【正文】 ?? ????? ? ????? (230) 對(duì)式 (215)， (216)， (217)兩邊求導(dǎo)得到： ??????????????????????????23222221724252321725242322]c o s))c o s (c o s([2])s i n)s i n (([2lvvuuwwllllvwllllu?????????? (231) 根據(jù)式 (211)，兩邊求導(dǎo)得： 3232232323 c o ss in s inc o s ?? ??? vu wvu ? ??????? (232) 把式 (231)代入 (232)就可以求出 3?? 與 w 的數(shù)學(xué)關(guān)系式。 為保持行走穩(wěn)定，可以采取配置調(diào)節(jié)重心。由于原動(dòng)機(jī)裝再機(jī)體上，減輕了腿的重量。 考慮綜合因素，本行走機(jī)構(gòu)將選擇一臺(tái)電機(jī)。 由于該機(jī)構(gòu)在行走的過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生太大的能量消耗，因此，電機(jī)容量可以按下面的方法進(jìn)行估計(jì)： 按機(jī)體總體質(zhì)量 20kg，能以 ，則功率為 ?30t a n 2???? vgmP ?30t a 2???? ? 33 參考《中國(guó)電機(jī)產(chǎn)品目錄》，選擇直流電機(jī)。 帶傳動(dòng)具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，同步帶還具有定傳動(dòng)比傳動(dòng)的特點(diǎn)，前后腿之間選用齒形帶傳動(dòng)，根據(jù)計(jì)算本次設(shè)計(jì)選擇 450H075 型同步帶。 應(yīng)用向量分析法，列出足端軌跡的向量方程，并對(duì)該向量進(jìn)行求導(dǎo)，得出足端的運(yùn)動(dòng)形式。 總結(jié) 通過(guò)對(duì)該四足步行機(jī)器人腿的理論分析，本文主 要得出以下總結(jié)： ，它在行走過(guò)程中重心橫向變化量不大，可以實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定性要求；其具備一定速度能力和一定跨越障礙的能力。楊老師淵博的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)作風(fēng)和一絲不茍的工作態(tài)度使我受益非淺。這一切對(duì)我今后的工作和生活都有著不可忽視的作用。 畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程，不僅對(duì)以前學(xué)過(guò)的知識(shí)是個(gè)很好的總結(jié)、應(yīng)用，而且還讓我學(xué)會(huì)了很多以前沒(méi)接觸過(guò)的新知識(shí)。 該腿機(jī)構(gòu)采用了傳統(tǒng)的連桿機(jī)構(gòu)，齒形帶和蝸桿的相結(jié)合是本設(shè)計(jì)的一大亮點(diǎn)。 行走機(jī)構(gòu)步態(tài)的選擇和設(shè)計(jì)，選擇了對(duì)角線小跑步態(tài)。 基于 Solid Works 繪制的裝配圖，參看上圖所示。故選擇 24V電瓶作為直流電源。 圖 32 驅(qū)動(dòng)件圖 腿各桿的裝配圖如圖 33 所示： 32 圖 33 腿各桿裝配圖 這里我們將采用齒形帶傳動(dòng)連接前后腿，在安裝過(guò)程中，必須要保持前后腿相位差大約 180 度，這樣在步行機(jī)器人的行走過(guò)程中，才能夠保 證前后兩腿總是交替的支撐和行走。 兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)四條腿既每臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩 條腿，同樣可以節(jié)省能量，控制相對(duì)復(fù)雜，但傳動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單。 機(jī)體外殼設(shè)計(jì) 本行走機(jī)構(gòu)的機(jī)體取 B 為 350mm，前后兩腿之間的距離 B 為 450mm，機(jī)體高 H 為 400mm，長(zhǎng) L 為 850mm。 行走機(jī)構(gòu)的機(jī)體一般選用長(zhǎng)方體，為了滿(mǎn)足穩(wěn)定性的需求，重心應(yīng)該要大概保持在機(jī)體中心。 根據(jù)表 21 中給的數(shù)據(jù)，得到預(yù)想設(shè)計(jì)的軌跡圖為下圖 217 所示。 65187282726251 2 )s i n(2a r c c os ll llllll ??? ?????? (223) 31223212 2 ll lll ???? (224) 此時(shí) l 為 AD 的長(zhǎng)度： 當(dāng) 1? 在 ?360~0 之內(nèi)變化時(shí)，通過(guò)編制程序，由式 (223)， ( 224)計(jì)算可以得到， 1? 的變化范圍在 ?? ~ 之間，可以知道 1? 傳動(dòng)特性比較好；同時(shí) 2? 的變化范圍為 ?? ~ ， 2? 的最小值較小，因此傳動(dòng)特性有待進(jìn)一步提高。支撐與擺動(dòng)組合協(xié)調(diào)控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。將虛擬模型控制用于支撐腿的控制時(shí)，通常設(shè)置足底為本體，機(jī)體為末端。對(duì)角小跑位于對(duì)角的兩腿動(dòng)作完全相同，或與地接觸支撐機(jī)體，或擺動(dòng)向前找尋新的支撐點(diǎn)。 20 利用虛擬構(gòu)件可將期望的機(jī)器人行為轉(zhuǎn)變?yōu)樽饔糜跈C(jī)器人上的一般虛擬力。 在虛擬模型控制中虛擬構(gòu)件用于描述機(jī)器人的期望行為。期望運(yùn)動(dòng)確定了虛擬構(gòu)件的參數(shù)，并由虛擬構(gòu)件產(chǎn)生末端的虛擬力。 (2)虛擬模型直覺(jué)控制解決方案 為使機(jī)器人系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單、直觀。 這是因?yàn)椋摽?制方法在關(guān)節(jié)空間上采用直接位置控制驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，而不是直接考慮關(guān)節(jié)空間的驅(qū)動(dòng)力矩。對(duì)照四桿機(jī)構(gòu)圖譜，只有 ?? 1010 ??? ? ，能在圖譜中找到，綜合考慮D 點(diǎn)軌跡與圖譜連桿曲線一致性以 及機(jī)構(gòu)具有好的構(gòu)形，確定 D 的位置尺寸為 cml ? ， ?9?? ，相應(yīng)四桿機(jī)構(gòu)為下圖 211。 15 暫取 AB， BC，并分別為 9cm、 17cm，取足端的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡為對(duì)稱(chēng)于圖 1 的 y 軸，并且當(dāng) C 點(diǎn)到 C1 和 C2 兩 個(gè) 點(diǎn) 的 時(shí) 候 ，大小腿近似于拉直 狀態(tài) 。 在 設(shè)計(jì)中，將采用斯蒂芬（ Stephonson）型六桿機(jī)構(gòu)作為步行機(jī)構(gòu)，步行器的大小腿以二桿組 構(gòu)成 ，并 讓它的 足端相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡 能夠滿(mǎn)足要求 ，二桿組的構(gòu)件盡量 跟 大小腿的結(jié)構(gòu) 類(lèi)似 ，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 用 四桿機(jī)構(gòu) 組成 。六桿機(jī)構(gòu)具有兩個(gè)閉環(huán)，其運(yùn)動(dòng)鏈 14 的基本形式有兩種 。 腿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)要求的必要條件是： （ 1）機(jī)構(gòu)所含運(yùn)動(dòng)副是轉(zhuǎn)動(dòng)副或移動(dòng)副； （ 2）機(jī)構(gòu)的自由度不能大于 2； （ 3）機(jī)構(gòu)的桿件數(shù)目不宜太多； （ 4）須有連桿曲線為直線的點(diǎn)； （ 5）足機(jī)構(gòu)上的點(diǎn)，相對(duì)于機(jī)身高度是可變的； （ 6）機(jī)構(gòu)需有腿的基本形狀。 腿的機(jī)構(gòu)分析 相對(duì)而言步行機(jī)器人的腿機(jī)構(gòu)是步行機(jī)器人一個(gè)很重要的組成部分，在設(shè)計(jì)步行機(jī)器人的腿過(guò)程中，要求它能夠?qū)崿F(xiàn)承載和運(yùn)動(dòng)的功能，同時(shí)也要滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、控制方便的要求。行走機(jī)構(gòu)腿部的主要任務(wù) 是 支撐 本 體 和 使本體 能夠?qū)崿F(xiàn) 移動(dòng)， 此外 還必須具有腳部 的 抬起 和 擺動(dòng)的動(dòng)作，如果 把本體 作為參照物 ， 那么就可以得到 足端 的運(yùn)動(dòng) 軌跡 如下 圖 28（ a）所示 。 這種步行機(jī)構(gòu)能產(chǎn)生近似直線的運(yùn)動(dòng)，而且都具有設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單、方便的特點(diǎn)。 10 圖 25 平面四桿步行機(jī)構(gòu) 圖 26 平面四桿步行機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系模型 我們建立如圖 26 所示的坐標(biāo)系模型。 又有 ? 角的求解公式為 ： 23 )90s in(s in LLv ?? ??? ? 令小腿桿在二極限位置 max? 、 nmax? 對(duì)應(yīng)的 ? 值為 1? 、 2? ，所以可求得： ?????????????)90c o s (c o s)90c o s (c o sm a x3221m i nm a x3121m a x nLLLu LLLu ?? ?? ?? 由上式可知，對(duì)于不同的高度值，足端的運(yùn)動(dòng)軌跡類(lèi)似橢圓曲線，當(dāng)髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，將形成三維的運(yùn)動(dòng)空間，如下圖 24 所示。 圖 21 開(kāi)環(huán)連桿步行機(jī)構(gòu) 圖 22 開(kāi)環(huán)連桿機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系模型 如圖 22 所示，我們可以設(shè)髖關(guān)節(jié)、大腿關(guān)節(jié)、小腿桿的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)角分別為 ? 、 ? 、 ? ，根據(jù)上圖可以建立足端 C 點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程如下 ： ????????vzuyuxccc??sincos 其中： 8 )c o s (c o s 321 ??? ???? LLLu )s in (s in 32 ??? ??? LLv ??? ??? ?90 通過(guò)上式和圖形可以得到，小腿桿能夠在轉(zhuǎn)過(guò)大臂上部空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)（就像人的小臂運(yùn)動(dòng)一樣），因此在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，由于臂的末端 C 點(diǎn)能運(yùn)動(dòng)到比較大的區(qū)域，在髖關(guān)節(jié)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)候，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)空間可以實(shí)現(xiàn)三維橢圓狀。這種機(jī)構(gòu)是由大、小腿以及髖關(guān)節(jié)等部分構(gòu)成的。這種機(jī)構(gòu)大部分是由關(guān)節(jié)式連桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此從某種意義上說(shuō)，行走機(jī)構(gòu)的分析主要集中在步行機(jī)構(gòu)的分析上。 從以上的分析中能夠看出，對(duì)于多關(guān)節(jié)步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制方案大多數(shù)都不夠完善。由于國(guó)內(nèi)四足步行機(jī)器的研究起步比較晚，在上個(gè)世紀(jì) 90 年代以后才逐步有了成果，導(dǎo)致現(xiàn)在的研究水平距離世界先進(jìn)水平還有一定的差距。 4 (a) (b) 圖 13 上海交通大學(xué)的二種四足步行機(jī)器人 清華大學(xué)所研制的兩款四足步行機(jī)器人，如圖 14 所示。但由于汽油發(fā)電機(jī)需攜帶油箱，故工作時(shí)受環(huán)境影響大，可靠性差。 如圖 12 所示為美國(guó) Boston Dynamics 實(shí)驗(yàn)室研制的叫做 BigDog 的機(jī)器人，是目前最具 代表性的四足步行機(jī)器人，它能在各種惡劣的地形上進(jìn)行行走，最大負(fù)載達(dá)到 52kg ，爬升斜坡可達(dá) 35176。 圖 11 TekkenIV 機(jī)器人 20202020 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， 如圖 11 所示。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和機(jī)器人控制技術(shù)方面的應(yīng)用研究 ， 20 世紀(jì) 80 年代之后，現(xiàn)代四足步行機(jī)器 人的研發(fā)工作進(jìn)入了廣泛的發(fā)展階段。步行能夠比較有效的適應(yīng)環(huán)境的變化，相對(duì)于履帶式、輪式和蠕動(dòng)式這些運(yùn)動(dòng)方式來(lái)說(shuō)，明顯更有發(fā)展的前景。 fourlegged walking robot 目 錄 摘 要 ............................................................................................................................ I Abstract .............................................