【正文】 開(kāi)環(huán)關(guān)節(jié)連桿機(jī)構(gòu) .............................................................................. 6 閉環(huán)平面四桿機(jī)構(gòu) .............................................................................. 9 腿 的設(shè)計(jì) ......................................................................................................... 11 腿的機(jī)構(gòu)分析 ..................................................................................... 12 支撐與擺動(dòng)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(yùn)動(dòng)特征的分析 ................................................................................ 23 機(jī)器人腿足端的軌跡和運(yùn)動(dòng)分析 .............................................................. 24 機(jī)器人腿足端的軌跡分析 ............................................................... 24 機(jī)器人腿足端的運(yùn)動(dòng)分析 ............................................................... 27 3 機(jī)體設(shè)計(jì) .................................................................................................................... 30 機(jī)體設(shè)計(jì) ......................................................................................................... 30 機(jī)體外殼設(shè)計(jì) ..................................................................................... 30 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) ..................................................................................... 31 利用 Solid Works 進(jìn)行腿及整個(gè)機(jī)構(gòu)輔助設(shè)計(jì) ....................................... 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(jī)器人的概述 機(jī)器人相關(guān)的研發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)如今早已變成每個(gè)國(guó)家的重要科研項(xiàng)目之一，通過(guò)運(yùn)用機(jī)器人來(lái)代替人們的某些危險(xiǎn)工作或者幫助殘疾人完成自己所不能完成的事情。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和機(jī)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(jī)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(guó) Boston Dynamics 實(shí)驗(yàn)室研制的叫做 BigDog 的機(jī)器人，是目前最具 代表性的四足步行機(jī)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(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。 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。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)。 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 ： ????????vzuyuxccc??sincos 其中： 8 )c o s (c o s 321 ??? ???? LLLu )s in (s in 32 ??? ??? LLv ??? ??? ?90 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。 10 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。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。 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(lèi)似 ，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 用 四桿機(jī)構(gòu) 組成 。對(duì)照四桿機(jī)構(gòu)圖譜，只有 ?? 1010 ??? ? ，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 cml ? ， ?9?? ，相應(yīng)四桿機(jī)構(gòu)為下圖 211。 (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。 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。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)。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。 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。 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。 圖 32 驅(qū)動(dòng)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(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。 基于 Solid Works 繪制的裝配圖，參看上圖所示。 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)。這一切對(duì)我今后的工作和生活都有著不可忽視的作用。 總結(jié) 通過(guò)對(duì)該四足步行機(jī)器人腿的理論分析，本文主 要得出以下總結(jié)： ，它在行走過(guò)程中重心橫向變化量不大，可以實(shí)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(dòng)具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，同步帶還具有定傳動(dòng)比傳動(dòng)的特點(diǎn)，前后腿之間選用齒形帶傳動(dòng)，根據(jù)計(jì)算本次設(shè)計(jì)選擇 450H075 型同步帶。 考慮綜合因素，本行走機(jī)構(gòu)將選擇一臺(tái)電機(jī)。 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(xiě)到坐標(biāo)系 xoy 中： 25 ? ?? ?jlllllilllllr c ? ??22331425172233142517 c o sc o sc o sc o sc o s