【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 DAMS 程序，兩個(gè) 軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如何避免出現(xiàn)聯(lián)合仿真失敗。 課題主要研究?jī)?nèi)容及任務(wù)指標(biāo) 主要研究?jī)?nèi)容 在四足機(jī)器人研究中，因其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，為了便于研究工作的開展，本文根據(jù)四足機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)將對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能沒有影響的結(jié)構(gòu)略去，簡(jiǎn)化了四足機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型。并運(yùn)用 ADAMS 與 MATLAB 聯(lián)合仿真方法，對(duì)四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行分析。主要研究?jī)?nèi)容如下： （ 1）利用 DH 坐標(biāo)系變換法，建立四足機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，得到四足機(jī)器人足端和機(jī)體坐標(biāo)系之間的變換矩陣，并求解機(jī) 器人腿部速度與加速度。 （ 2）分析四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步態(tài)及其穩(wěn)定性，規(guī)劃出機(jī)器人行走及轉(zhuǎn)彎步態(tài)，并利用 ADAMS 仿真軟件對(duì)規(guī)劃的步態(tài)進(jìn)行仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。 （ 3）按照四足機(jī)器人設(shè)計(jì)幾何參數(shù)，運(yùn)用 PROE 軟件建立三維模型，導(dǎo)入 ADAMS軟件中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，及添加約束與驅(qū)動(dòng)，建立虛擬樣機(jī)仿真模型。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 15 （ 4）運(yùn)用 MATLAB/SIMULINK 軟件進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)行與 ADAMS 的聯(lián)合仿真，實(shí)現(xiàn)四足機(jī)器人行走與轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，驗(yàn)證四足機(jī)器人設(shè)計(jì)的合理性。通過控制程序的調(diào)試，得出機(jī)器人最佳運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 任 務(wù)指標(biāo) 本文設(shè)計(jì)的四足機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)在一定負(fù)重條件下，平衡行走、轉(zhuǎn)向，滿足平路及走道行走要求。主要技術(shù)指標(biāo)如下： 機(jī)器人尺寸不超過 500mm500mm300mm； 機(jī)器人負(fù)重能力 ； 行走速度不低于 ； 爬行坡度 10? 。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 16 第二章 四足機(jī)器人步態(tài)研究及穩(wěn)定性分析 引言 步態(tài)是指步行體在運(yùn)動(dòng)過程中各腿有規(guī)律的動(dòng)作，是步行體各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)方式。四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)通 過相關(guān)關(guān)節(jié)的配合而實(shí)現(xiàn)，故關(guān)節(jié)之間的協(xié)調(diào)是四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。本章通過對(duì)四足機(jī)器人步態(tài)分析，分析各條腿的擺動(dòng)規(guī)律，得出四足機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的步態(tài)。 步態(tài)分析 步態(tài)的基本概念 步態(tài)是指步行體（人、動(dòng)物或機(jī)器人）在運(yùn)動(dòng)過程中，按照一定的時(shí)間和空間順序有規(guī)律地?cái)[動(dòng)各腿，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的方式。正常的步行必須完成支撐體重與擺動(dòng)腿邁步這兩個(gè)過程。研究步態(tài)的本質(zhì)就是研究步行體擺動(dòng)腿邁步的規(guī)律。不同的擺動(dòng)腿規(guī)律形成了不同的運(yùn)動(dòng)方式，因而，步態(tài)研究是機(jī)器狗運(yùn)動(dòng)研究的重要部分。 在四足步行機(jī)器人研究中，將 四足步行機(jī)器人步態(tài)分為靜態(tài)步態(tài)和動(dòng)態(tài)步態(tài)。靜態(tài)步態(tài)是指機(jī)器人在步行過程中始終滿足靜力學(xué)條件，即機(jī)器人重心始終落在支撐地面的幾條腿所圍成的多邊形內(nèi)；動(dòng)態(tài)步態(tài)是機(jī)器人在行走過程中，重心有時(shí)會(huì)落在支持地面幾條腿所圍成的多邊形外的運(yùn)動(dòng)步態(tài) [1]。參照四足動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，可以將步態(tài)分為爬行步態(tài)（ crawl）、對(duì)角小跑步態(tài)（ troting）、溜蹄步態(tài)（ pace）、跑跳步態(tài)（ bound）、飛馳步態(tài)（ gallop）等等 [2]。 步態(tài)分析中常用步態(tài)描述的基本參數(shù)包括擺動(dòng)相、支撐相、步長(zhǎng)、步幅、步頻、步速、步行周期、步行時(shí)相， 其中擺動(dòng)相與支撐相、步態(tài)周期和占地系數(shù)是步態(tài)分析中最常用的三大要素。步態(tài)分析基本參數(shù)的基本定義如下： 擺動(dòng)相和支撐相 腿部抬離地面而處于半空中的狀態(tài)稱這為擺動(dòng)相；腿部處于著地狀態(tài)稱之為支撐相。 步態(tài)周期（ T） 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 17 在行走時(shí)，一條腿從著地到該條腿再次著地的過程被稱為一個(gè)步行周期，通常用時(shí)間秒（ s）表示。 占地系數(shù) (? ) 在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)，單腿在地面支撐的時(shí)間（支撐相的時(shí)間）與步態(tài)周期的比值稱為占地系數(shù)，其取值范圍在 0 至 1 之間。 步長(zhǎng)（ ? ） 行走時(shí)，在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)機(jī)器人移動(dòng)的距離稱為步長(zhǎng)。 步幅 (d) 行走時(shí)，由一腿著地到該腿再次著地時(shí)該腿所移動(dòng)的距離稱為步幅。 腿部的運(yùn)動(dòng)范圍 指腿端部在受到其他部分約束下所到運(yùn)動(dòng)的范圍。 腿相位（ ? ） 行走時(shí)，某條腿從開始擺動(dòng)的時(shí)刻在一個(gè)周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)位置，稱為這條腿的相位。 根據(jù)占地系數(shù) ? 的大小可以將機(jī)器人步態(tài)分為靜步行和動(dòng)步行 [3]。即，當(dāng)0 ??? 時(shí)，四足機(jī)器人只有一條或兩條腿處于支撐狀態(tài)，為動(dòng)步行；當(dāng) ???時(shí)，四足機(jī)器人有兩條或三條腿處于支撐狀態(tài)，為準(zhǔn)動(dòng)步行；當(dāng) 1???時(shí)，四足機(jī)器人有三條或四條腿處于支撐狀態(tài)，為靜步行，靜步行的流程圖如下圖 所示。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 18 圖 靜步行流程圖 行走步態(tài)分析 在四足機(jī)器人研究中，比較常見的步態(tài)有如下幾種： 爬行步 態(tài)：四足機(jī)器人在移動(dòng)過程中，始終有三條腿處于支撐狀態(tài)，其余一條腿處于擺動(dòng)邁步狀態(tài)，并且每條腿按照先后順序依次進(jìn)行擺動(dòng)邁步，在一步態(tài)周期內(nèi)每條腿擺動(dòng)一次。在自然界中，許多小型四足動(dòng)物如壁虎、烏龜?shù)榷歼\(yùn)用爬行步態(tài)進(jìn)行行走。爬行步態(tài)中三腿支撐，增加了運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，所以在四足機(jī)器人研究中常常采用該步態(tài)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。為了清晰描述四足機(jī)器人爬行步態(tài)，作四足機(jī)器人簡(jiǎn)圖如下圖 所示。 后左前左身體調(diào)整后右前右三足著地四足著地身體調(diào)整循環(huán)西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 19 圖 四足機(jī)器人簡(jiǎn)圖及各腿編號(hào) 各腿的編號(hào)如上圖所示，其中腿 LF 表示左側(cè)前腿，腿 LH 表示左側(cè)后腿，腿 RF表示右側(cè)前腿，腿 RH 表示右側(cè)后腿。 在爬行步態(tài)下，每條腿在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間都相等，為四分之一個(gè)周期。爬行步態(tài)下的時(shí)序圖如下圖 所示。圖中， 1 表示腿處于擺動(dòng)騰空狀態(tài)， 0 表示腿著地狀態(tài)。 圖 爬行步態(tài)時(shí)序圖 對(duì)角小跑步態(tài)：四足機(jī)器人處于某一斜對(duì)角線上的兩條腿依次擺動(dòng)，接著另一斜對(duì)角線上的兩條腿擺動(dòng)，如此循環(huán)運(yùn)動(dòng)。對(duì)角小跑步態(tài)，運(yùn)動(dòng)速度比爬行步態(tài)的速度快。自然界中，如狗、貓等中型哺乳動(dòng)物，慢跑時(shí)常采用對(duì)角小跑步態(tài)。對(duì)角小跑狀態(tài)下，至少有斜對(duì)角兩條腿處于支撐狀態(tài)，而支撐線正好處于身體下方，因而該步態(tài)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定。 對(duì)角小跑步態(tài)的時(shí)序圖如下圖 所示。其中腿 LF 與腿 RH 處于對(duì)角線上，腿RF 與腿 LH 處于另一對(duì)角線上。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 20 圖 對(duì)角小跑步態(tài)時(shí)序圖 溜蹄步態(tài)：處于同側(cè)的兩腿處于相同的狀態(tài)，即同側(cè)腿都處于著地或騰空狀態(tài)，依靠一側(cè)的兩條腿來支撐體重。由于一側(cè)腿支撐體重易出現(xiàn)翻倒現(xiàn)象，影響到運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，故在四足機(jī)器人研究中，溜蹄步態(tài)使用較少。在自然界中，溜蹄步態(tài)日?？梢娪隈R的慢走過程中，馬在溜蹄步態(tài)下，同側(cè)腿同時(shí)擺動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)過程如下圖 所示 [4]。 圖 馬的溜蹄步態(tài) 在溜蹄步態(tài)下，由于同側(cè)的腿處于相同的 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（騰空或著地），故為兩拍步態(tài)，其時(shí)序圖如下圖 所示。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 21 圖 溜蹄步態(tài)時(shí)序圖 疾馳步態(tài)：處于肢體前側(cè)的兩腿（或后側(cè)兩腿）同時(shí)運(yùn)動(dòng)，通常是兩條腿抬起，另兩條腿著地，前后腿交替進(jìn)行快速運(yùn)動(dòng)。對(duì)于大型哺乳動(dòng)物，如獵豹、老虎等運(yùn)動(dòng)，在高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下常常使用疾馳步態(tài)。由于疾馳步態(tài)下最多有兩條腿處于支撐狀態(tài)，且兩條腿同為前腿或后腿。對(duì)于動(dòng)物來說可以自行調(diào)整身體平衡，而對(duì)于現(xiàn)在的科學(xué)技術(shù)要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自平衡較難。故在機(jī)器人研究中現(xiàn)階段還主要運(yùn)用速度較低的爬行步態(tài)與對(duì)角小跑步態(tài)。 在疾馳步態(tài)下，肢體前 側(cè)腿或后側(cè)腿同時(shí)運(yùn)動(dòng)，著地或騰空，故為兩拍步態(tài)。疾馳步態(tài)的運(yùn)動(dòng)時(shí)序圖如下圖 所示。 圖 疾馳步態(tài)時(shí)序圖 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 22 轉(zhuǎn)彎步態(tài)分析 哺乳動(dòng)物與人在轉(zhuǎn)彎時(shí)，常常通過髖關(guān)節(jié)帶動(dòng)腿部橫向運(yùn)動(dòng)，通過橫向前后腿的反向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。根據(jù)哺乳動(dòng)物在轉(zhuǎn)彎時(shí)各腿之間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，規(guī)劃?rùn)C(jī)器狗的轉(zhuǎn)彎步態(tài)。 在轉(zhuǎn)彎時(shí)，機(jī)器 人 的左側(cè)前腿 LF 先向左側(cè)邁出一步，接著左側(cè)后腿向右邁一步使身體向左側(cè)傾斜，然后右側(cè)右腿向右邁一步右側(cè)前腿向左邁一步，完成一定角度的左轉(zhuǎn)，如此循環(huán)，即可完成設(shè)定的轉(zhuǎn)彎過程。機(jī)器 人 轉(zhuǎn)彎時(shí)的擺腿流程如下圖 所示。 圖 四足機(jī)器人 轉(zhuǎn)彎擺腿流程圖 在 四足機(jī)器人 轉(zhuǎn)彎擺腿流程圖中（圖 ），各腿的指向表示各腿的移動(dòng)方向。圖a 為機(jī)器 人 轉(zhuǎn)彎前各腿的初始狀態(tài)，圖 b 中左側(cè)前腿 LF 向左移動(dòng)一步，圖 c 中左側(cè)后腿 LH 向右移動(dòng)一步，圖 d 中右側(cè)后腿 RH 向右移動(dòng)一步，圖 e 中右側(cè)前腿 RF 向左移動(dòng)一步，至此一個(gè)轉(zhuǎn)彎周期完成，機(jī)器 人 向左轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，機(jī) 器人 各腿回到初始狀態(tài)如圖 f。各腿按此步態(tài)循環(huán)運(yùn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。 步態(tài)規(guī)劃 行走步態(tài)規(guī)劃 綜合上節(jié)常見的步態(tài)分析，充分考慮運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，本文四足 機(jī)器人采用靜步行，在運(yùn)動(dòng)過程中始終有三條腿處于支撐相，并采用爬行步態(tài)作為行走方式。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 23 在行走過程中，為了達(dá)到四足機(jī)器人穩(wěn)定行走，機(jī)器人需要不斷調(diào)節(jié)身體重心使重心始終處于支撐三角形內(nèi)，重心運(yùn)動(dòng)軌跡為 S。 依次擺動(dòng)左前腿 LF、右后腿 RH、右前腿 RF、左后腿 LH，完成一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期。其運(yùn)動(dòng)過程中擺腿流程圖如下圖 所示。 圖 四足機(jī)器人 擺腿流程圖 在圖 中， (a)圖為機(jī)器 人 站立初始狀態(tài)，（ b）圖為移動(dòng)左側(cè)前腿狀態(tài)，（ c）圖為移動(dòng)右側(cè)后腿狀態(tài)，左－右對(duì)角邁步完成，接著（ d）圖中右側(cè)前腿向移動(dòng)，（ e）圖中左側(cè)后腿向前移動(dòng)，完成右－左對(duì)角邁步，從而一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期完成，機(jī)器人回到初始站立狀態(tài)圖（ f）。 轉(zhuǎn)彎步態(tài)規(guī)劃 四足機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)，先抬右后腿 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 24 步態(tài)穩(wěn)定性分析 四足機(jī)器人在行走步態(tài)及轉(zhuǎn)彎步態(tài)下都至少有三條腿著地，如前文所述，當(dāng)身體重心在支撐三條腿組成的三角形內(nèi)時(shí)滿足靜力學(xué)條件，為靜步態(tài)。四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中，處于靜步態(tài)則運(yùn)動(dòng)絕對(duì)穩(wěn)定。在機(jī)器人穩(wěn)定性分析中，為了簡(jiǎn)化模型常常假設(shè)機(jī)器人的重心位于身體的幾何重心處，在運(yùn)動(dòng)過程機(jī)器人通過不斷調(diào)節(jié)身體的姿態(tài)，使重心始終處于支撐三角形。靜步態(tài)重心位 置圖如下圖 所示。 圖 靜步態(tài)重心圖 圖 中，腿 LF 處空心圓圈表示腿 LF 抬起處于騰空狀態(tài)，此時(shí)另外三條腿處于支撐狀態(tài)，身體重心如圖中黑點(diǎn)所示，重心處于三條支撐腿所圍成的三角形內(nèi)，機(jī)器人處于平衡狀態(tài)。當(dāng)腿 LF 著地，另一條腿抬起，可能會(huì)出現(xiàn)重心超出處于支撐狀態(tài)三條腿圍成的三角形，此時(shí)，通過腿部運(yùn)動(dòng)可以調(diào)節(jié)身體重心回到支撐腿圍成的三角形內(nèi)。由于三條腿支撐下，機(jī)體調(diào)整容易，故三腿支撐下的步態(tài)常常穩(wěn)定性高。 本章小結(jié) 本章 介紹了步態(tài)的基本概念， 分析了四足機(jī)器人的常用步態(tài)，并 根據(jù)本文要 求規(guī)劃了本課題四足機(jī)器人行走、轉(zhuǎn)彎步態(tài)。 最后對(duì) 步態(tài)的穩(wěn)定性進(jìn)行了理論分析 ，驗(yàn)證了步態(tài)規(guī)劃的可行性 。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 25 第三章 四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 引言 四足機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)對(duì)運(yùn)動(dòng)性能有較大影響。 本章 根據(jù) 四足機(jī)器人 運(yùn)動(dòng)要求對(duì)其 結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì) ，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 ，分析腿部在三維空間中的運(yùn)動(dòng)位置及姿態(tài)。最后根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果選擇零件材料、驅(qū)動(dòng)電機(jī) ，并對(duì)特殊零件進(jìn)行強(qiáng)度校核 。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 自由度分析 行走體腿部運(yùn)動(dòng)主要包括抬腿與邁步。 自然界中四足類哺乳動(dòng)物每條腿有 5個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)有 1 至 3 個(gè)自由度 ，冗余的自由度使其運(yùn)動(dòng)靈活、敏捷 [27]。 但從控制角度考慮，過多的自由度 運(yùn)動(dòng)控制 復(fù)雜。 理論 分析可知 ， 腿部運(yùn)動(dòng) 抬腿與邁步各 需要至少 一個(gè)運(yùn)動(dòng) 關(guān)節(jié) 。為了減小控制復(fù)雜程度，腿部采用兩個(gè)關(guān)節(jié)，分別用于抬腿與邁步。 由式 3 1，可計(jì)算得單腿運(yùn)動(dòng)自由度 2，式中： f 為自由度， n 為構(gòu)件數(shù)， 1p 、 2p 、3p 、 4p 、 5p 分別為一到五級(jí)副構(gòu)件個(gè)數(shù)，單腿兩個(gè)關(guān)節(jié)故 n 為 2， 每個(gè)關(guān)節(jié)一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副即五級(jí)副。 1 2 3 4 56 ( 2 3 4 5 )f n p p p p p? ? ? ? ? ? 3 1 圖 3. 1 單腿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 處于 擺動(dòng)相 的步行腿 相當(dāng)于連桿串聯(lián)的空間開鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，步行腿的自由度數(shù)等于關(guān)節(jié)數(shù)；處于支撐相時(shí)，機(jī)體為并聯(lián)機(jī)構(gòu)中央構(gòu)件，地面可看作機(jī)架 [27]。 對(duì)于 多分支空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)其自由度數(shù)可由下式計(jì)算： 416 ( 1) iiF m g f?? ? ? ? ? 3 2 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 26 式中： F 表示機(jī)器人總的自由度數(shù)； 32ma??， m 為總構(gòu)件數(shù)， a 為支撐相的腿數(shù) ；4ga? ， g 為運(yùn)動(dòng)副數(shù)； 41 ii f??為每條腿具有的自由度之和。 代值計(jì)算可得自由度為 6，故機(jī)器人運(yùn)動(dòng)可達(dá)到任意位置，故每條腿兩個(gè)關(guān)節(jié)可達(dá)到設(shè) 計(jì)要求。 機(jī)械本體總體方案設(shè)計(jì) 由自由度分析得出，四足機(jī)器人單腿由兩個(gè)關(guān)節(jié)構(gòu)成，每一個(gè)關(guān)節(jié)由一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副驅(qū)動(dòng)，由此可得出兩種機(jī)構(gòu) 簡(jiǎn)化 模型方案，如下 圖 3. 2 關(guān)節(jié)單鉸鏈模型 與 圖 3. 3 復(fù)合鉸鏈結(jié)構(gòu)模型 所示 ： 圖 3. 2 關(guān)節(jié)單鉸鏈模型 圖 3. 3 復(fù)合鉸鏈結(jié)構(gòu)模型 關(guān)節(jié)單鉸鏈模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，每個(gè)關(guān)節(jié) 一個(gè)驅(qū)動(dòng)；復(fù)合