼的，而對機器人來說，常從聊城大學本科畢業(yè)論文xii縮短機電時間常數(shù)、提高機器人的快速響應能力這一角度出發(fā)來控制慣量的。再如，一般的機械設計中控制機械諧振頻率是為了保證不破壞，而在機器人上，是從運動的穩(wěn)定性、快速性等伺服性能角度來控制機械諧振頻率的 。]5[此外，與一般機械的設計相比，機器人的機械設計在結(jié)構(gòu)的靈巧性、緊湊性等方面有更高的要求。 機械結(jié)構(gòu)總體設計對于行走機器人來說，總體機械結(jié)構(gòu)可分為三大部分：行走機構(gòu)、轉(zhuǎn)彎機構(gòu)、動力傳輸機構(gòu)（伺服驅(qū)動系統(tǒng)） 。四足行走機器人機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖 3]6[1，機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三維實體圖 32: 圖 31 機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖設計說明：脊柱中有四根鋼絲，拉放這四根鋼絲，可使脊柱在空間任意彎曲，從而使機體具有柔性。拉放左右兩根鋼絲，可使機體左右轉(zhuǎn)彎；腿的運動過程如下：伺服電機 11 的輸出通過諧波齒輪減速器 二級減速齒輪 螺旋齒輪副 3 減速，使膝關節(jié)凸輪、髖關節(jié)凸輪、主凸輪轉(zhuǎn)動，這些凸輪相互配合使腿按照一定的規(guī)律運動，從而實現(xiàn)機體的運動。前后兩腿通過聯(lián)軸節(jié) 6 聯(lián)接。聊城大學本科畢業(yè)論文xiii 行走機構(gòu)的研究 概述在行走機器人機械系統(tǒng)設計中，最重要的是行走機構(gòu)（腿）的設計。因此，對行走機構(gòu)進行研究很有必要。從仿生學的角度出發(fā)，我們將行走機構(gòu)稱為“腿” 。在行走機器人研究中，人們多是著力于讓機器采用類似于動物的腿的機構(gòu)，即關節(jié)式機構(gòu)。 腿機構(gòu)的基本要求從運動角度出發(fā)，在行走過程中，一般要求處于支撐狀態(tài)的足端（貼在地面的足端）相對于機身走直線軌跡，這樣才不至于因機身重心上下波動而消耗不必要的能量，同時有利于各支撐足驅(qū)動時的協(xié)調(diào)運動和機身姿態(tài)的控制。為了使行走機器人能在不平的地面上行走，以及腿復位的需要，腿的伸長（即足端相對于機身的高度）應該是可變的。從機器人整體的行走性能出發(fā)，一方面要求機體能走出直線運動或平面曲線軌跡（在嚴重崎嶇不平地面） ，另一方面要求能夠轉(zhuǎn)向。當前進運動和轉(zhuǎn)向運動均由腿的運動完成時，腿機構(gòu)應不少于三個自由度，并且足端具備一個實體的工作空間。當機體的運動由腿機構(gòu)之外的其他獨立的轉(zhuǎn)向機構(gòu)完成時，腿機構(gòu)可以是兩自由度的平面機構(gòu)。當機器人機體的推進和轉(zhuǎn)向運動均由復合機架完成時，圖 32 機器人機械結(jié)構(gòu)三維實體圖聊城大學本科畢業(yè)論文xiv只要求單自由度的伸縮腿機構(gòu)。行走機器人的腿在行走過程中交替地支撐機體的重量，并在附中狀態(tài)下推進機體向前運動，因此，腿機構(gòu)必須具備與整機重量相適應的剛性和承載能力，只有這樣，在不至于患“軟骨病” 。 四足動物行走的特點四足動物（如狗）正常行走（非奔跑狀態(tài)）時，四條腿的協(xié)調(diào)動作順序一般按對角線原則，即如左前腿→右后腿→左后腿→右前腿→左前腿→……如此循環(huán)下去。在每一時刻，至少有三條腿著地，支撐著機體，即最多只有一條腿抬起，腳掌離地。因此，對于每條腿的運動來說，腳掌離地時間與著地時間之比為1:3。 四足行走機器人腿機構(gòu)的要求根據(jù)如前所述的腿機構(gòu)的基本要求以及四足動物行走的特點，對四足行走機器人腿機構(gòu)提出如下要求 ：]7[1. 腿的足端部相對于機體的運動軌跡形狀應如“ ”。直線段對應的就是足支撐機體的運動軌跡（支撐相） ，曲線段對應的是腳掌離開地面部分的足端運動軌跡（懸空相） 。2. 為了不至于使機器人在運