【正文】 非常感謝 曾給予我耐心指導(dǎo)和親切關(guān)懷的老師及幫助我的同學(xué) ，正是由于他們的幫助和鼓勵才使我能夠在畢業(yè)設(shè)計過程中克服種種困難，最終順利完成設(shè)計。進(jìn)一步深入研究功能、控制和群體仿生 ,提高步行機(jī)器人的速度和靈活性 ,充分實現(xiàn)多足步行機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn) ,是今后研究步行機(jī)器人的重點(diǎn)之一。 六足行走運(yùn)動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 27 3— 9 三維組裝圖 六足行走運(yùn)動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 28 第 四 章 總結(jié)與展望 總結(jié) 多足行走機(jī)器人，具有運(yùn)動穩(wěn)定好，適應(yīng)性強(qiáng)，控制方便的優(yōu)點(diǎn)。 六足行走運(yùn)動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 24 3— 4 脛節(jié)裝配體 圖 由舵機(jī)通過四桿機(jī)構(gòu) A1B1C1D1和 D1E1F1G，帶動脛節(jié) GH 擺動 ，實現(xiàn)左右搖擺運(yùn)動。 SolidWorks 不僅提供如此強(qiáng)大的功能，同時對每個工程師和設(shè)計者來說，操作簡單方便、易學(xué)易用。相比其它造型軟件， Solidworks 價格低廉，易學(xué)易用，并且支持 Iges， Parasolid， Step， Dxf， Dwf 等數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，這樣保證了跟其它 CAD/CAE軟件比如 Ansys， ADAMS， Pro/e， Ideas 等軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。由此方程組可以解得各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角如 下 式： 六足行走運(yùn)動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 20 上述等 式 中 ， 。位置檢測器其實就是可變電阻，當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動時電阻值也會隨之改變，藉由檢測電阻值便可知轉(zhuǎn)動的角度。 第三個自由度，由舵機(jī)通過四桿機(jī)構(gòu) A1B1C1D1和 D1E1F1G，帶動脛節(jié) GH 上下擺動，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖 2– 8 a)所示。例如當(dāng)希望機(jī)器人向左轉(zhuǎn)向時 ,機(jī)器人右側(cè) 3 支腳運(yùn)動狀態(tài)保持不變 ,左側(cè) 3 支腳的運(yùn)動完全逆向 ,但是運(yùn)動速度與運(yùn)動相位差保持不變。 設(shè)計原理 六足仿生機(jī)器人采用六足昆蟲的行走步態(tài) ,步行時把 6 條足分為兩組 ,以一邊的前足 后足與另一邊的中足為一組 ,形成一個三角架支撐機(jī)體。 交替步態(tài) 與跟導(dǎo)步態(tài)類似，為了充分發(fā)揮六足機(jī)器人相對于輪式機(jī)器人在復(fù)雜地形的行走優(yōu)勢，交替步態(tài)成為新興的六足機(jī)器人研究的重點(diǎn)。 三角步態(tài) 三角步態(tài)也稱交替三角步態(tài)，是“六足綱”昆蟲最常使用的一種步態(tài)，也被譽(yù)為最快速有效的靜態(tài)穩(wěn)定步態(tài)。由于機(jī)構(gòu)至少需要兩個線性驅(qū)動關(guān)節(jié)， 使得機(jī)械結(jié)構(gòu)較大，質(zhì)量較重。縮放式腿機(jī)構(gòu)具有比例性，可將驅(qū)動器的推動距離比例放大為足端運(yùn)動距離。但是，過于簡單的腿部結(jié)構(gòu)以及較少的自由度導(dǎo)致此類機(jī)器人難以完成復(fù)雜的動作，實用性較差。從步行機(jī)的研究開始首先就對其機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，目前多足步行機(jī)機(jī)體類型主要有：長方形，圓形和框架式?，F(xiàn)階段的主要研究任務(wù)為： (1)步行機(jī)動力學(xué)的研究。 圖 1— 9 Biobot 六足機(jī)器蟲 圖 1— 10 Tekken 四足機(jī)器人六足行走運(yùn)動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 7 圖 1— 11 Scout I、 Scout II 四足機(jī)器人和 RHex 六足機(jī)器人 我國步行機(jī)器人的研究開始較晚，真正開 始是在上世紀(jì) 80 年代初。 1993 年 ,美國卡內(nèi)基 梅隆大學(xué)開發(fā)出有纜的八足步行機(jī)器人 DANTE，圖 1— 8 所示 ,用于對南極的埃里伯斯火山進(jìn)行了考察，其結(jié)構(gòu)由 2 個獨(dú)立的框架構(gòu)成。 圖 1— 4 四足車 Walking Truck 隨著電子技術(shù)發(fā)展，計算機(jī)性能的提高，使多足步行機(jī)器人技術(shù)進(jìn)入了基于計算機(jī)控制的發(fā)展階段。它是在前一代六足機(jī)器人 TUM的基礎(chǔ)上研制的。步態(tài)控制器基于節(jié)肢動物腿部協(xié)調(diào)工作的機(jī)理。當(dāng)有傳感器失效時，剩下傳感器仍可以讓機(jī)器正常運(yùn)行。其研究成果包括八十年代末的 Genghis 和九十年代初的 Attila 和 Hannibal。因此多足步行機(jī)器人有廣闊的應(yīng)用前景，如軍事偵察、礦山開采、核能工業(yè)、星球探測、消防及營救、建筑業(yè)等領(lǐng)域。六足行走運(yùn)動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 I 摘 要 隨著人類探索自然界步伐的不斷加速，各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)哂袕?fù)雜環(huán)境自主移動能力機(jī)器人的需求，日趨廣泛而深入。在步行機(jī)器人中，多足機(jī)器人是最容易實 現(xiàn)穩(wěn)定行走的。 Genghis（如圖 1– 1 左）是由 irobot 公司研制于 80 年代，每條腿裝有兩個電機(jī)，使得它可以自由行動，但是因為每腿只有兩個自由度，行動有些笨拙。 九十年代中期的六足機(jī)器人： 對于跨海登陸作戰(zhàn)的部隊來說，淺灘地雷無 疑 是最危險也最頭疼的登陸障礙，出于這點(diǎn)考慮，美國麻省理工大學(xué)和旗 下的 isrobot 公司得到國防部高級研究計劃局的資助，研制了兩代淺灘探雷機(jī)器人 Ariel。通過改變一個簡單的速度參數(shù)，步態(tài)可以從一個緩慢的波動步態(tài)轉(zhuǎn)換到快速的三足步態(tài)。仍然采用 Holk Cruse教授的 Walk控制結(jié)構(gòu)，完善了更多的智能策略如加入腿部反射等，這使其行動很靈活。其中有代表性的研究為： 1977 年， Robert McGhee 在俄亥俄州立大學(xué)研制的似昆蟲的六足機(jī)器人。這一階段研究的重點(diǎn)在于機(jī)器人的運(yùn)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計、機(jī)器人的步態(tài)生成與規(guī)劃及傳統(tǒng)的控制方法在機(jī)器人行走運(yùn)動控制過程的應(yīng)用。 1980 年，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械研究所采用平行四邊形和凸輪機(jī)構(gòu)研制出一臺八足螃蟹式步行機(jī) ,主要用于海底探測作業(yè) ,并做了越障、爬坡和通過沼澤地的試驗。雖然現(xiàn)在對步行機(jī)的動力學(xué)建模和計算問題已經(jīng)有了很大提高，提出了多種與機(jī)器人廣義坐標(biāo)和約束方程數(shù)目成線性關(guān)系的高效動力學(xué)算法 ， 但是把其用于對機(jī)器人的實時控制仍不能得到理想的效果。步行機(jī)的腿部機(jī)構(gòu)的研究是熱點(diǎn)問題，采用何種機(jī)構(gòu)能滿足產(chǎn)生機(jī)器人足部的理想的運(yùn)動軌跡 ， 同時能通過簡單的算 法對其運(yùn)動進(jìn)行控制的要求 ， 促使研究者們不斷設(shè)計出新的腿部機(jī)構(gòu)，具有柔性的腿機(jī)構(gòu)是下一個研究焦點(diǎn)。不過這類機(jī)器人也可以通過簡單的控制完成倒退、轉(zhuǎn)彎等 功能，只是無法實現(xiàn)精確定位。以中南大學(xué)設(shè)計過的一款液壓控制的采用縮放式腿機(jī)構(gòu)的六足機(jī)器人 為例，其原理如圖 2— 3。 圖 2— 2 艾萬斯機(jī)構(gòu)形式簡圖 圖 2— 3 縮放式機(jī)構(gòu)示意圖 六足行走運(yùn)動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 12 關(guān)節(jié)式 由于多關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)具有活動范圍大，靈活性好的優(yōu)點(diǎn)，所以為近幾年步行機(jī)器人采用。大部分六足機(jī)器人都是從仿生學(xué)的角度出發(fā)使用這一步態(tài)。這種單腿交替行走步態(tài)，也被稱為五角步態(tài)。因此在同一時間 ,只有一組的 3 條足起支撐作用 ,前足用爪固定物體后拉動蟲體前進(jìn) ,中足用以支撐并舉起所屬一邊的身體 ,后足則推動機(jī)體前進(jìn) ,同時使機(jī)體轉(zhuǎn)向。值得注意的是這樣實現(xiàn)的轉(zhuǎn)向方式 ,是在原地實現(xiàn)的 ,即當(dāng)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向時機(jī)器人本身 ,不會出現(xiàn)平移。對應(yīng)的機(jī)構(gòu)簡圖如圖 2– 8 b)所示。一般的伺服馬達(dá)是將細(xì)銅線纏繞在三極轉(zhuǎn)子上，當(dāng)電流流經(jīng)線圈時便會產(chǎn)生磁場，與轉(zhuǎn)子外圍的 磁鐵產(chǎn)生排斥作用，進(jìn)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動的作用力。 考慮到機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制， 取值范圍為 ， 取值范圍為， 取值范圍為 。 Solidworks 是一套基于特征的參數(shù)化機(jī)械設(shè)計自動化軟件，它采用了大家所熟悉的 Microsoft Windows 圖形用戶界面。 六足行走運(yùn)動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 22 總圖 3— 1 總體結(jié)構(gòu) 圖 采用每條腿部 3 個舵機(jī)分別控制抬腿動作、左右移動動作、跨腿動作 。 3— 5 單足組裝圖 第一個自由度，由舵機(jī)直接帶動轉(zhuǎn)節(jié)前后擺動，從而使整條 腿前后擺動。它可以較易地跨過比較大的障礙（如溝、坎等） ，并且機(jī)器人足所具有的大量的自由度可以使機(jī)器人的運(yùn)動更加靈活，對凹凸不平的地形的適應(yīng)能力更強(qiáng)；足式機(jī)器人的立足點(diǎn)是離散的，跟地面的接觸面積較小，因而可以在可達(dá)到的地面上選擇最優(yōu)支撐點(diǎn)，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴(yán)格選擇足的支撐點(diǎn)，也能夠行走自如。 六足行走運(yùn)動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 29 參考文獻(xiàn) 【 1】 雷靜桃，高峰，崔瑩 .多足步行機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及展望 [J].機(jī)械設(shè)計， 2021（ 9） :1~3 【 2】 蔡自興 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