【正文】 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 摘 要 四足機(jī)器人作為仿生機(jī)器人的一種，得到了廣泛的研究。行走機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)是四足機(jī)器人最關(guān)鍵的部分，目前，行走機(jī)構(gòu)的研究大多采用在腿機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)處安裝伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，增加了機(jī)器人的重量和控制策略的難度。并且，機(jī)器人本體大多是一個(gè)剛性整體，轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)研究不足。為此，項(xiàng)目將四足機(jī)器人本體作為一個(gè)柔性整體，采用三維建模軟件 Pro/ 設(shè)計(jì)了四足機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)，提出了一種新穎的凸輪控制驅(qū)動(dòng)式行走機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種腿機(jī)構(gòu)以及相應(yīng)的凸輪控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并初步設(shè)計(jì)了柔性轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，論文采用主從式控制方式設(shè)計(jì)了四足機(jī)器人的控制系統(tǒng)，重點(diǎn)討論了以 8051 單片機(jī)為控制器的行走機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：四足機(jī)器人；行走機(jī)構(gòu)；凸輪驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)；三維設(shè)計(jì)AbstractQuadruped robot as one of biomimetic robots, has been extensively studied. Travel agencies and institutions is a quadruped robot turning the key, At the present, servo motor is installed in the leg joints of the most travel agencies, increasing the weight of the robot and the difficulty of the control system strategy . And most of the robot is a rigid body as a whole, and the research of the turning institutions is not fully studied . For this purpose, the project will take fourlegged robot whole body as a flexible rigid body, and threedimensional modeling software Pro/ is used for designing quadruped robot mechanical systems, a new travel agency based on cam control drive is proposed , a kind of leg mechanism and control of the corresponding cam drive mechanism is designed, and a flexible turning institution is preliminary designed. Based on this work, the control system of the robot was designed. Especially, control systems of the stepped mechanism and the wheel mechanism were analyzed detailed.聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文iKey words: quadruped robot。 stepped mechanism。 cam drive。 control system 。three dimensional design。目 錄 ...........................................................................................................1 機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展 ........................................1 國(guó)內(nèi)外四足行走機(jī)器人得研究概況 ..................................2 機(jī)器人學(xué)主要涉及的學(xué)科內(nèi)容 ......................................4 課題簡(jiǎn)介 .......................................................5 ...............................................................................6 機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述 ..............................................6 四足機(jī)器人研發(fā)流程 .............................................7 四足機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ..........................................9 .................................................10 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)的內(nèi)容及特點(diǎn) ....................................10 機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì) ..............................................11 行走機(jī)構(gòu)的研究 .................................................13 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 ............................................19 轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) ................................................24 腱機(jī)構(gòu) .......................................................28 機(jī)器人的外形設(shè)計(jì) ..............................................28 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ................................................29 .............................................................................35 傳感器 .........................................................35 控制器 ........................................................36 控制系統(tǒng) .......................................................39聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文ii .............................................................................42 行走系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ..............................................42 轉(zhuǎn)彎控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ...........................................43總結(jié) ............................................................................................................47參考文獻(xiàn) ....................................................................................................49致謝 ............................................................................................................51凸輪控制驅(qū)動(dòng)式的四足機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)1. 引言 機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展自從人類(lèi)制造出了一電子計(jì)算機(jī)為代表的各種信息處理和計(jì)算的工具，進(jìn)一步拓展和延伸了人類(lèi)大腦的功能。機(jī)器人的誕生和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，成為二十世紀(jì)人類(lèi)科學(xué)技術(shù)的重大成就之一。1920 年，捷克作家卡雷爾佩克（Karel Capek）在其幻想情節(jié)劇《羅沙姆的萬(wàn)能機(jī)器人》中描述了一個(gè)名為 的工廠，將人類(lèi)從繁重而乏味的工作中解放出來(lái)，制造出一種與人類(lèi)相似，但能不知疲倦工作的機(jī)器奴仆，取名ROBOTA。Robot(機(jī)器人)一詞由此演化而來(lái)。1960 年，美國(guó) Unimation 公司根據(jù) Devol 的專(zhuān)利技術(shù)研制出了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)，并定型生產(chǎn) Unimate 工業(yè)機(jī)器人。1962 年，美國(guó)的 General Motors 公司在壓鑄件生產(chǎn)線上安裝了第一臺(tái)工業(yè) Unimate 機(jī)器人,標(biāo)志著第一代機(jī)器人的正式誕生。在此后的五十多年里，機(jī)器人技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，表 1—1 是近代機(jī)器人發(fā)展的重大事件的時(shí)間表 。]1[時(shí)間 事件聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文iii1954 年1960 年1968 年1970年 1978年1984 年1998 年2022 年2022 年Gee Devol 開(kāi)發(fā)出第一臺(tái)可編程機(jī)器人；Unimation 公司推出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人；第一臺(tái)智能機(jī)器人 Shakey 在斯坦福研究所（SRI）誕生；ETL 公司發(fā)明帶視覺(jué)的自適應(yīng)機(jī)器人；美國(guó)推出通用工業(yè)機(jī)器人 PUMA，這標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)成熟；機(jī)器人 Helpmate 問(wèn)世，該機(jī)器人能在醫(yī)院里為病人送飯、送郵件等；丹麥樂(lè)高公司推出機(jī)器人（Mindstorms）套件；iRobot 公司推出吸塵機(jī)器人 Roomba，是世界上銷(xiāo)量最大的家用機(jī)器人；微軟公司推出的 Microsoft Robotics Studio，機(jī)器人模塊化、平臺(tái)化的趨勢(shì)越來(lái)越明顯，比爾?蓋茨預(yù)言，家用機(jī)器人會(huì)很快席卷全球。 國(guó)內(nèi)外四足行走機(jī)器人得研究概況目前，常見(jiàn)的步行機(jī)器人以?xún)勺闶?、四足式、六足式?yīng)用較多。其中，四足步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單且靈活，承載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好，在搶險(xiǎn)救災(zāi)、探險(xiǎn)、娛樂(lè)及軍事等許多方面有很好的應(yīng)用前景，其研制工作一直受到國(guó)內(nèi)外的重視。本文介紹了國(guó)內(nèi)外在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、步態(tài)、控制等方面已經(jīng)取得的進(jìn)展，并分析了其中的關(guān)鍵技術(shù)。最后，歸納總結(jié)了未來(lái)四足步行機(jī)器人的幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì) ，以期對(duì)以]2[后的研究工作具有指導(dǎo)作用。20 世紀(jì) 60 年代，四足步行機(jī)器人的研究工作開(kāi)始起步。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)器人控制技術(shù)的研究和應(yīng)用，到了 20 世紀(jì) 80 年代，現(xiàn)代四足步行機(jī)器人的研制工作進(jìn)入了廣泛開(kāi)展的階段。世界上第一臺(tái)真正意義的四足步行機(jī)器人是由 Frank 和 McGhee 于 1977 年制作的。該機(jī)器人具有較好的步態(tài)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，但其缺點(diǎn)是，該機(jī)器人的關(guān)節(jié)是由邏輯電路組成的狀態(tài)機(jī)控制的，因此機(jī)器人的行為受到限制，只能呈現(xiàn)固定的運(yùn)動(dòng)形式。20 世紀(jì) 80、90 年代最具代表性的四足步行機(jī)器人是日本 Shigeo Hirose 實(shí)驗(yàn)室研制的 TITAN 系列。1981 ～1984 年 Hirose 教授研制成功腳部裝有傳感和信號(hào)處理系統(tǒng)的 TITANIII。它的腳底部由形狀記憶合金組成，可自動(dòng)檢測(cè)與地面接觸的狀態(tài)姿態(tài)傳感器和姿態(tài)控制系統(tǒng)根據(jù)傳感信息做出的控制決策，實(shí)現(xiàn)在不平整地面的自適應(yīng)靜態(tài)步行。TITAN Ⅵ 機(jī)器人采用新型的直動(dòng)型腿機(jī)構(gòu)，避免了上樓梯過(guò)程中各腿間的干涉，并采用兩級(jí)變速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)腿的支撐相和擺動(dòng)相聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文iv分別進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。20222022 年，日本電氣通信大學(xué)的木村浩等人研制成功了具有寵物狗外形的機(jī)器人 TekkenIV，如 1—3 所示。它的每個(gè)關(guān)節(jié)安裝了一個(gè)光電碼盤(pán)、陀螺儀、傾角計(jì)和觸覺(jué)傳感器。系統(tǒng)控制是由基于 CPG 的控制器通過(guò)反射機(jī)制來(lái)完成的。TekkenIV 能夠?qū)崿F(xiàn)不規(guī)則地面的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)步行，顯示了生物激勵(lì)控制對(duì)未知的不規(guī)則地面有自適應(yīng)能力的優(yōu)點(diǎn)。它的另一特點(diǎn)是利用了激光和 CCD 攝像機(jī)導(dǎo)航，可以辨別和避讓前方存在的障礙，能夠在封閉回廊中實(shí)現(xiàn)無(wú)碰撞快速行走。目前最具代表的四足步行機(jī)器人是美國(guó) Bostondynamics 實(shí)驗(yàn)室研制的BigDog，如圖 1—4 所示。它能以不同步態(tài)在惡劣的地形上攀爬，可以負(fù)載高達(dá)52KG 的重量，爬升斜坡可達(dá) 35176。其腿關(guān)節(jié)類(lèi)似動(dòng)物腿關(guān)節(jié)，安裝有吸收震動(dòng)部件和能量循環(huán)部件。同時(shí)，腿部連有很多傳感器，其運(yùn)動(dòng)通過(guò)伺服電機(jī)來(lái)控制。該機(jī)器人機(jī)動(dòng)性和反應(yīng)能力都很強(qiáng)，平衡能力極佳。圖 13TekkenIV 圖 14 美國(guó)“機(jī)器騾子”國(guó)內(nèi)四足機(jī)器人研制工作從 20 世紀(jì) 80 年代起步，取得一定成果的研究機(jī)構(gòu)有上海交通大學(xué)、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué) 等。]4[聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文v 圖 15 JTUWM—III 圖 16 清華大學(xué)四足機(jī)器人上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所于 1991 年開(kāi)展了 JTUWM 系列四足步行機(jī)器人的研究。1996 年該研究所研制成功了 JTUWM—III ，如 15 所示。該機(jī)器人采]3[用開(kāi)式鏈腿機(jī)構(gòu)，每條腿有 3 個(gè)自由度，它采用力和位置混合控制，腳底裝有PVDF 測(cè)力傳感器，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)角線動(dòng)態(tài)行走。但其步行速度較慢，極限步速僅為 ；另外，其負(fù)重能力有限，故在實(shí)際作業(yè)時(shí)實(shí)用性較差。清華大學(xué)所研制