【正文】 ????????? 21 ????????????? ?????? ????????????? 22 ?????????? ???? ? ???? ???????????? 23 第 四 章 總 結(jié)與展望 結(jié) ??????????????????????????????? 28 ????????????????????????? ?????? 28 參考文獻 ?????????????????????????????? 29 致 謝 ???????????????????????????????? 30 六足行走運動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 1 第一章 緒論 六足步行機器人的介紹及背景 目前，用于在人類不宜、不便或不能進入的地域進行獨立探測的機器人主要分兩種，一種是由輪子驅(qū)動的輪行機器人，另一種是基于仿生學的步行機器人。理論上，足式機器人具有比輪式機器人更加卓越的應對復雜地形的能力，因而被給予了巨大的關(guān)注，但到目前為止，由于自適應步行控制算法匱乏等原因，足式移動方式在許多實際應用中還無法付諸實踐。另一方面，作為地球上最成功的運動生物，多足昆蟲則以其復雜精妙的肢體結(jié)構(gòu)和簡易靈巧的運動控制策略，輕易地穿越了各種復雜的自然地形，甚至能在光滑的表面上倒立行走。輪行機器人的不足之處在于對于未知的復雜自然地形，其適應能力很差，而步行機器人可以在復雜的自然地形中較為容易的完成探測任 務(wù)。六足機器人與兩足和四足步行機器人相比，具有控制結(jié)構(gòu)相對簡單、行走平穩(wěn)、肢體冗余等特點，這些特點使六足機器人更能勝任野外偵查、水下搜尋以及太空探測等對獨立性、可靠性要求比較高的工作。由于六足機器人的所具有的這方面優(yōu)點，使其早在上世紀八十年代就已被列入資助研究計劃。 六足行走運動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 2 圖 1— 1 Genghis 和 Attila Attila（如圖 1– 1 右）和 Hannibal 是由麻省理工學院的移動式遙控機械裝置實驗室于九十年代早期研制成功。它的設(shè)計重量和尺寸受系統(tǒng)復雜程度的制約，為了保證其在太空運行的可靠性，采用了冗余設(shè)計：從機械角度看，六條腿行走時，一旦有某條腿失效，余下的腿仍然可以行走；從傳感器的角度看，這種冗余可以讓來自不同位置的傳感器將信號傳給主控制器，以更有效地分析地形。身體配備多種傳感器，對周圍環(huán)境和自身狀況的感知非常靈敏。它的控制器在場外的計算機中。 六足行走運動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 3 圖 1— 2 Ariel 和 Robot II 近年完成的典型六足機器人： Scorpion（如圖 1– 3）是由美國波士頓東北大學海洋科學中心自主水下機器人研究小組和德國 Fraunhofer 自主智能系統(tǒng)研究所（ AIS）共同完成于 2021 年。 圖 1— 3 Scorpion 和 Tarry Tarry（如圖 14）由德國杜伊斯堡大學機械工程部機械學院研制，項目始于 1998 年。斯坦福研究院 (SRI)的 Nils Nilssen和 Charles Rosen等人在 1966年至 1972年中研制出了名為 Shakey的自主移動機器人，用于應用人工智能技術(shù)在復雜環(huán)境下機器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制的研究。但從步態(tài)規(guī)劃及控制的角度來說，這種要人跟隨操縱的步行機并沒有體現(xiàn)步行機器人的實質(zhì)性意義，只能算作是人操作的機械移動裝置。 Hirose 根據(jù)他研制機器蛇的經(jīng)驗，設(shè)計了采用三維縮放式腿部機構(gòu)并搭建了一個小型四足機器人；由于該機構(gòu)把驅(qū)動運動直接轉(zhuǎn)化為笛卡爾坐標系下的運動，從而大大減輕了計算機的計算量，而且由于運動過程中驅(qū)動只做正功，因此該機器人具有較高的效率。麻省理工的 Raibert利用相對自由度數(shù) 較少的簡單腿部機構(gòu)建造了一些機器人，利用簡單的控制，這些機器人能夠?qū)崿F(xiàn)走、跑、跳等動作，實現(xiàn)主動平衡，如圖 1— 7 所示。 圖 1— 5 Adaptive Suspension Vehicle 圖 1— 6 Odex1 步行機器人 六足行走運動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 6 圖 1— 7 MIT 腿部實驗室的四足和雙足機器人 圖 1— 8 DANTE 步行機器人 由于新的材料的發(fā)現(xiàn)、智能控制技術(shù)的發(fā)展、對步行機器人運動學、動力學高效建模方法的提出以及生物學知識的增長促使了步行機器人向模仿生物的方向發(fā)展。加拿大 McGill 大學的 Martin Buehler 本著“功能仿真”的目的，利用電動機作為驅(qū)動研制了 Scout I、 Scout II 四足步行機器人和 RHex 六足機器人，如圖 1— 11 所示，雖然這類機器人的每個腿中具有較少自由度但能實現(xiàn)行走、轉(zhuǎn)彎、側(cè)向行走和上下臺階等運動。 1991 年，上海交通大學馬培蓀等研制出 JTUWM 系列四足步行機器人，該機器人采用計算機模擬電路兩級分布式控制系統(tǒng) ,JTUWMIII 以對角步態(tài)行走 ,腳底裝有 PVDF 測力傳感器，如圖 1— 12。到目前為止，盡管多足步行機器人技術(shù)有了很大的發(fā)展，國內(nèi)外研究開發(fā)了很多原理樣機或?qū)嶒災Ｐ停萍s多足步行機器人技術(shù)進一步發(fā)展的基礎(chǔ)理論問題并沒有得到根本的解決。早期步行機一般采用規(guī)則 步態(tài)，其優(yōu)點是容易控制，但六足行走運動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 9 不適合復雜的地形。 (3)步行機機械結(jié)構(gòu)的研究。昆蟲類生物其腿的數(shù)目較多，一般在四足以上 。目前市面上有很多諸如此類的爬蟲玩具，如圖 2 一 1 所示為常見的單桿式腿結(jié)構(gòu)的機器人。以四桿機構(gòu)為腿部機構(gòu)的設(shè)計原則和目的都是為了盡可 能保證足端運動軌跡的平整性，達到使機器人平穩(wěn)運動的目的?？s 放機構(gòu)由于在其運動主平面具有運動解藕性，易于控制，當縮放比大 時 ， 能以較小本體實現(xiàn)較大的空間運動等優(yōu)點，被廣泛應用于多足步行機器人的腿部機構(gòu)。當 A 點固定時， E 點的運動將以 K=KI+1 的比例傳到 F 點。縮放式步行機構(gòu)的剛性較大，傳動誤差較小，腿部末端在機體下部的運動空間較大，在機體上部的運動空間較小，機構(gòu)存在死點。但是剛性較差，傳動誤差大而且不易控制。下面介紹的是目前應用較廣的幾種多足機構(gòu)行走方式。本論文也采用這種步 態(tài)實現(xiàn)機器人的直線行走，該步態(tài)的具體方式將會在后文中具體給出。跟導步態(tài)每次只需要選擇前兩足的立足點，因而具有控制簡單，穩(wěn)定性較好，越溝能力強等特點，所以特別適合多足步行機在不平地面行走時采用。當某腿的相鄰各腿均已 觸 地時，該腿開始運動，并給其相鄰各腿發(fā)出信號。然而，對于理想的平整地面而言，各腿的運動周期應該是一致的，故而此時的交替步態(tài)實質(zhì)上等同于三角步態(tài)，這己在實驗中得到證實。直線行走時的步態(tài)如圖 2— 5 所示。 圖 2— 5 機器人步態(tài)示意圖 在機器人希望轉(zhuǎn)彎時其 6 支腳的運動順序與直行時基本相同 ,唯一的不同在于在期望轉(zhuǎn)向的那一側(cè)的 3 支腳運動方向完全逆向。機器人每條腿有三個自由度，前兩個自由度的轉(zhuǎn)動軸線相互垂直，后兩個自由度的轉(zhuǎn)動軸線相互平行，分別由三個獨立的舵機驅(qū)動。 第二個自由度，由舵機通過一個四桿機構(gòu) A2B2C2D2，帶動股節(jié) D2G 上下擺動，其機械結(jié)構(gòu)如圖 2– 7 a)所示，對應的機構(gòu)簡圖如圖 2– 7 b)所示。三個自由度的原動件分別為軸 OO桿 A2B2和桿 A1B1，它們都是由舵機直接驅(qū)動。其工作原理是由接收機發(fā)出訊號給舵機，經(jīng)由電路板上的 IC 判斷轉(zhuǎn)動方向，再驅(qū)動無核心馬達開始轉(zhuǎn)動，透過減速齒輪將動力傳至擺臂，同時由位置檢測器送回訊號，判斷是否已經(jīng)到達定位。 舵機 的選擇 按照所需扭力來選擇相應舵機，選擇 FUTUBA 系列的舵機 。 當足端的位置已知，并且 軀干的位置與姿態(tài)都確定時，足端點在軀干坐標系中的位置是已知量，假設(shè)其三個坐標分別為 、 、 ，根據(jù)齊次坐標變換矩陣 的幾何意義可以得到 以下 方程組： 方程組中， 分別表示 的正、余弦函數(shù)。進而根據(jù)平面四桿機構(gòu)的計算可以得出各舵機的轉(zhuǎn)角值。目前市面上流行的三維實體造型軟件 SolldworkS，Pro/e， UG， Ideas，它們都帶有功能相當完善的實體建模模塊，可以快速準確的完成復雜系統(tǒng)的實體建模。在設(shè)計過程中，可應用特征、尺寸及約束功能，準確制作設(shè)計模型，并繪制出詳細的工程圖 。 SolidWorks 能夠提供不同的設(shè)計方案、減少設(shè)計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。因此共使用 18 個舵機控制整個六足行走機器人的全部運動。 3— 3 股節(jié)裝配體 圖 由舵機通過一個四桿 機構(gòu) A2B2C2D2，帶動股節(jié) D2G 上下擺動， 實現(xiàn)抬腿運動。 機器人腿部完整的機構(gòu)簡圖如圖 2–