【正文】 實(shí)際的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)機(jī)體至期望的位置 。其三維圖形如下 31 圖所示： 圖 31 機(jī)體外殼三維圖 31 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 按照驅(qū)動(dòng)電機(jī)的數(shù)量可將四足行走機(jī)構(gòu)劃分為： 一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)四條腿可以節(jié)省能量，控制比較簡單，但要實(shí)現(xiàn)行走，傳動(dòng)系統(tǒng)將比較復(fù)雜。 36 4 結(jié)論 論文完成的主要工作 本文主要完成了一下方面的工作： 理論分析與推導(dǎo)計(jì)算 依據(jù)幾何圖形的封閉型條件，得出數(shù)學(xué)模型，根據(jù)數(shù)學(xué)模型，求出機(jī)構(gòu)尺寸優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。在新舊知識(shí)的融會(huì)貫通過程中，我鞏固了以前的學(xué)習(xí)，提高了自學(xué)的能力，掌握了對(duì)于知識(shí)的綜合理解和運(yùn)用，擴(kuò)展了我的知識(shí)面和解決問題的思路，也讓我領(lǐng)會(huì)了謙虛為人、嚴(yán)謹(jǐn)求學(xué)的道理 。 二、選用齒形帶 因設(shè)計(jì)想實(shí)現(xiàn)渦輪傳導(dǎo)動(dòng)力的過程，故用齒形帶與之相互嚙合。但是行走 機(jī)構(gòu)在步行時(shí)腳的位置會(huì)改變，有時(shí)也會(huì)受到地面環(huán)境因素的影響，使得重心經(jīng)常產(chǎn)生很大的偏差，這時(shí)就容易發(fā)生翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，再加上要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎和爬坡，要想維持重心的不變就顯得更為艱難，這些因素導(dǎo)致目前四足步行速度低，步幅小的問題。一旦確定了本體和末端，下一個(gè)關(guān)鍵步驟是設(shè)計(jì)一個(gè)有效的虛擬構(gòu)件。 虛擬模型將廣義虛擬力映射為相關(guān)的實(shí)際關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩。 這樣取得的足端軌跡上的 24 個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值如表 21，這里選定步行機(jī)構(gòu)的步距為 S=14cm，抬足高度 h=。 行走機(jī)構(gòu)的腿機(jī)構(gòu)分為開鏈機(jī)構(gòu)和閉鏈機(jī)構(gòu)兩大類。 9 圖 23 小腿的擺動(dòng)約束 圖 24 足端運(yùn)動(dòng)空間 閉環(huán)平面四桿機(jī)構(gòu) 閉環(huán)平面四桿機(jī)構(gòu)并沒有開鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)承載能力低的缺點(diǎn)，它擁有比較好的剛性和較小的功耗，因此具有較廣泛的應(yīng)用。 一般而言，不要設(shè)計(jì)比較復(fù)雜的四足行走機(jī)構(gòu)，如果桿件太多的步行機(jī)構(gòu)會(huì)直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)的實(shí)現(xiàn)更加困難，因此對(duì)于腿部機(jī)構(gòu)所具備的基本要求是：輸出一定的軌跡，實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)要求； 具有一定的承載能力；方便控制的要求。另外，當(dāng)機(jī)器人行走時(shí)引擎會(huì)發(fā)出怪異的噪音。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。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。系統(tǒng)控制是由基于 CPG 的控制器通過反射機(jī)制來完成的?；谛袨榈目刂撇呗栽谔幚矶嘧杂啥炔叫袡C(jī)器人這類復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，行為規(guī)則的設(shè)計(jì)十分困難。 能夠建立如圖 22 所示的平面坐標(biāo)系，髖關(guān)節(jié)為第一關(guān)節(jié)，它在 1O 點(diǎn)環(huán)繞 Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè) 7 它的旋轉(zhuǎn)半徑為 1L ；大腿關(guān)節(jié)為第二個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，在 A 點(diǎn)環(huán)繞著和大、小腿的運(yùn)動(dòng)平面所垂直的軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，大腿的桿長為 2L ；小腿關(guān)節(jié)為第三個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，在 B 點(diǎn)環(huán)繞著和大、小腿的運(yùn)動(dòng)平面垂直的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，小腿桿的長度為3L 。 圖 27 埃萬斯四連桿機(jī)構(gòu) 腿的設(shè)計(jì) 從運(yùn)動(dòng) 的 角度 來看 ，足端相對(duì) 于 機(jī) 身應(yīng) 該為 直線軌跡，為了 實(shí)現(xiàn) 在 崎嶇不平 的 地面 上 行走，腿的伸長 必須 是可 以改 變的。 二個(gè)自由度的機(jī)構(gòu)可以由五桿、七桿、九桿等組成， 他們 運(yùn)動(dòng)鏈 的 基本形式有多種。 但在控制支撐腿關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于支 19 撐腿與地非鉸鏈連接，且支撐腿需驅(qū)動(dòng)機(jī)器人機(jī)體向前運(yùn)動(dòng)，不直接考慮關(guān)節(jié)空間驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的關(guān)節(jié)位置控制方法，對(duì)運(yùn)動(dòng)的平滑性帶來了不利的影響。當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)矩作用于關(guān)節(jié)時(shí)，機(jī)器人的行為就像真的有虛擬構(gòu)件作用于其上一樣。 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 s i ns i ns i ns i ns i n ????? ????? ???? ?????? (225) 引入中間角度變量： ? ? ?? 1 8 01 8 0 221 ?????? ????? ??? ?? 32 上式中 ?? 1 3 , 2 8 ?? ?? 由式 (210) ， (211) 可 以 求 解 2? 和 3? ，式子中的222111 , wvuwvu 為式 (212)至 (217)所表示。 考慮綜合因素，本行走機(jī)構(gòu)將選擇一臺(tái)電機(jī)。 總結(jié) 通過對(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。 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)。 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)器人的行走過程中，才能夠保 證前后兩腿總是交替的支撐和行走。 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。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)。 (2)虛擬模型直覺控制解決方案 為使機(jī)器人系統(tǒng)控制簡單、直觀。 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 。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 。 圖 21 開環(huán)連桿步行機(jī)構(gòu) 圖 22 開環(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(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。 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。 如圖 12 所示為美國 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。 fourlegged walking robot 目 錄 摘 要 ............................................................................................................................ I Abstract ............................................................................................................................II 1 緒論 ............................................................................................................................... 1 步行機(jī)器人的概述 .......................................................................................... 1 步行機(jī)器人研發(fā)現(xiàn)狀 ...................................................................................... 1 存在的問題 ....................................................................................................... 5 2 四足機(jī)器人腿的研究 ................................................................................................. 6 腿的對(duì)比分析 .................................................................................................. 6 開環(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) .........................................................