【文章內(nèi)容簡介】 的步態(tài)生成與規(guī)劃及傳統(tǒng)的控制方法在機器人行走運動控制過程的應用。 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。 圖 3 Adaptive Suspension Vehicle 圖 4 Odex1步行機器人 13 屆國際機械設計制造及其自動化專業(yè)課程設計（論文） 5 圖 5 MIT 腿部實驗室的四足和雙足機器人 由于新的材料的發(fā)現(xiàn)、智能控制技術(shù)的發(fā)展、對步行機器人運動學、動力學高效建模方法的提出以及生物學知識的增長促使了步行機器人向模仿生物的方向發(fā)展 。 綜上所述，國外在這方面的研究成果較多，但是大多都結(jié)構(gòu)復雜，造價昂貴，遠遠超出人民的經(jīng)濟承受能力。 國內(nèi)的研究相對較晚，雖然也誕生了很多專利，但由于受到體積，重量，穩(wěn)定性級安全問題還沒有產(chǎn)品真正投入使用。 面向社會應用需求，基于機械創(chuàng)新設計課程的課題要求，根據(jù)之前學習到的機械原理等知識，力求推動大學生設計創(chuàng)新能力，提高機器人應用實際的實際操控力，達到我們機械創(chuàng)新設計的目的。 ，對機體質(zhì)心及其穩(wěn)定性； ，分析采用合適參數(shù)； ，以及周期的確定； 轉(zhuǎn)彎靈活自如，以及舵機的選擇 ； ：建立合理得運動 學模型，從而對不同運動階段進行分析。 作者：寧輕，夏麗萍，趙晨光，陳森，周義恒 論文題目：六足是機器人的行走機構(gòu)設計 6 本設計主要通過分析 六足昆蟲 的步態(tài)運動，結(jié)合高等代數(shù)、機械原理等相關(guān)知識以及利用互聯(lián)網(wǎng)資源對六足仿生機器人機構(gòu)進行合理的分析與設計 。 集國內(nèi)外六足機器人的相關(guān)資 料，分析并消化，總結(jié)出我們自己的方法； ，選擇合適的步態(tài)，并穩(wěn)定性分析，行走步態(tài)設計； 設計和 運動學分析 ，繪制六足機器人的機構(gòu)原理圖； 針對運動特征設計相應機構(gòu) ， 改善運動機構(gòu)完成設計 。 設計 示意圖 進行 三維設計，并用 CATIA 軟件進行機構(gòu)行走仿真，動態(tài)模擬分析。 研究手段 研究結(jié)果 成果集成 網(wǎng)上資料查閱收集確定基本思路 步態(tài)分析 六足仿生機器人 動態(tài)模擬分析 查閱機械原理基礎知識 機器人機構(gòu)可行性分析 機構(gòu)設計 13 屆國際機械設計制造及其自動化專業(yè)課程設計（論文） 7 第二章 六足仿生機器人的步態(tài)規(guī)劃 步態(tài)分類 六足機器人要體現(xiàn)良好的地面適應能力和行走靈活性，需要規(guī)劃合理，有效的行走步態(tài)。步態(tài)不僅是指步態(tài)機器人各條腿抬腿、放腿的順序，還包括機器人占空系數(shù)分析、足端軌跡的選擇等。一般是模仿動物的行走姿態(tài)來研究機器人的步態(tài)。避免死鎖現(xiàn)象，保證機器人步行的連續(xù)性和全方位。 三角步態(tài) 交替三角步態(tài)也被稱為三角步態(tài)，六足綱是很多人熟知的一種步態(tài)，三角步態(tài)也可以稱之為最為快速最為有效的一種靜態(tài)穩(wěn)定步態(tài)結(jié)構(gòu)，這種步態(tài)非常的方便和快捷，能最簡單化的模擬出昆蟲的移動方式和方法，而且速度迅速快捷。 本文 就這種步態(tài)方式進行了 簡單的討論，得出了三角步態(tài)是最適合步行機器人直線的行走。 跟導步態(tài) 很多人都是采用的三 角步態(tài)，但是三角步態(tài)也是有局限性的，三角步態(tài)被應用在平常不凸起 的地面，在 1974 年 sun 提出 的跟導步態(tài)，這個是跟導步態(tài)最原先的鼻祖，他是以后跟導步態(tài)的一個基礎，在為后人的研究中做出了很大的貢獻。 選擇前兩足的坐標是跟導步態(tài)的重點，當 前足和中足的坐標決定了一對中足和一對后足的下一步的坐標點，這種方式控制簡單，而且還有很好的穩(wěn)定性，當然了一切的前提是在不平面的地面上行走時，我們平時在平面上運動的概率相對來說還是比他要大得多。 交替步態(tài) 復雜地形的行走是很多研究所在的重要環(huán)境特征，如何充分發(fā)揮六足機器人的特點，交替步態(tài)（也被稱之為五角交替步態(tài)）這是很多研究院和研究機構(gòu)的重點研究對象，這是一種單腿交替行走的步態(tài)。 抬升和前進是五角步態(tài)的兩個重要的部分，相鄰的腿之間信號要順序傳遞，一個靠地，另一個抬起，當這種狀態(tài)能夠持續(xù)的開始時，那么六足機器人就可以行走了。 作者：寧輕，夏麗萍，趙晨光，陳森，周義恒 論文題目：六足是機器人的行走機構(gòu)設計 8 但是你可以想象一下因為地形的原因，那么各個腿 到地面的時間不同，位置不同，這樣的話就不可以預測出他的時間和轉(zhuǎn)換的規(guī)律，所以對于凹凸不平的地面來講是不可用的，當然了對于平整的地面來說就都一樣了，時間規(guī)律都是有了固定值，這可以在試驗中得到驗證。 步態(tài)規(guī)劃概述 昆蟲大多是采用的六足綱的原理來行走，可以看作兩個狀態(tài)，當腿抬離地面的時候就叫作懸空相和當腿接觸到地面推動機 體前行的時候就叫做支撐相，懸空時的狀態(tài)記作 1，支撐時候狀態(tài)就記住 0。 一個腿運動完一個完整的周期循環(huán)所需要的時間就叫作一個運動周期。腿的運動周期相同，當周期變換的時候，腿就不同運動。有荷因素的定義為整個循環(huán)的運動周期中腿在地面的時間比例： Ti pit?? 腿的周期腿的支撐相的時間? (21) 如果 i為 ，， 2k（ 2k 為總的足數(shù)）也就是為偶數(shù)的時候，這種步態(tài)就稱之為規(guī)則步態(tài)。 步距 X ：指的是一個完整的腿循環(huán)中機身重心的移動的位置。 平均速度 ： 指的是機身的平均運動的速度。 所以由此可以看出行程 L ，步距 X ，和有荷因數(shù) ? 三者之間的關(guān)系為 LX???。根據(jù)上述所說的，有荷因數(shù) ? 大小可以分為 3種情況， （ 1）當 ?? 時；在一組腿著地時候處于支撐相時，另外的三條腿立刻抬起處于懸空相，使他能在任意時刻同時具備支撐相和擺動相，保證在任意時刻都有三條腿支承地面，三條腿擺起，這就是三角步態(tài)所處的時刻。 （ 2）當 ?? 時；機身的前行移動慢的時候，當擺動相和支撐相有很少的時間重疊過程，也就是說六條腿同時著地的時候，在這種情況下，步行機器人穩(wěn)定性更高，但是行走速度就相對降低。 （ 3）當 ?? 時；機身運動相對很快時候，六條腿同時在飛躍在空中時，各個腳都是處于懸空相時候，在這種結(jié)構(gòu)中，機器人騰空這要求機器人的機械結(jié)構(gòu)有很好的彈性和吸振性。 三角步態(tài)（也或者稱之為交替三角步態(tài)或者“ 3＋ 3”步態(tài)），這是運動是六條腿成為 兩組三角步態(tài)交替支撐前進邁步，一般來說像 (螞蟻，蟑螂）步行的時候都不是六條腿同時 直線前進的，而是把兩邊分為兩組以三角形支架的形式交替前行的，身體一邊13 屆國際機械設計制造及其自動化專業(yè)課程設計（論文） 9 的前后足和另一邊的中足組成一對三角架，穩(wěn)定身體的狀態(tài)，兩組腳在一邊抬起時，另一邊的三角腳架不動，使身體的重量都集中在不動的三角架上，當前面的腿上的肌肉收縮時候，也就是舵機動作，把腳部的力矩傳遞個機身，使機身的重心移動，當然了機身的重心的投影在三角架內(nèi)部。就是通過重心的轉(zhuǎn)移來使機身移動，然后再重復上一組的動作，相互互換周而復始，這種方式是很便捷的，因為重心一直在兩 對三角架的重心位置，使其能更穩(wěn)定的行走，這 充分的體現(xiàn)了三角步態(tài)的行走方式，但是這不是直線 ，我們可以理解為一種類似呈鋸齒形的曲線前進方式。 自然界的昆蟲一般都是用的三角步態(tài)來達到疾走的目的，如下圖說的一般來講三個 A 為一組腿，三個 B 為一組腿，每三個構(gòu)成一個三角形，當其中一組處于支撐相的時候，另一組要迅速的處于懸空相，這兩者之間是交替互換的，前足固定產(chǎn)生摩擦力帶動重心移動，后足有轉(zhuǎn)變方向的作用，他們是交替支撐身體的，所以總的來說三角步態(tài)還是相當穩(wěn)定的步態(tài)，相比較其他的方式有很大的優(yōu)越點，下面用圖來簡單表示下： 仿生六組機器人六條腿都在地面上也就是處于支撐相，看到機器人的重心在 C1的地方， B組的支撐機身重量， A 腿擺動。 仿生 六足 機器人再次同時在地面上，發(fā)現(xiàn)重心到了 C2 的位置，Ａ、Ｂ組都支撐機身體重，機身向前移動了Ｌ長度。 仿生 六足 機器人Ａ組靠地面時候，Ｂ組開始動作，重心仍然不變，所有的狀態(tài)回到初始，這就是一個周期，運動起來這就是一個循環(huán)往復的過程。 圖 21 機器人步態(tài)規(guī)律圖 六足仿生機器人的坐標含義 六足仿生機器人的簡圖以下圖是 X0Y 與機身平行， Z 軸與機身相互垂直，機身的質(zhì)心在坐標原點上。 腿的順序定義如圖所示，定義腿間距為 n，機身的體寬為 1m。 A A A B作者：寧輕，夏麗萍，趙晨光，陳森，周義恒 論文題目：六足是機器人的行走機構(gòu)設計 10 B B分別是腿的站立點， A11， A2 A3 B1 B2 B3分別是腿與髖關(guān)節(jié)的連接處。 圖 22 機器人的坐標定義 六足仿生機器人腿機械圖如下圖所示： X軸投影定義的腿長為 L，腿 的 高度為 H，大腿與小腿之間角度為 i? ，髖關(guān)節(jié)在 Z 軸旋轉(zhuǎn)角度為 i? ，髖關(guān)節(jié)在 Y軸旋轉(zhuǎn)角度為 i? 。 圖 23 腿變化示意圖 圖 24 髖關(guān)節(jié)在 XOY 平面旋轉(zhuǎn)示意圖 由上面的兩幅圖可以看出，六足仿生機器人髖關(guān)節(jié)的電機向上旋轉(zhuǎn)了 i? 角度的時候，13 屆國際機械設計制造及其自動化專業(yè)課程設計（論文） 11 其中一條腿在 Z 軸方向提升高度 h ，六足步行機器人腿部 Z 方向提升高度可以通過圖計算如圖 : 根據(jù)圖中所示， 得到 h 計算的表達式子： 22 ii= 2 si n si n a r c ta n2 2 2HLh H L? ? ?? （ + ） （ 22） 222 s in c o s ( a r c ta n )22i H ih L H L??? ? ? （ 23） 所以可以確定的是髖關(guān)節(jié)電機旋轉(zhuǎn) i? 角度時候與立足的位置點 Ai在 Z軸的方向上提升高度 h 的函數(shù)關(guān)系。 由圖 25可見六足仿生機器人髖關(guān)節(jié)電機向著前面轉(zhuǎn)動 i? 的時候立足位置點 Ai在Y軸的方向上前進了半步長為 S/2，六足仿生機器人腿部 Y方向前進的步長計算如下： 圖 25 腿在 Y方向上前進的示意圖 所以說可以得出來 S/2=Lsini? ，由表達可以確定髖關(guān)節(jié)電機向前轉(zhuǎn)動 i? 角度的時候，立足位置點 Ai 在 Y 方向的前進的步長為一半 S/2 的相確定的關(guān)系。當 i? 較小的時候，可以設旋轉(zhuǎn) i? 角度后腿在 X 軸上的投影長度近視為 L。 作者：寧輕，夏麗萍，趙晨光，陳森，周義恒 論文題目：六足是機器人的行走機構(gòu)設計 12 三角步態(tài)的穩(wěn)定性分析