【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(lì)才使我能夠在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中克服種種困難，最終順利完成設(shè)計(jì)。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(shí)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(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 27 3— 9 三維組裝圖 六足行走運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(dòng)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(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 24 3— 4 脛節(jié)裝配體 圖 由舵機(jī)通過(guò)四桿機(jī)構(gòu) A1B1C1D1和 D1E1F1G，帶動(dòng)脛節(jié) GH 擺動(dòng) ，實(shí)現(xiàn)左右搖擺運(yùn)動(dòng)。 SolidWorks 不僅提供如此強(qiáng)大的功能，同時(shí)對(duì)每個(gè)工程師和設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，操作簡(jiǎn)單方便、易學(xué)易用。相比其它造型軟件， Solidworks 價(jià)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(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角如 下 式： 六足行走運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 20 上述等 式 中 ， 。位置檢測(cè)器其實(shí)就是可變電阻，當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電阻值也會(huì)隨之改變，藉由檢測(cè)電阻值便可知轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。 第三個(gè)自由度，由舵機(jī)通過(guò)四桿機(jī)構(gòu) A1B1C1D1和 D1E1F1G，帶動(dòng)脛節(jié) GH 上下擺動(dòng)，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(shí) ,機(jī)器人右側(cè) 3 支腳運(yùn)動(dòng)狀態(tài)保持不變 ,左側(cè) 3 支腳的運(yùn)動(dòng)完全逆向 ,但是運(yùn)動(dòng)速度與運(yùn)動(dòng)相位差保持不變。 設(shè)計(jì)原理 六足仿生機(jī)器人采用六足昆蟲(chóng)的行走步態(tài) ,步行時(shí)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(gè)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(duì)于輪式機(jī)器人在復(fù)雜地形的行走優(yōu)勢(shì)，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(chóng)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(gè)線性驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的推動(dòng)距離比例放大為足端運(yùn)動(dòng)距離。但是，過(guò)于簡(jiǎn)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(dòng)作，實(shí)用性較差。從步行機(jī)的研究開(kāi)始首先就對(duì)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(zhǎng)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(dòng)力學(xué)的研究。 圖 1— 9 Biobot 六足機(jī)器蟲(chóng) 圖 1— 10 Tekken 四足機(jī)器人六足行走運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 圖 1— 11 Scout I、 Scout II 四足機(jī)器人和 RHex 六足機(jī)器人 我國(guó)步行機(jī)器人的研究開(kāi)始較晚，真正開(kāi) 始是在上世紀(jì) 80 年代初。 1993 年 ,美國(guó)卡內(nèi)基 梅隆大學(xué)開(kāi)發(fā)出有纜的八足步行機(jī)器人 DANTE，圖 1— 8 所示 ,用于對(duì)南極的埃里伯斯火山進(jìn)行了考察，其結(jié)構(gòu)由 2 個(gè)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(jì)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(jì)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(dòng)物腿部協(xié)調(diào)工作的機(jī)理。當(dāng)有傳感器失效時(shí)，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(kāi)采、核能工業(yè)、星球探測(cè)、消防及營(yíng)救、建筑業(yè)等領(lǐng)域。六足行走運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(dòng)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(shí) 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(gè)電機(jī)，使得它可以自由行動(dòng)，但是因?yàn)槊客戎挥袃蓚€(gè)自由度，行動(dòng)有些笨拙。 九十年代中期的六足機(jī)器人： 對(duì)于跨海登陸作戰(zhàn)的部隊(duì)來(lái)說(shuō)，淺灘地雷無(wú) 疑 是最危險(xiǎn)也最頭疼的登陸障礙，出于這點(diǎn)考慮，美國(guó)麻省理工大學(xué)和旗 下的 isrobot 公司得到國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局的資助，研制了兩代淺灘探雷機(jī)器人 Ariel。通過(guò)改變一個(gè)簡(jiǎn)單的速度參數(shù)，步態(tài)可以從一個(gè)緩慢的波動(dòng)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(dòng)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(chóng)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(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、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(dòng)控制過(guò)程的應(yīng)用。 1980 年，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)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(tái)八足螃蟹式步行機(jī) ,主要用于海底探測(cè)作業(yè) ,并做了越障、爬坡和通過(guò)沼澤地的試驗(yàn)。雖然現(xiàn)在對(duì)步行機(jī)的動(dòng)力學(xué)建模和計(jì)算問(wèn)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(dòng)力學(xué)算法 ， 但是把其用于對(duì)機(jī)器人的實(shí)時(shí)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(wèn)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(dòng)軌跡 ， 同時(shí)能通過(guò)簡(jiǎn)單的算 法對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制的要求 ， 促使研究者們不斷設(shè)計(jì)出新的腿部機(jī)構(gòu)，具有柔性的腿機(jī)構(gòu)是下一個(gè)研究焦點(diǎn)。不過(guò)這類機(jī)器人也可以通過(guò)簡(jiǎn)單的控制完成倒退、轉(zhuǎn)彎等 功能，只是無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確定位。以中南大學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)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(wàn)斯機(jī)構(gòu)形式簡(jiǎn)圖 圖 2— 3 縮放式機(jī)構(gòu)示意圖 六足行走運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12 關(guān)節(jié)式 由于多關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)具有活動(dòng)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(shí)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(dòng)蟲(chóng)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(dòng)機(jī)體前進(jìn) ,同時(shí)使機(jī)體轉(zhuǎn)向。值得注意的是這樣實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)向方式 ,是在原地實(shí)現(xiàn)的 ,即當(dāng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向時(shí)機(jī)器人本身 ,不會(huì)出現(xiàn)平移。對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)便會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，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(dòng)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(jì)自動(dòng)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(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22 總圖 3— 1 總體結(jié)構(gòu) 圖 采用每條腿部 3 個(gè)舵機(jī)分別控制抬腿動(dòng)作、左右移動(dòng)動(dòng)作、跨腿動(dòng)作 。 3— 5 單足組裝圖 第一個(gè)自由度，由舵機(jī)直接帶動(dòng)轉(zhuǎn)節(jié)前后擺動(dòng)，從而使整條 腿前后擺動(dòng)。它可以較易地跨過(guò)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(dòng)更加靈活，對(duì)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(guò)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(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(jì)， 2021（ 9） :1~3 【 2】 蔡自興 .機(jī)器人學(xué) [M].北京 :清華大學(xué)出版社， 2021 【 3】 黃俊軍，葛世榮，曹為 .多足步行機(jī)器人研究狀況及展望 [D]. 江蘇徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)可靠性與救災(zāi)機(jī)器人研究所 , 221008. 【 4】 陳學(xué)東等 .多足步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制 [M].湖北 :華中科技大學(xué)出版社， 2021 【 5】 克拉克 在此，請(qǐng)?jiān)试S我再次向曾給予我多次 幫助 的 高龍琴 老師 、李 鷺 揚(yáng)老師 表示最忠的敬意。一年半以來(lái)，導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的專業(yè)知識(shí)、靈活開(kāi)放的思路寶貴的經(jīng)驗(yàn)以