【正文】 的一款四足步行機(jī)器人，如圖 16 所示。它采用開環(huán)關(guān)節(jié)連桿機(jī)構(gòu)作為步行機(jī)構(gòu)，通過模擬動物的運(yùn)動機(jī)理，實(shí)現(xiàn)比較穩(wěn)定的節(jié)律運(yùn)動，可以自主應(yīng)付復(fù)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(yùn)動時(shí)的協(xié)調(diào)控制比較復(fù)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(shù)水平已經(jīng)較為先進(jìn)，實(shí)用化程度也在逐步提高。國內(nèi)四足步行機(jī)器的研究起步比較晚，在上個世紀(jì) 90 年代以后才逐步有了成果，但研究水平據(jù)世界先進(jìn)水平還有差距。 機(jī)器人學(xué)主要涉及的學(xué)科內(nèi)容機(jī)器人學(xué)主要涉及控制論、仿生機(jī)構(gòu)學(xué)和人工智能三大基礎(chǔ)學(xué)科。人工智能人工智能的研究，采用計(jì)算機(jī)科學(xué)的觀點(diǎn)和方法，撇開人腦的細(xì)微結(jié)構(gòu)，單純進(jìn)行人腦宏觀功能的模擬。人工智能是在 20 世紀(jì) 50 年代后半期，即電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展已具備各種復(fù)雜工作能力是形成的。電子技術(shù)電子技術(shù)的進(jìn)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(xué)本科畢業(yè)論文vi機(jī)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(yīng)管等電子元件的開發(fā)，促進(jìn)了機(jī)器人伺服驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展。傳感技術(shù)這是涉及很多學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)。機(jī)器人有視覺、聽覺和觸覺等感覺，相應(yīng)傳感技術(shù)包括視覺系統(tǒng)的模式識別技術(shù)，環(huán)境的情景分析，三維位置測量技術(shù)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(jī)械技術(shù)機(jī)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(jī)械裝置。小型高強(qiáng)度機(jī)械裝置的研制，對機(jī)器人手、足機(jī)構(gòu)的改進(jìn)起到了很大的推動作用。仿生機(jī)構(gòu)技術(shù)機(jī)器人作為一種擬人（動物）的自動機(jī)械裝置，就應(yīng)該像人（動物）一樣有手腳，而且實(shí)現(xiàn)像人或動物一樣以步行方式行走是機(jī)器人學(xué)研究領(lǐng)域最重要的一個方向。因此，必須進(jìn)行行走步態(tài)、重心轉(zhuǎn)移、移動導(dǎo)向、穩(wěn)定步行等仿生問題的研究。機(jī)器人還涉及到其他領(lǐng)域，如材料科學(xué)、心理學(xué)等其他學(xué)科?？傊瑱C(jī)器人學(xué)是一門綜合性的學(xué)科，它的發(fā)展和進(jìn)步與其他相關(guān)學(xué)科的發(fā)展密切相關(guān)。 課題簡介本課題所設(shè)計(jì)的是一種四足行走機(jī)器人。目前國際上對四足行走機(jī)器人的研究相當(dāng)熱門，技術(shù)也已相當(dāng)成熟，主要集中在電子寵物機(jī)器人領(lǐng)域，如前所述的日本及美國的機(jī)器狗，均標(biāo)志著兩國在機(jī)器人和機(jī)器動物研制領(lǐng)域已處于世界領(lǐng)先地位。由于現(xiàn)實(shí)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(jī)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(dǎo)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(shí)意義。本課題的研究重點(diǎn)是設(shè)計(jì)一種四足行走行走機(jī)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了一種脊柱轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)，以這兩種機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，以狗外形作為外形參考模型，設(shè)計(jì)了一種四足行走機(jī)器人( 機(jī)器狗 )。本課題的主要任務(wù)是提供一個比較完善的行走機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)，為開發(fā)完整的行走機(jī)器人系統(tǒng)提供硬件支持。聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文vii本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)器人的腿機(jī)構(gòu)技術(shù)性能如下：腿機(jī)構(gòu)的自由度：3 個機(jī)構(gòu)所含的運(yùn)動副：轉(zhuǎn)動副、移動副在支撐相 ①中，足端相對于機(jī)身運(yùn)動狀況：理論上絕對水平勻速直線運(yùn)動支撐相相位角：3π/2懸空相 ①相位角：π/2機(jī)構(gòu)的外形：具有哺乳動物腿的外形本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)器人技術(shù)性能如下：外形尺寸：895 *808*322? 電源：12V 鎘鎳堿性蓄電池? 運(yùn)動形式：可前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)? 步距：150mm（正常前進(jìn)時(shí)）? 步行速度：可變? 智能水平：無(待開發(fā))? 負(fù)載：無 機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述 機(jī)器人基本上是由機(jī)械本體結(jié)構(gòu)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、通信接口等部分組成。機(jī)械本體結(jié)構(gòu)：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)（或移動關(guān)節(jié)）連接起來的開式運(yùn)動鏈。①步行機(jī)器人在運(yùn)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(shí)，足端與地面接觸支持機(jī)體重量，并且推動機(jī)體前進(jìn)，這種狀態(tài)稱為支撐相。②當(dāng)腿處于懸空狀態(tài)時(shí)，足端抬離地面，向前邁步為下一個支撐相作準(zhǔn)備，這種狀態(tài)稱為懸空相。聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文viii關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動系統(tǒng)：機(jī)器人本體機(jī)械結(jié)構(gòu)的動作靠的是關(guān)節(jié)驅(qū)動，機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動大多是基于閉環(huán)控制的原理來進(jìn)行的。常用的驅(qū)動單元是各種伺服電機(jī)，由于一般伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速很高(1000r/min~10000r/min)，因此，在電機(jī)與負(fù)載之間用一套傳動裝置來進(jìn)行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的匹配。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：各關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動的指令值由主計(jì)算機(jī)計(jì)算后在每個采樣周期給出。計(jì)算機(jī)通過軌跡規(guī)劃，得到空間軌跡在各采樣時(shí)刻的數(shù)據(jù)，通過逆運(yùn)動學(xué)計(jì)算把空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)楦麝P(guān)節(jié)的指令值。4．感知系統(tǒng)與通信接口：機(jī)器人要正常地進(jìn)行工作，必須與周圍環(huán)境保持密切的聯(lián)系。除了關(guān)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(jī)器人的內(nèi)部傳感器)，機(jī)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(jī)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(jī)器人研發(fā)流程四足行走機(jī)器人的研發(fā)流程如圖 21 所示。首先，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)（vitual prototype） ，利用三維造型軟件]5[（PRO/E）建立機(jī)器人機(jī)械部分的三維實(shí)體模型；然后利用動力學(xué)分析軟件（ADAMS）建立機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型，進(jìn)行動力學(xué)仿真；與此同時(shí)，進(jìn)行四足機(jī)器人的控制、驅(qū)動和傳感器子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。最后，對機(jī)器人各個系統(tǒng)進(jìn)行集成、調(diào)試，根據(jù)調(diào)試的結(jié)果修改設(shè)計(jì)缺陷，對整個系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)改進(jìn)，直至獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案后，再制作物理樣機(jī)。聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文ix機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 步態(tài)規(guī)劃設(shè)計(jì) 運(yùn)動學(xué)、動 力學(xué)分析 控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 驅(qū)動子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)建模仿真 兼容性分析傳感器子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)加工物理樣機(jī)圖 21 四足機(jī)器人的研發(fā)流程任務(wù) 四足機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)：本課題并未要求規(guī)劃機(jī)器人的任務(wù)，因此，在本節(jié)系統(tǒng)規(guī)劃中將其納入機(jī)器人系統(tǒng)中，但在后續(xù)設(shè)計(jì)中并不進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。環(huán)境：機(jī)器人的移動機(jī)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(shè)計(jì)的機(jī)器人的移動環(huán)境是陸上表面環(huán)境。其特點(diǎn)是表面較硬、凹凸不平、有障礙、獨(dú)立（即環(huán)境不應(yīng)因機(jī)器人的運(yùn)動而改變） 。控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及相應(yīng)的軟件組成。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可由二級或三級組成，由主計(jì)算機(jī)完成智能控制功能，從計(jì)算機(jī)產(chǎn)生行走控制信號。本設(shè)計(jì)完成了從計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了行走控制功能。調(diào)整優(yōu)化聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文x任務(wù) 環(huán)境機(jī)器人模型環(huán)境模型工作任務(wù)程序控制算法外部傳感器行走機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)減速機(jī)構(gòu)動力裝置（伺服電機(jī)）接口電路內(nèi)部傳感器機(jī)器人控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)語言 交互作用22 機(jī)器人結(jié)構(gòu)框架圖機(jī)器人本體：機(jī)器人本體主要由三個部分組成：動力裝置（伺服電機(jī)） 、減速裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（行走機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)） 。通過內(nèi)部傳感器（光電編碼器等）將這三部分有機(jī)地結(jié)合在一起。本課題中使用了直流伺服電機(jī)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(guān)節(jié)式腿機(jī)構(gòu)作為行走機(jī)構(gòu)；轉(zhuǎn)彎功能通過一種脊柱機(jī)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(jī)的機(jī)器人系統(tǒng)，完成了如下工作：利用計(jì)算機(jī)語言將任務(wù)“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(jī)動作，機(jī)器人在具體的環(huán)境中運(yùn)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(dǎo)機(jī)器人如何動作。 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是四足機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，整體機(jī)械結(jié)構(gòu)、自由度數(shù)、驅(qū)動方聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xi式和傳動機(jī)構(gòu)等都會直接影響機(jī)器人的運(yùn)動和動力性能。同時(shí)四足機(jī)器人在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)除了需要滿足系統(tǒng)的技術(shù)性能外，還需要滿足經(jīng)濟(jì)性要求，即必須在滿足機(jī)器人的預(yù)期技術(shù)指標(biāo)的同時(shí)，考慮用材合理、制造安裝簡單以及可靠性高等問題。 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)的內(nèi)容及特點(diǎn)所謂“機(jī)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(yùn)動的機(jī)構(gòu)或零件的組合體。通過這種組合可以達(dá)到減輕或代替人的勞動，完成有用的機(jī)械功或轉(zhuǎn)換機(jī)械能的目的” 。機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)與一般的機(jī)械設(shè)計(jì)相比，許多方面是類似的，但是也有不少特殊之處。首先，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)（或移動關(guān)節(jié)）連接起來的開式運(yùn)動鏈。開鏈結(jié)構(gòu)使得機(jī)器人的運(yùn)動分析和靜力分析復(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，而要建立一套針對空間開鏈機(jī)構(gòu)的特殊的運(yùn)動學(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)系是動力分析的主要內(nèi)容，在開鏈結(jié)構(gòu)中，每個關(guān)節(jié)的運(yùn)動受到其他關(guān)節(jié)運(yùn)動的影響，作用在每個關(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，還存在不容忽視的力心理和哥氏力的影響，因此，嚴(yán)格地講，機(jī)器人是一個多輸入多輸出的非線性的強(qiáng)耦合的位置時(shí)變的動力學(xué)系統(tǒng)，動力學(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。其次，機(jī)器人的開鏈結(jié)構(gòu)形式比期一般機(jī)構(gòu)來說，雖在靈巧性和空間可達(dá)性等方面要好得多，但是由于開鏈結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一系列懸臂桿件串聯(lián)在一起，機(jī)械誤差和彈性變形的累積，使機(jī)器人的剛度和精度大受影響，也就是說，這種形式的機(jī)器人在運(yùn)動傳遞上存在先天的不足。一般機(jī)械設(shè)計(jì)主要是強(qiáng)度設(shè)計(jì)，機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)既要滿足強(qiáng)度要求，又要考慮剛度和精度設(shè)計(jì)。為了克服開鏈機(jī)構(gòu)的缺陷，目前已發(fā)展了基于閉鏈結(jié)構(gòu)的機(jī)器人。再次，機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，特別是關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)，使整個機(jī)器人伺服系統(tǒng)中的一個組成環(huán)節(jié)，因此，機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)具有機(jī)電一體化的特點(diǎn)，比如，一般機(jī)械對運(yùn)動部件的慣量控制只是從減少驅(qū)動功率著眼的，而對機(jī)器人來說，常從聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xii縮短機(jī)電時(shí)間常數(shù)、提高機(jī)器人的快速響應(yīng)能力這一角度出發(fā)來控制慣量的。再如，一般的機(jī)械設(shè)計(jì)中控制機(jī)械諧振頻率是為了保證不破壞，而在機(jī)器人上，是從運(yùn)動的穩(wěn)定性、快速性等伺服性能角度來控制機(jī)械諧振頻率的 。]5[此外，與一般機(jī)械的設(shè)計(jì)相比，機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)的靈巧性、緊湊性等方面有更高的要求。 機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)對于行走機(jī)器人來說，總體機(jī)械結(jié)構(gòu)可分為三大部分：行走機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)、動力傳輸機(jī)構(gòu)（伺服驅(qū)動系統(tǒng)） 。四足行走機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖 3]6[1，機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三維實(shí)體圖 32: 圖 31 機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖設(shè)計(jì)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(jī)體具有柔性。拉放左右兩根鋼絲，可使機(jī)體左右轉(zhuǎn)彎；腿的運(yùn)動過程如下：伺服電機(jī) 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(guān)節(jié)凸輪、髖關(guān)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(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)體的運(yùn)動。前后兩腿通過聯(lián)軸節(jié) 6 聯(lián)接。聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xiii 行走機(jī)構(gòu)的研究 概述在行走機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，最重要的是行走機(jī)構(gòu)（腿）的設(shè)計(jì)。因此，對行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究很有必要。從仿生學(xué)的角度出發(fā)，我們將行走機(jī)構(gòu)稱為“腿” 。在行走機(jī)器人研究中，人們多是著力于讓機(jī)器采用類似于動物的腿的機(jī)構(gòu)，即關(guān)節(jié)式機(jī)構(gòu)。 腿機(jī)構(gòu)的基本要求從運(yùn)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(jī)身走直線軌跡，這樣才不至于因機(jī)身重心上下波動而消耗不必要的能量，同時(shí)有利于各支撐足驅(qū)動時(shí)的協(xié)調(diào)運(yùn)動和機(jī)身姿態(tài)的控制。為了使行走機(jī)器人能在不平的地面上行走，以及腿復(fù)位的需要，腿的伸長（即足端相對于機(jī)身的高度）應(yīng)該是可變的。從機(jī)器人整體的行走性能出發(fā)，一方面要求機(jī)體能走出直線運(yùn)動或平面曲線軌跡（在嚴(yán)重崎嶇不平地面） ，另一方面要求能夠轉(zhuǎn)向。當(dāng)前進(jìn)運(yùn)動和轉(zhuǎn)向運(yùn)動均由腿的運(yùn)動完成時(shí)，腿機(jī)構(gòu)應(yīng)不少于三個自由度，并且足端具備一個實(shí)體的工作空間。當(dāng)機(jī)體的運(yùn)動由腿機(jī)構(gòu)之外的其他獨(dú)立的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)完成時(shí)，腿機(jī)構(gòu)可以是兩自由度的平面機(jī)構(gòu)。當(dāng)機(jī)器人機(jī)體的推進(jìn)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動均由復(fù)合機(jī)架完成時(shí)，圖 32 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)三維實(shí)體圖聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xiv只要求單自由度的伸縮腿機(jī)構(gòu)。行走機(jī)器人的腿在行走過程中交替地支撐機(jī)體的重量，并在附中狀態(tài)下推進(jìn)機(jī)體向前運(yùn)動，因此，腿機(jī)構(gòu)必須具備與整機(jī)重量相適應(yīng)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(diǎn)四足動物（如狗）正常行走（非奔跑狀態(tài)）時(shí)，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(shí)刻，至少有三條腿著地，支撐著機(jī)體，即最多只有一條腿抬起，腳掌離地。因此，對于每條腿的運(yùn)動來說，腳掌離地時(shí)間與著地時(shí)間之比為1:3。 四足行走機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)的要求根據(jù)如前所述的腿機(jī)構(gòu)的基本要求以及四足動物行走的特點(diǎn)，對四足行走機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)提出如下要求 ：]7[1. 腿的足端部相對于機(jī)體的運(yùn)動軌跡形狀應(yīng)如“ ”。直線段對應(yīng)的就是足支撐機(jī)體的運(yùn)動軌跡（支撐相） ，曲線段對應(yīng)的是腳掌離開地面部分的足端運(yùn)動軌跡（懸空相） 。2. 為了不至于使機(jī)器人在運(yùn)