【正文】 進(jìn)行足球比賽的幾個(gè)四足機(jī)器人，在較小的場(chǎng)地里用機(jī)器人踢球看起來(lái)非常有趣。本文對(duì)四足機(jī)器人腿的單腿結(jié)構(gòu)分析比較詳細(xì)，并結(jié)合三維進(jìn)行理性的理解。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）四足步行機(jī)器人腿的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：學(xué) 號(hào)：所在系部：專業(yè)班級(jí)：指導(dǎo)教師：日 期：摘 要本文介紹了國(guó)內(nèi)外四足步行機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r和三維制圖軟件SolidWorks的應(yīng)用，著重分析了設(shè)計(jì)思想并對(duì)行走方式進(jìn)行了設(shè)計(jì)并在此軟件基礎(chǔ)上四足步行機(jī)器人腿進(jìn)行了繪制，對(duì)已繪制的零部件進(jìn)行了裝配和三維展示。對(duì)設(shè)計(jì)的四足行走機(jī)器人腿進(jìn)行了詳細(xì)的分析與總結(jié)得出了該機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。在工業(yè)，手工業(yè)，重工業(yè)等方面機(jī)器人的輔助功能尤為突出，大大提高了工作效率，節(jié)省開(kāi)支。一些專家和學(xué)者從事于步行機(jī)器人的研發(fā)工作，并不是為了刻意去追求對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的研發(fā)，而是因?yàn)椴叫袡C(jī)器人確實(shí)具有廣泛的應(yīng)用前景，比如在替代危險(xiǎn)環(huán)境下工作的人們、工廠的維護(hù)方面和崎嶇地面上的貨物搬運(yùn)工作以及災(zāi)害支援救助等方面都具有很好的發(fā)展前景。20人的研發(fā)工作進(jìn)入了廣泛的發(fā)展階段。80、90的實(shí)驗(yàn)室研制的如圖11所示。的控制器通過(guò)反射機(jī)制來(lái)完成的。攝像機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航，能夠有效的躲避前方的障礙物，實(shí)現(xiàn)無(wú)碰撞的行走。爬升斜坡可達(dá)震動(dòng)部件和能量但由于汽油發(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。(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。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。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。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。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)。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。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： 其中：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。又有角的求解公式為： 令小腿桿在二極限位置、對(duì)應(yīng)的值為、所以可求得： 由上式可知，對(duì)于不同的高度值，足端的運(yùn)動(dòng)軌跡類似橢圓曲線，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。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)。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。 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)也要滿足結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、控制方便的要求。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。六桿機(jī)構(gòu)具有兩個(gè)閉環(huán)，其運(yùn)動(dòng)鏈的基本形式有兩種。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)軌跡能夠滿足要求，二桿組的構(gòu)件盡量跟大小腿的結(jié)構(gòu)類似，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用四桿機(jī)構(gòu)組成。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)。對(duì)照四桿機(jī)構(gòu)圖譜，只有，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，相應(yīng)四桿機(jī)構(gòu)為下圖211。這是因?yàn)?，該控制方法在關(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。(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。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。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。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。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)。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。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。 (223) (224)此時(shí)l為AD的長(zhǎng)度：當(dāng)在之內(nèi)變化時(shí)，通過(guò)編制程序，由式(223)，( 224)計(jì)算可以得到，的變化范圍在之間，可以知道傳動(dòng)特性比較好；同時(shí)的變化范圍為，的最小值較小，因此傳動(dòng)特性有待進(jìn)一步提高。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。行走機(jī)構(gòu)的機(jī)體一般選用長(zhǎng)方體，為了滿足穩(wěn)定性的需求，重心應(yīng)該要大概保持在機(jī)體中心。 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。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。 圖32 驅(qū)動(dòng)件圖腿各桿的裝配圖如圖33所示：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。故選擇24V電瓶作為直流電源。基于Solid Works繪制的裝配圖，參看上圖所示。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)。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)。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