【正文】 ????????? 21 ????????????? ?????? ????????????? 22 ?????????? ???? ? ???? ???????????? 23 第 四 章 總 結(jié)與展望 結(jié) ??????????????????????????????? 28 ????????????????????????? ?????? 28 參考文獻(xiàn) ?????????????????????????????? 29 致 謝 ???????????????????????????????? 30 六足行走運(yùn)動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 第一章 緒論 六足步行機(jī)器人的介紹及背景 目前，用于在人類不宜、不便或不能進(jìn)入的地域進(jìn)行獨(dú)立探測的機(jī)器人主要分兩種，一種是由輪子驅(qū)動的輪行機(jī)器人，另一種是基于仿生學(xué)的步行機(jī)器人。理論上，足式機(jī)器人具有比輪式機(jī)器人更加卓越的應(yīng)對復(fù)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(yīng)步行控制算法匱乏等原因，足式移動方式在許多實(shí)際應(yīng)用中還無法付諸實(shí)踐。另一方面，作為地球上最成功的運(yùn)動生物，多足昆蟲則以其復(fù)雜精妙的肢體結(jié)構(gòu)和簡易靈巧的運(yùn)動控制策略，輕易地穿越了各種復(fù)雜的自然地形，甚至能在光滑的表面上倒立行走。輪行機(jī)器人的不足之處在于對于未知的復(fù)雜自然地形，其適應(yīng)能力很差，而步行機(jī)器人可以在復(fù)雜的自然地形中較為容易的完成探測任 務(wù)。六足機(jī)器人與兩足和四足步行機(jī)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(diǎn)，這些特點(diǎn)使六足機(jī)器人更能勝任野外偵查、水下搜尋以及太空探測等對獨(dú)立性、可靠性要求比較高的工作。由于六足機(jī)器人的所具有的這方面優(yōu)點(diǎn)，使其早在上世紀(jì)八十年代就已被列入資助研究計(jì)劃。 六足行走運(yùn)動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 圖 1— 1 Genghis 和 Attila Attila（如圖 1– 1 右）和 Hannibal 是由麻省理工學(xué)院的移動式遙控機(jī)械裝置實(shí)驗(yàn)室于九十年代早期研制成功。它的設(shè)計(jì)重量和尺寸受系統(tǒng)復(fù)雜程度的制約，為了保證其在太空運(yùn)行的可靠性，采用了冗余設(shè)計(jì)：從機(jī)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(jì)算機(jī)中。 六足行走運(yùn)動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 圖 1— 2 Ariel 和 Robot II 近年完成的典型六足機(jī)器人： Scorpion（如圖 1– 3）是由美國波士頓東北大學(xué)海洋科學(xué)中心自主水下機(jī)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(xué)機(jī)械工程部機(jī)械學(xué)院研制，項(xiàng)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(jī)器人，用于應(yīng)用人工智能技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境下機(jī)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(jī)并沒有體現(xiàn)步行機(jī)器人的實(shí)質(zhì)性意義，只能算作是人操作的機(jī)械移動裝置。 Hirose 根據(jù)他研制機(jī)器蛇的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了采用三維縮放式腿部機(jī)構(gòu)并搭建了一個小型四足機(jī)器人；由于該機(jī)構(gòu)把驅(qū)動運(yùn)動直接轉(zhuǎn)化為笛卡爾坐標(biāo)系下的運(yùn)動，從而大大減輕了計(jì)算機(jī)的計(jì)算量，而且由于運(yùn)動過程中驅(qū)動只做正功，因此該機(jī)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(jī)構(gòu)建造了一些機(jī)器人，利用簡單的控制，這些機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)走、跑、跳等動作，實(shí)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(jī)器人 六足行走運(yùn)動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6 圖 1— 7 MIT 腿部實(shí)驗(yàn)室的四足和雙足機(jī)器人 圖 1— 8 DANTE 步行機(jī)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(jī)器人運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)高效建模方法的提出以及生物學(xué)知識的增長促使了步行機(jī)器人向模仿生物的方向發(fā)展。加拿大 McGill 大學(xué)的 Martin Buehler 本著“功能仿真”的目的，利用電動機(jī)作為驅(qū)動研制了 Scout I、 Scout II 四足步行機(jī)器人和 RHex 六足機(jī)器人，如圖 1— 11 所示，雖然這類機(jī)器人的每個腿中具有較少自由度但能實(shí)現(xiàn)行走、轉(zhuǎn)彎、側(cè)向行走和上下臺階等運(yùn)動。 1991 年，上海交通大學(xué)馬培蓀等研制出 JTUWM 系列四足步行機(jī)器人，該機(jī)器人采用計(jì)算機(jī)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(jī)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(jī)或?qū)嶒?yàn)?zāi)Ｐ?，但制約多足步行機(jī)器人技術(shù)進(jìn)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(jī)一般采用規(guī)則 步態(tài)，其優(yōu)點(diǎn)是容易控制，但六足行走運(yùn)動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 不適合復(fù)雜的地形。 (3)步行機(jī)機(jī)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(jī)器人。以四桿機(jī)構(gòu)為腿部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則和目的都是為了盡可 能保證足端運(yùn)動軌跡的平整性，達(dá)到使機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)動的目的?？s 放機(jī)構(gòu)由于在其運(yùn)動主平面具有運(yùn)動解藕性，易于控制，當(dāng)縮放比大 時 ， 能以較小本體實(shí)現(xiàn)較大的空間運(yùn)動等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于多足步行機(jī)器人的腿部機(jī)構(gòu)。當(dāng) A 點(diǎn)固定時， E 點(diǎn)的運(yùn)動將以 K=KI+1 的比例傳到 F 點(diǎn)?？s放式步行機(jī)構(gòu)的剛性較大，傳動誤差較小，腿部末端在機(jī)體下部的運(yùn)動空間較大，在機(jī)體上部的運(yùn)動空間較小，機(jī)構(gòu)存在死點(diǎn)。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(yīng)用較廣的幾種多足機(jī)構(gòu)行走方式。本論文也采用這種步 態(tài)實(shí)現(xiàn)機(jī)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(dǎo)步態(tài)每次只需要選擇前兩足的立足點(diǎn)，因而具有控制簡單，穩(wěn)定性較好，越溝能力強(qiáng)等特點(diǎn)，所以特別適合多足步行機(jī)在不平地面行走時采用。當(dāng)某腿的相鄰各腿均已 觸 地時，該腿開始運(yùn)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(yùn)動周期應(yīng)該是一致的，故而此時的交替步態(tài)實(shí)質(zhì)上等同于三角步態(tài)，這己在實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)。直線行走時的步態(tài)如圖 2— 5 所示。 圖 2— 5 機(jī)器人步態(tài)示意圖 在機(jī)器人希望轉(zhuǎn)彎時其 6 支腳的運(yùn)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(yùn)動方向完全逆向。機(jī)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(dú)立的舵機(jī)驅(qū)動。 第二個自由度，由舵機(jī)通過一個四桿機(jī)構(gòu) A2B2C2D2，帶動股節(jié) D2G 上下擺動，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖 2– 7 a)所示，對應(yīng)的機(jī)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(jī)直接驅(qū)動。其工作原理是由接收機(jī)發(fā)出訊號給舵機(jī)，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(dá)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(dá)定位。 舵機(jī) 的選擇 按照所需扭力來選擇相應(yīng)舵機(jī)，選擇 FUTUBA 系列的舵機(jī) 。 當(dāng)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(diǎn)在軀干坐標(biāo)系中的位置是已知量，假設(shè)其三個坐標(biāo)分別為 、 、 ，根據(jù)齊次坐標(biāo)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(jìn)而根據(jù)平面四桿機(jī)構(gòu)的計(jì)算可以得出各舵機(jī)的轉(zhuǎn)角值。目前市面上流行的三維實(shí)體造型軟件 SolldworkS，Pro/e， UG， Ideas，它們都帶有功能相當(dāng)完善的實(shí)體建模模塊，可以快速準(zhǔn)確的完成復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)體建模。在設(shè)計(jì)過程中，可應(yīng)用特征、尺寸及約束功能，準(zhǔn)確制作設(shè)計(jì)模型，并繪制出詳細(xì)的工程圖 。 SolidWorks 能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)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(jī)控制整個六足行走機(jī)器人的全部運(yùn)動。 3— 3 股節(jié)裝配體 圖 由舵機(jī)通過一個四桿 機(jī)構(gòu) A2B2C2D2，帶動股節(jié) D2G 上下擺動， 實(shí)現(xiàn)抬腿運(yùn)動。 機(jī)器人腿部完整的機(jī)構(gòu)簡圖如圖 2–