【正文】 足機器人平臺的舵機控制器設計 [J].機械與電子， 2021（ 9） :48~51 【 7】 王倩 陳甫 臧希喆 趙杰 .新型六足機器人機構與控制系統設計 .哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所，哈爾濱 150001 【 8】 曾桂英，劉少軍 .六足步行機器人的設計研究 .中南大學機電工程學院 , 長沙410083 【 9】 陳學東 .多足步行機器人運動規(guī)劃與控制 [M ].中科技大學出版社 , 2021121. 【 10】 徐軼群 ,萬隆君 .四足步行機器人腿機構及其穩(wěn)定性步態(tài)控制 [D].廈門集美大學 .202108 【 11】 王新杰，黃濤，陳鹿明 .四足步行機器人爬行步態(tài)的計算機仿真 [D].鄭 州 .202104 【 12】 郭鴻勛，陳學東 . 六足步行機器人機械系統 [D].武漢：華中科技大學 .202104 【 13】 安麗橋，朱磊 .六腳足式步行機器人的設計與制作 [D].上海：上海交通大學 . 202102 【 14】 劉靜，趙曉光，譚民 .腿式機器人的研究綜述 [J].中國科學院自動化研究所復雜系統與智能科學實驗室 ,北京 100080 【 15】 馬東興，王延華，岳林 .新型四足機器人步態(tài)仿真與實現 [J].南京航空航天大學機電學院，江蘇南京， 210016. 六足行走運動平臺結構設計 30 致 謝 畢業(yè)意味著一個人一個階段學習生涯的結束。 第二個自由度，由舵機通過一個四桿機構 A2B2C2D2，帶動股節(jié) D2G 上下擺動， 六足行走運動平臺結構設計 25 第三個自由度，由舵機通過四桿機構 A1B1C1D1和 D1E1F1G，帶動脛節(jié) GH 擺動 ，實現左右搖擺運動。使用這套簡單易學的工具，機械設計工程師能快速、方便地按照其設計思想繪制出草圖及三維實體模型 。依據物理學原理，物體的轉動慣量與質量成正比，因此要轉動質量愈大的物體，所需的作用力也愈大。 六足行走運動平臺結構設計 15 六足機器人的結構 設計 軀干縱向長 214mm，寬 240mm，站立時 高 110mm。 在交替 步態(tài)中，各腿的運動可分為抬升和前進兩個部分。此外 ，開環(huán)關節(jié)式機構的末端操作點無論是在機體的上部還是下部都有非常大的運動空間，且機構不存在死點的情況，機構比較簡單 。 圖 2— 1 單桿式腿結構機器人 六足行走運動平臺結構設計 11 四連桿式 (埃萬斯機構 ) 該機構有 各種衍化形式，是可用連桿曲線軌跡作為足端軌跡的一種步行機構，如圖 2— 2。 (2)機器人步態(tài)的研究。 Boston Dynamics 公司的 Big Dog 四足機器人用于為軍隊運輸裝備，其高 3 英尺，重 165 磅，可以以 英里的速度行進 ，其采用汽油動力。 六足行走運動平臺結構設計 4 步行機 器人國內外研究現狀 國外研究現狀 對移動機器人的專門研究始于 60 年代末期。 Ariel（如圖 1– 2 左）由美國 isrobots 公司于 1995 年研制。在眾多步行機器人中，模仿昆蟲以及其他節(jié)肢動物們 的肢體結構和運動控制策略而創(chuàng)造出的六足機器人是極具代表性的一種。輪行機器人的不足之處在于對于未知的復雜自然地形，其適應能力很差，而步行機器人可以在復雜的自然地形中較為容易的完成探測任 務。它的設計重量和尺寸受系統復雜程度的制約，為了保證其在太空運行的可靠性，采用了冗余設計：從機械角度看，六條腿行走時，一旦有某條腿失效，余下的腿仍然可以行走；從傳感器的角度看，這種冗余可以讓來自不同位置的傳感器將信號傳給主控制器，以更有效地分析地形。 圖 1— 3 Scorpion 和 Tarry Tarry（如圖 14）由德國杜伊斯堡大學機械工程部機械學院研制，項目始于 1998 年。麻省理工的 Raibert利用相對自由度數 較少的簡單腿部機構建造了一些機器人，利用簡單的控制，這些機器人能夠實現走、跑、跳等動作，實現主動平衡，如圖 1— 7 所示。到目前為止，盡管多足步行機器人技術有了很大的發(fā)展，國內外研究開發(fā)了很多原理樣機或實驗模型，但制約多足步行機器人技術進一步發(fā)展的基礎理論問題并沒有得到根本的解決。目前市面上有很多諸如此類的爬蟲玩具，如圖 2 一 1 所示為常見的單桿式腿結構的機器人?？s放式步行機構的剛性較大，傳動誤差較小，腿部末端在機體下部的運動空間較大，在機體上部的運動空間較小，機構存在死點。跟導步態(tài)每次只需要選擇前兩足的立足點，因而具有控制簡單，穩(wěn)定性較好，越溝能力強等特點，所以特別適合多足步行機在不平地面行走時采用。 圖 2— 5 機器人步態(tài)示意圖 在機器人希望轉彎時其 6 支腳的運動順序與直行時基本相同 ,唯一的不同在于在期望轉向的那一側的 3 支腳運動方向完全逆向。其工作原理是由接收機發(fā)出訊號給舵機，經由電路板上的 IC 判斷轉動方向，再驅動無核心馬達開始轉動，透過減速齒輪將動力傳至擺臂，同時由位置檢測器送回訊號，判斷是否已經到達定位。目前市面上流行的三維實體造型軟件 SolldworkS，Pro/e， UG， Ideas，它們都帶有功能相當完善的實體建模模塊，可以快速準確的完成復雜系統的實體建模。 3— 3 股節(jié)裝配體 圖 由舵機通過一個四桿 機構 A2B2C2D2，帶動股節(jié) D2G 上下擺動， 實現抬腿運動。 (3)步行機機動性、靈活性方面，目前的步行機器人還遠未達到像動物那樣的步行機動性和靈活性 ,存在步行速度低 ,效率差等問題。 在此，請允許我再次向曾給予我多次 幫助 的 高龍琴 老師 、李 鷺 揚老師 表示最忠的敬意。它可以較易地跨過比較大的障礙（如溝、坎等） ，并且機器人足所具有的大量的自由度可以使機器人的運動更加靈活，對凹凸不平的地形的適應能力更強；足式機器人的立足點是離散的，跟地面的接觸面積較小，因而可以在可達到的地面上選擇最優(yōu)支撐點，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴格選擇足的支撐點，也能夠行走自如。 六足行走運動平臺結構設計 22 總圖 3— 1 總體結構 圖 采用每條腿部 3 個舵機分別控制抬腿動作、左右移動動作、跨腿動作 。 考慮到機器人機械結構的限制， 取值范圍為 ， 取值范圍為， 取值范圍為 。對應的機構簡圖如圖 2– 8 b)所示。因此在同一時間 ,只有一組的 3 條足起支撐作用 ,前足用爪固定物體后拉動蟲體前進 ,中足用以支撐并舉起所屬一邊的身體 ,后足則推動機體前進 ,同時使機體轉向。大部分六足機器人都是從仿生學的角度出發(fā)使用這一步態(tài)。以中南大學設計過的一款液壓控制的采用縮放式腿機構的六足機器人 為例，其原理如圖 2— 3。步行機的腿部機構的研究是熱點問題，采用何種機構能滿足產生機器人足部的理想的運動軌跡 ， 同時能通過簡單的算 法對其運動進行控制的要求 ， 促使研究者們不斷設計出新的腿部機構，具有柔性的腿機構是下一個研究焦點。 1980 年，中國科學院長春光學精密機械研究所采用平行四邊形和凸輪機構研制出一臺八足螃蟹式步行機 ,主要用于海底探測作業(yè) ,并做了越障、爬坡和通過沼澤地的試驗。其中有代表性的研究為： 1977 年， Robert McGhee 在俄亥俄州立大學研制的似昆蟲的六足機器人。通過改變一個簡單的速度參數，步態(tài)可以從一個緩慢的波動步態(tài)轉換到快速的三足步態(tài)。 Genghis（如圖 1– 1 左）是由 irobot 公司研制于 80 年代，每條腿裝有兩個電機，使得它可以自由行動，但是因為每腿只有兩個自由度，行動有些笨拙。六足行走運動平臺結構設計 I 摘 要 隨著人類探索自然界步伐的不斷加速，各應用領域對具有復雜環(huán)境自主移動能力機器人的需求，日趨廣泛而深入。其研究成果包括八十年代末的 Genghis 和九十年代初的 Attila 和 Hannibal。步態(tài)控制器基于節(jié)肢動物腿部協調工作的機理。 圖 1— 4 四足車 Walking Truck 隨著電子技術發(fā)展，計算機性能的提高，使多足步行機器人技術進入了基于計算機控制的發(fā)展階段。 圖 1— 9 Biobot 六足機器蟲 圖 1— 10 Tekken 四足機器人六足行走運動平臺結構設計 7 圖 1— 11 Scout I、 Scout II 四足機器人和 RHex 六足機器人 我國步行機器人的研究開始較晚，真正開 始是在上世紀 80 年代初。從步行機的研究開始首先就對其機械結構進行了研究，目前多足步行機機體類型主要有：長方形，圓形和框架式?？s放式腿機構具有比例性，可將驅動器的推動距