【正文】 開環(huán)關(guān)節(jié)連桿機構(gòu) .............................................................................. 6 閉環(huán)平面四桿機構(gòu) .............................................................................. 9 腿 的設(shè)計 ......................................................................................................... 11 腿的機構(gòu)分析 ..................................................................................... 12 支撐與擺動組合協(xié)調(diào)控制器 ........................................................... 18 單條腿尺寸優(yōu)化 ............................................................................................ 21 數(shù)學(xué)建模 ............................................................................................. 21 運動特征的分析 ................................................................................ 23 機器人腿足端的軌跡和運動分析 .............................................................. 24 機器人腿足端的軌跡分析 ............................................................... 24 機器人腿足端的運動分析 ............................................................... 27 3 機體設(shè)計 .................................................................................................................... 30 機體設(shè)計 ......................................................................................................... 30 機體外殼設(shè)計 ..................................................................................... 30 傳動系統(tǒng)設(shè)計 ..................................................................................... 31 利用 Solid Works 進(jìn)行腿及整個機構(gòu)輔助設(shè)計 ....................................... 35 4 結(jié)論 ............................................................................................................................. 36 論文完成的主要工作 .................................................................................... 36 總結(jié) ................................................................................................................. 36 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................... 37 致 謝 ............................................................................................................................. 39 1 1 緒論 步行機器人的概述 機器人相關(guān)的研發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)如今早已變成每個國家的重要科研項目之一，通過運用機器人來代替人們的某些危險工作或者幫助殘疾人完成自己所不能完成的事情。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和機器人控制技術(shù)方面的應(yīng)用研究 ， 20 世紀(jì) 80 年代之后，現(xiàn)代四足步行機器 人的研發(fā)工作進(jìn)入了廣泛的發(fā)展階段。 如圖 12 所示為美國 Boston Dynamics 實驗室研制的叫做 BigDog 的機器人，是目前最具 代表性的四足步行機器人，它能在各種惡劣的地形上進(jìn)行行走，最大負(fù)載達(dá)到 52kg ，爬升斜坡可達(dá) 35176。 4 (a) (b) 圖 13 上海交通大學(xué)的二種四足步行機器人 清華大學(xué)所研制的兩款四足步行機器人，如圖 14 所示。 從以上的分析中能夠看出，對于多關(guān)節(jié)步行機器人的運動控制，傳統(tǒng)的運動控制方案大多數(shù)都不夠完善。這種機構(gòu)大部分是由關(guān)節(jié)式連桿機構(gòu)來實現(xiàn)。 圖 21 開環(huán)連桿步行機構(gòu) 圖 22 開環(huán)連桿機構(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)動轉(zhuǎn)角分別為 ? 、 ? 、 ? ，根據(jù)上圖可以建立足端 C 點的運動軌跡方程如下 ： ????????vzuyuxccc??sincos 其中： 8 )c o s (c o s 321 ??? ???? LLLu )s in (s in 32 ??? ??? LLv ??? ??? ?90 通過上式和圖形可以得到，小腿桿能夠在轉(zhuǎn)過大臂上部空間內(nèi)運動（就像人的小臂運動一樣），因此在運動的時候，由于臂的末端 C 點能運動到比較大的區(qū)域，在髖關(guān)節(jié)進(jìn)行轉(zhuǎn)動時候，機構(gòu)的運動空間可以實現(xiàn)三維橢圓狀。 10 圖 25 平面四桿步行機構(gòu) 圖 26 平面四桿步行機構(gòu)坐標(biāo)系模型 我們建立如圖 26 所示的坐標(biāo)系模型。行走機構(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， 此外 還必須具有腳部 的 抬起 和 擺動的動作，如果 把本體 作為參照物 ， 那么就可以得到 足端 的運動 軌跡 如下 圖 28（ a）所示 。 腿機構(gòu)運動要求的必要條件是： （ 1）機構(gòu)所含運動副是轉(zhuǎn)動副或移動副； （ 2）機構(gòu)的自由度不能大于 2； （ 3）機構(gòu)的桿件數(shù)目不宜太多； （ 4）須有連桿曲線為直線的點； （ 5）足機構(gòu)上的點，相對于機身高度是可變的； （ 6）機構(gòu)需有腿的基本形狀。 在 設(shè)計中，將采用斯蒂芬（ Stephonson）型六桿機構(gòu)作為步行機構(gòu)，步行器的大小腿以二桿組 構(gòu)成 ，并 讓它的 足端相對運動軌跡 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)動機構(gòu) 用 四桿機構(gòu) 組成 。對照四桿機構(gòu)圖譜，只有 ?? 1010 ??? ? ，能在圖譜中找到，綜合考慮D 點軌跡與圖譜連桿曲線一致性以 及機構(gòu)具有好的構(gòu)形，確定 D 的位置尺寸為 cml ? ， ?9?? ，相應(yīng)四桿機構(gòu)為下圖 211。 (2)虛擬模型直覺控制解決方案 為使機器人系統(tǒng)控制簡單、直觀。 在虛擬模型控制中虛擬構(gòu)件用于描述機器人的期望行為。對角小跑位于對角的兩腿動作完全相同，或與地接觸支撐機體，或擺動向前找尋新的支撐點。支撐與擺動組合協(xié)調(diào)控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。 根據(jù)表 21 中給的數(shù)據(jù)，得到預(yù)想設(shè)計的軌跡圖為下圖 217 所示。 機體外殼設(shè)計 本行走機構(gòu)的機體取 B 為 350mm，前后兩腿之間的距離 B 為 450mm，機體高 H 為 400mm，長 L 為 850mm。 圖 32 驅(qū)動件圖 腿各桿的裝配圖如圖 33 所示： 32 圖 33 腿各桿裝配圖 這里我們將采用齒形帶傳動連接前后腿，在安裝過程中，必須要保持前后腿相位差大約 180 度，這樣在步行機器人的行走過程中，才能夠保 證前后兩腿總是交替的支撐和行走。 基于 Solid Works 繪制的裝配圖，參看上圖所示。 該腿機構(gòu)采用了傳統(tǒng)的連桿機構(gòu)，齒形帶和蝸桿的相結(jié)合是本設(shè)計的一大亮點。這一切對我今后的工作和生活都有著不可忽視的作用。 總結(jié) 通過對該四足步行機器人腿的理論分析，本文主 要得出以下總結(jié)： ，它在行走過程中重心橫向變化量不大，可以實現(xiàn)其穩(wěn)定性要求；其具備一定速度能力和一定跨越障礙的能力。 帶傳動具有機構(gòu)簡單，傳動平穩(wěn)的優(yōu)點，同步帶還具有定傳動比傳動的特點，前后腿之間選用齒形帶傳動，根據(jù)計算本次設(shè)計選擇 450H075 型同步帶。 考慮綜合因素，本行走機構(gòu)將選擇一臺電機。 為保持行走穩(wěn)定，可以采取配置調(diào)節(jié)重心。 向量方程為： 23457 lllllrc ?????? ????? 寫到坐標(biāo)系 xoy 中： 25 ? ?? ?jlllllilllllr c ? ??22331425172233142517 c o sc o sc o sc o sc o s