【正文】 這一切對我今后的工作和生活都有著不可忽視的作用。 畢業(yè)設(shè)計的過程，不僅對以前學(xué)過的知識是個很好的總結(jié)、應(yīng)用，而且還讓我學(xué)會了很多以前沒接觸過的新知識。楊老師淵博的知識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)作風(fēng)和一絲不茍的工作態(tài)度使我受益非淺。 該腿機構(gòu)采用了傳統(tǒng)的連桿機構(gòu)，齒形帶和蝸桿的相結(jié)合是本設(shè)計的一大亮點。 總結(jié) 通過對該四足步行機器人腿的理論分析，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。 行走機構(gòu)步態(tài)的選擇和設(shè)計，選擇了對角線小跑步態(tài)。 應(yīng)用向量分析法，列出足端軌跡的向量方程，并對該向量進(jìn)行求導(dǎo)，得出足端的運動形式。 基于 Solid Works 繪制的裝配圖，參看上圖所示。 帶傳動具有機構(gòu)簡單，傳動平穩(wěn)的優(yōu)點，同步帶還具有定傳動比傳動的特點，前后腿之間選用齒形帶傳動，根據(jù)計算本次設(shè)計選擇 450H075 型同步帶。故選擇 24V電瓶作為直流電源。 由于該機構(gòu)在行走的過程中不會產(chǎn)生太大的能量消耗，因此，電機容量可以按下面的方法進(jìn)行估計： 按機體總體質(zhì)量 20kg，能以 ，則功率為 ?30t a n 2???? vgmP ?30t a 2???? ? 33 參考《中國電機產(chǎn)品目錄》，選擇直流電機。 圖 32 驅(qū)動件圖 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。 考慮綜合因素，本行走機構(gòu)將選擇一臺電機。 兩臺電機驅(qū)動四條腿既每臺電機驅(qū)動兩 條腿，同樣可以節(jié)省能量，控制相對復(fù)雜，但傳動系統(tǒng)相對簡單。由于原動機裝再機體上，減輕了腿的重量。 機體外殼設(shè)計 本行走機構(gòu)的機體取 B 為 350mm，前后兩腿之間的距離 B 為 450mm，機體高 H 為 400mm，長 L 為 850mm。 為保持行走穩(wěn)定，可以采取配置調(diào)節(jié)重心。 行走機構(gòu)的機體一般選用長方體，為了滿足穩(wěn)定性的需求，重心應(yīng)該要大概保持在機體中心。 機器人腿足端的運動分析 由上面分析，可以知道端點的位置坐標(biāo)為： ? ?? ?jlllllilllllr c ? ??)c o s (c o s)c o s (c o sc o s)s i n (s i n)s i n (s i ns i n32332425173233242517 ??????? ??????? ?????? ???????? 1? 為主動桿的角度，其為勻速運動，故 t???1 （其中 ? 為常數(shù)）對上式兩邊進(jìn)行求導(dǎo)，可得： ? ?? ?illllwljllllwlr c ? ??)c o s (c o s)c o s (c o sc o s)s i n (s i n)s i n (s i ns i n3233332422521732333324225217 ??????????? ??????????? ?????????? ?????????????? (227) 分別對式 (212),(213),(214)兩邊求導(dǎo)，得到： 28 ?????????????????51871171171)c o s (c o ss inllwlwwlvwlu???? (228) 對式 (210),兩邊求導(dǎo)得到： 2121121212 c o ss in s inc o s ?? ??? vu wvu ? ?????? (229) 將式 (228)代入式 (229)，化簡可得： wvul llll )c o ss in( )c o s ()s in (2121518712752 ?? ????? ? ????? (230) 對式 (215)， (216)， (217)兩邊求導(dǎo)得到： ??????????????????????????23222221724252321725242322]c o s))c o s (c o s([2])s i n)s i n (([2lvvuuwwllllvwllllu?????????? (231) 根據(jù)式 (211)，兩邊求導(dǎo)得： 3232232323 c o ss in s inc o s ?? ??? vu wvu ? ??????? (232) 把式 (231)代入 (232)就可以求出 3?? 與 w 的數(shù)學(xué)關(guān)系式。 根據(jù)表 21 中給的數(shù)據(jù)，得到預(yù)想設(shè)計的軌跡圖為下圖 217 所示。 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。 65187282726251 2 )s i n(2a r c c os ll llllll ??? ?????? (223) 31223212 2 ll lll ???? (224) 此時 l 為 AD 的長度： 當(dāng) 1? 在 ?360~0 之內(nèi)變化時，通過編制程序，由式 (223)， ( 224)計算可以得到， 1? 的變化范圍在 ?? ~ 之間，可以知道 1? 傳動特性比較好；同時 2? 的變化范圍為 ?? ~ ， 2? 的最小值較小，因此傳動特性有待進(jìn)一步提高。 (5)擺動腿控制器 擺動腿應(yīng)采用足底軌跡進(jìn)行控制，以逆運動學(xué)理論規(guī)劃關(guān)節(jié)空間軌跡的傳統(tǒng)方法來實現(xiàn)，擺動腿控制器的輸入是擺動腿足底的期望位置，輸出是擺動腿關(guān)節(jié)的實際位置。支撐與擺動組合協(xié)調(diào)控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。 (3)支撐與擺動組合協(xié)調(diào)控制器 步行控制算法的簡單特性歸因于支撐腿控制器利用虛擬模型化解了關(guān)節(jié)控制的復(fù)雜性。將虛擬模型控制用于支撐腿的控制時，通常設(shè)置足底為本體，機體為末端。針對支撐腿控制采用傳統(tǒng)方法機體平滑性較差這一現(xiàn)象，提出以虛擬模型控制實現(xiàn)對支撐腿的控制，對擺動腿的控制仍然采用，以足底軌跡映射關(guān)節(jié)空間位置的傳統(tǒng)方法。對角小跑位于對角的兩腿動作完全相同，或與地接觸支撐機體，或擺動向前找尋新的支撐點。當(dāng)實際轉(zhuǎn)矩作用于關(guān)節(jié)時，機器人的行為就像真的有虛擬構(gòu)件作用于其上一樣。 20 利用虛擬構(gòu)件可將期望的機器人行為轉(zhuǎn)變?yōu)樽饔糜跈C器人上的一般虛擬力。如果期望機器人維持某一高度可以在機器人本體和地面之間連接一個虛擬彈簧構(gòu)件。 在虛擬模型控制中虛擬構(gòu)件用于描述機器人的期望行為。 廣義虛擬力的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩映射，通過推導(dǎo)末端到本體的運動學(xué)、計算本體到末端串行連桿的雅可比矩陣、雅可比矩陣將虛擬力映射為實際關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩，這三個步驟實現(xiàn)。期望運動確定了虛擬構(gòu)件的參數(shù)，并由虛擬構(gòu)件產(chǎn)生末端的虛擬力。 虛擬構(gòu)件是連接機器人末端和本體的假想結(jié)構(gòu)，它將描述末端行為的期望變量轉(zhuǎn)變?yōu)樽饔糜谀┒说膹V義虛擬力，虛擬構(gòu)件可以是虛擬彈簧、阻尼器甚至肌肉等任何假想的元件 。 (2)虛擬模型直覺控制解決方案 為使機器人系統(tǒng)控制簡單、直觀。 但在控制支撐腿關(guān)節(jié)運動時，由于支 19 撐腿與地非鉸鏈連接，且支撐腿需驅(qū)動機器人機體向前運動，不直接考慮關(guān)節(jié)空間驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的關(guān)節(jié)位置控制方法，對運動的平滑性帶來了不利的影響。 這是因為，該控 制方法在關(guān)節(jié)空間上采用直接位置控制驅(qū)動關(guān)節(jié)，而不是直接考慮關(guān)節(jié)空間的驅(qū)動力矩。描述關(guān)節(jié)運動的數(shù)學(xué)方程一般都使用三角函數(shù)，引起的非線性控制問題，常常難以理解和形象化。對照四桿機構(gòu)圖譜，只有 ?? 1010 ??? ? ，能在圖譜中找到，綜合考慮D 點軌跡與圖譜連桿曲線一致性以 及機構(gòu)具有好的構(gòu)形，確定 D 的位置尺寸為 cml ? ， ?9?? ，相應(yīng)四桿機構(gòu)為下圖 211。 表 21 坐標(biāo)值表 點位置 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 X 2 7 7 2 Y 33 33 33 33 點位置 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 X 2 6 7 7 3 2 Y 33 33 33 33 下面分析絞鏈點 D 的軌跡，按照圖 29 說所建立的坐標(biāo)，首先建立 D 的位置方程 ?co s2lxx cb ?? (21) ?co s2lyy cb ?? (22) 因為 AB 為大腿的長度，其為所取的定長，列方程 2122 lyx bb ?? (23) 把式 (21),(22)代入式 (23)，并簡化得 02 )(s i ns i nc os2222221 ???????l yxllyyx ccccc ??? (24) 式 (24)查詢數(shù)學(xué)手冊，可以解 ? 得：