【正文】 6 第二章 四足機(jī)器狗的本體設(shè)計(jì) 概述 此處 設(shè)計(jì)的機(jī)器狗為四足的，采用四足八關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較簡單， 主要實(shí)現(xiàn)前方探測(cè)功能，每只腳底均有一個(gè) 光電傳感器，能有效檢測(cè)腳底環(huán)境的變化。 單腿的扭矩計(jì)算 腿的動(dòng)作有兩個(gè)狀態(tài)：站立與抬起。 但 L1 與 L2 受整體尺寸要求的影響，將上述要求約束整理后 得： A． 最大尺寸限制 L1+L2≤ 90 B. 最小尺寸限制 L1+L2≥ 70 C 腿上部長度限 制 L2≥ 35 據(jù)此 ,可寫出優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型為 : min Q ( X) = *(L1+L2)+ X = [ x 1 , x 2 ]T = [ d , l ] T s. t 90L1L2≥ 0 L1+L270≥ 0 L2≥ 35 16 采用 MATLAB 軟件對(duì)優(yōu)化問題的分析 對(duì)軟件的了解和熟悉 由于第一次使用 MATLAB,所以對(duì)這款軟件進(jìn)行了一定的了解和熟悉 ，圖 為matlab 的主工作界面 。 A=[0 1 ； 0 0] 。,options) E. 計(jì)算結(jié)果 : 具體計(jì)算結(jié)果如圖 ，得到： 19 x = %最后的優(yōu)化結(jié)果 : fval = %優(yōu)化后的最小質(zhì)量 exitflag =1 %算法退出處條件 output = iterations: 3 %函數(shù)調(diào)用次數(shù) funcCount: 15 %函數(shù)評(píng)價(jià)次數(shù) stepsize: 1 %步長 algorithm: 39。ComputerAided Manufacturing(CAM)Systems） 不同電腦系統(tǒng)之間的通用 ANSI 信息交換標(biāo)準(zhǔn)。 SolidworkS 軟件的介紹 相比傳統(tǒng)的 ZD繪圖，三維實(shí)體造型不僅可以提供幾何拓?fù)湫畔?，而且可包含模型的材料、質(zhì)量、質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等物理信息，因此三維實(shí)體造型件己經(jīng)成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)師鐘愛的使用工具。 32 圖 四組機(jī)器狗簡化后的模型 本章小結(jié) 本章主要介紹了運(yùn)用三維建模軟件將機(jī)器狗的各個(gè)零件進(jìn)行繪制，加入其物理特征 ,包括密度、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，重心等參數(shù)。 在 3 個(gè)基本程序中， ADAMS/View 是 ADAMS 系列產(chǎn)品的核心模塊之一，是以用戶為中心的交互式圖形環(huán)境。在此，已經(jīng)利用基于特征的參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件 Solid works 建立四足機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)，然后利用 ADAMS/Exchange 模塊 ,將模型導(dǎo)入到 ADAMSMew 環(huán)境下，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)仿真分析。這里將四個(gè)圓柱形底面與水平面之間設(shè)置接觸力，并在里面設(shè)置力的屬性，如圖 所示。 ，還用 ANSYS 對(duì)其應(yīng)力與撓度進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)我還要感謝在我學(xué)習(xí)期間給我極大關(guān)心和支持的各位老師以及關(guān)心我的同學(xué)和朋友。四足步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活、穩(wěn)定性好，既能以靜態(tài)步行方式實(shí)現(xiàn)不平地面及復(fù)雜地形上的行走，又能以動(dòng)態(tài)步行方式實(shí)現(xiàn)高速行走，在搶險(xiǎn)救災(zāi)、排雷、探險(xiǎn)、娛樂及軍事等許多方面有很好的應(yīng)用前景。 圖 創(chuàng)建水平面 3．添加驅(qū)動(dòng) 在四足機(jī)器人模型的旋轉(zhuǎn)副上添加運(yùn)動(dòng)學(xué)驅(qū)動(dòng) ，如圖 所示 。 ADAMS/processor 模塊既可以在 ADAMS/View 環(huán)境中運(yùn)行，也可脫離 ADAMS/View 環(huán)境獨(dú)立運(yùn)行。目前有二十多家公司在這個(gè)日益增長的市場上競爭。電機(jī)、軸承座、軸承、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等很多附加零件，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真的時(shí)候不必考慮這些附加零件的外形，只需要考慮它們的重量、重心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等物理參數(shù)。 (6) 根據(jù)優(yōu)化過程的具體提示信息 ,修改優(yōu)化選項(xiàng)的設(shè)置 ,直到達(dá)到滿足優(yōu)化函數(shù)fmincon 所需的優(yōu)化條件為止。在 中，提供多種 CAD接口，主要有 :IGES、 CATIA、 PRO/E、 UG、 SAT、 PARA 等。 [x,fval,exitflag,output]=fmincon(39。 ceq = [ ] 。采用舵機(jī)作為機(jī)器狗 的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng) 器，其單腿結(jié)構(gòu)圖 見 圖 四足 機(jī)器狗 模型 13 圖 單腿結(jié)構(gòu) 作為整個(gè)結(jié)構(gòu)的重要部位，對(duì)其的優(yōu)化與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的驗(yàn)證機(jī)器及其重要，如果腿部受力變形，將對(duì)之后研究的步態(tài)行走的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，所以對(duì)其的研究很重要 ，將在下一章詳細(xì)介紹 。 9 圖 腿部結(jié)構(gòu)圖 1 圖 腿部結(jié)構(gòu)圖 2 腳部 腳部采用鋁合金型材，長為 40mm，寬為 12mm，厚度為 6mm估計(jì)重量為 MF=。 在國內(nèi)，中科院沈陽自動(dòng)化研究所、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、國防科技大學(xué)等單位和院校都先后開展了機(jī)器人技術(shù)的研究，并在多足步行機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展上也取得了較大的成果，例如 :我國上海于 20 世紀(jì) 90年代制成四足步行千日年，它能在高低不平的地面行走，可上臺(tái)階、爬斜坡、越過障礙物。據(jù)調(diào)查，地球上近一半的地面不能為傳統(tǒng)的輪式或履帶式到 4 達(dá)，而很多足式動(dòng)物卻可以在這些地面上行走自如。由于這些技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了機(jī)器人概念 的延伸。 1954 年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念，并申請(qǐng)了專利。機(jī)器人的研究與應(yīng)用水平，是一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技發(fā)展水平的反映，可以這么認(rèn)為，一個(gè)國家如果不擁有一定數(shù)量和質(zhì)量的機(jī)器人，就不具備國際競爭的工業(yè)基礎(chǔ)。 3. 采用三維造型軟件 Solidworks 建立四足機(jī)器狗 的本體結(jié)構(gòu)， 然后在保持模型質(zhì)量、質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等物理 信息和幾何信 息不變的條件下，對(duì)模型進(jìn)行簡化，便于仿真。 2 進(jìn)入 20 世紀(jì)后，機(jī)器人的研究與開發(fā)得到了更多人的關(guān)心與支持，一些實(shí)用化的機(jī)器人相繼問世， 1927 年美國西屋公司工程師溫茲利制造了第一個(gè)機(jī)器人“電報(bào)箱”，并在紐約舉行的世界博覽會(huì)上展出。 1970 年以后，機(jī)器人的研究得到迅速廣泛的普及。 為了改善輪子對(duì)松軟地面和不平地面的適應(yīng)能力，履帶式車輛應(yīng)運(yùn)而生。它最初是為了在惡劣條件下，幫助步兵搬運(yùn)東西而設(shè)計(jì)的。 每 家鋁合金型材生產(chǎn)企業(yè)所生產(chǎn)的產(chǎn)品基本上大同小異，只不過在具體的結(jié)構(gòu)上有所出入。 舵機(jī)的選擇 舵機(jī)主要是由外殼、電路板、無核心馬達(dá)、齒輪與位置檢測(cè)器所構(gòu)成。 mesh (x ,y ,Q) 。,39。 ANSYS 介紹 ANSYS 是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用 CAE 軟件，其分析功能強(qiáng)大，有內(nèi)建的建模模塊，但是在處理復(fù)雜形狀時(shí)，其建模功能難以勝任。分析時(shí)要區(qū)分 : ①單目標(biāo)與多目標(biāo)問題 。在設(shè)計(jì)過程中，可應(yīng)用特征、尺寸及約束功能，準(zhǔn)確制作設(shè)計(jì)模型，并繪制出詳細(xì)的工程圖 。打開保存一次后，裝配體就記住了子零部件的新位置。它除滿足用戶輸出位移、速度、加速度和力等的要求外，還可輸出用戶自己定義的數(shù)據(jù)。在 File To Read 欄中右擊鼠標(biāo)，從彈出的快捷菜單中選取 Browse 命令，再選取創(chuàng)建好的 xmt_txt 文件 。 圖 設(shè)置接觸力 40 圖 四足機(jī)器狗的仿真 6．后處理數(shù)據(jù) 在 plotting 里面，可以看到處理的數(shù)據(jù)，如圖 所示，可以看到扭矩最大地方在髖關(guān)節(jié)處，大小為 M=， 所以所選的舵機(jī)滿足要求。上述工作及所取得的結(jié)果可以作為該四足機(jī)器人開展后續(xù)相關(guān)研究的基礎(chǔ)。首先，通過一些控制軟件如 Matlab 等建立控制的目標(biāo)軌跡、控制算法和電機(jī)模型，并輸出控制指令。在 ADAMS/View環(huán)境下，根據(jù)實(shí)際情況添加相應(yīng)的約束、驅(qū)動(dòng)和力。 35 圖 倒入模型的幾何對(duì)話框 圖 模型導(dǎo)入 ADAMS/View 2. 創(chuàng)建約束 模型成功導(dǎo)入 ADAMS/view 后， 先創(chuàng)建一個(gè)地面，這里用水平板來代替，并將其固定到地面，如圖 。 ADAMS 仿真分析結(jié)果的后處理，可以通過調(diào)用后處理模塊 ADAMS/Proeessor 來完成。 （ 2） 經(jīng)過掃描形成的實(shí)體在工程視圖中 標(biāo)不上 尺寸 ，這樣的很多重要尺寸就標(biāo)不上了，影響讀圖，后來知道 這些外輪廓有時(shí)是無法選中，高版本基本解決。 28 四足 機(jī)器狗 本體結(jié)構(gòu)的三維模型 經(jīng)過上一章的優(yōu)化之 后，腿部尺寸發(fā)生了變化，所以整個(gè)尺寸也將進(jìn)行調(diào)整。 ③是否為線性規(guī)劃問題等幾種情況。如將 ANSYS 與專業(yè)的 cAD 軟件 SolidWorks 有效的結(jié)合，揚(yáng)長避短。,39。 ylabel (′ L2′ ) 。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。 80 系列、 60 系列指的是鋁合金型材邊框的寬度分別是 80毫米、 60 毫米。但從步態(tài)規(guī)劃及控制的角度來說，這種要人跟隨操縱的步行機(jī)并沒有體現(xiàn)步行機(jī)器人的實(shí)質(zhì)性意義，只能算作是人操作的機(jī)械移動(dòng)裝置 。但是履帶運(yùn)動(dòng)方式在不平地面上的機(jī)動(dòng)性仍然很 差，特別是轉(zhuǎn)向時(shí)的滑動(dòng)和陷入使其能耗率大為下降，同時(shí)車身晃動(dòng)仍然嚴(yán)重。米拉克隆公司的理查德 自 1946 年第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)問世以來，計(jì)算機(jī)取得了驚人的進(jìn)步，向高速度、大容量、低價(jià)格的方向發(fā)展。在 ADAMS/View環(huán)境下，根據(jù)實(shí)際情況添加相應(yīng)的約束、驅(qū)動(dòng)和力。經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與各行各業(yè)要求自動(dòng)化程度的提高，推動(dòng)著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的機(jī)器人產(chǎn)品。另一方面，原子能實(shí)驗(yàn)室的惡劣環(huán)境要求某些操作機(jī)械代替人處理放射性物質(zhì)。 隨后，工業(yè)機(jī)器人在日本得到了巨大發(fā)展，日本也因此而贏得了“機(jī)器人王國的美稱”。步行是人和大多數(shù)高等動(dòng)物共同采用的移動(dòng)方式，對(duì)環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，既可以進(jìn)入相對(duì)狹窄的空間，也可以跨越障礙、上下臺(tái)階、上下斜坡甚至在不平整地面上運(yùn)動(dòng)。它前后腿分別組成對(duì)，向前邁進(jìn)就像顛馳 。 舵機(jī) 目前市面上普通小舵機(jī)重量在 50g左右， 如圖所示， 所以 取 Md=50g。 依照受扭矩較大處的來選擇舵機(jī)， 這里選擇 FUTUBA 的舵機(jī)，列出一些不同型號(hào)的舵機(jī)，如圖 所示， 選擇 FUTUBA S3002 的舵機(jī)，其規(guī)格見表 。 function f = Objfun (x) f = *(L1+L2)+ B． 因設(shè)計(jì)約束含 2個(gè)非線性約束 ,故編寫一個(gè)描述非線性約束的 m 文件 :NonLinConstr. function [c ,ceq] = NonLinConstr (x) c (1) = 90+x(1)+x(2) 。off39。這里用到的是第一個(gè)功能，結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。 (4) 根據(jù)目標(biāo)函數(shù)的性態(tài) ,預(yù)設(shè)優(yōu)化選項(xiàng) ,即 options 的設(shè)置。從而，在力求達(dá)到 機(jī)器狗 運(yùn)動(dòng)的靈活性的前提下，對(duì) 機(jī)器狗 的肢體結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡化，每條腿具有 2 個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié) 設(shè)計(jì)一個(gè)自由度。 33 第五章 四足機(jī)器狗的簡單動(dòng)力學(xué)仿真 概述 將已經(jīng)建立好的三維模型導(dǎo)入仿 真軟件 ADAMS 中，利用 ADAMS 簡單模擬 機(jī)器狗原地走，施加簡單的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，這里用的是 step 函數(shù)，仿真之后，測(cè)出關(guān)節(jié)處所受的扭矩，來驗(yàn)證所選的舵機(jī)是否滿足要求?？梢暂斎雽?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制試驗(yàn)曲線，并同仿真結(jié)果進(jìn)行比較 。根據(jù)四足機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型和模型的 36 實(shí)際 運(yùn)動(dòng)情況可知，該四足機(jī)器狗有 8 個(gè)旋轉(zhuǎn)副，如圖 所示。 42 第六章 結(jié)論 人技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)能在復(fù)雜環(huán)境下行走的特種機(jī)器人的需求日益增加。 四足機(jī)器人是一種多技術(shù)集成的復(fù)雜系統(tǒng)，目前的研究還處于初級(jí)階段，有許多需要深入開展的工作，論文的研究工作只是初步的嘗試，下一步需要在關(guān)鍵部位優(yōu)化工作上進(jìn)行深入，主要將機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃部分進(jìn)行補(bǔ)充，然后再加上控制部分的工作，這樣就可以完善整個(gè)機(jī)器狗系統(tǒng)了。 5. 型進(jìn)行簡化。 5．系統(tǒng)仿真 選擇仿真工具 ，進(jìn)入四足機(jī)器人仿真分析，可以 看到機(jī)器人進(jìn)行正常的仿 39 真。 啟動(dòng) ADAMS/View 程序，新建一個(gè)模型，保存系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置。 ADAMS/solver 是 ADAMS 產(chǎn)品系列中處于心臟地位的仿真“發(fā)動(dòng)機(jī)”。并將畫好的零件圖進(jìn)行裝配，建立機(jī)器狗整體的三維造型。 相比其它造型軟件， Solidworks 價(jià)格低廉，易學(xué)易用，并且支持 Iges， Parasoli