【正文】 。 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。一年半以來，導師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、淵博的專業(yè)知識、靈活開放的思路寶貴的經(jīng)驗以及忘我的工作精神對我產(chǎn)生了深刻的影響，這些影響將使我在以后的 學習 中受益匪淺 。 通過這次畢業(yè)設計，不但使我將大學 期間所學知識再次回顧學習，而且也使我學到了更多在課本上學不到的知識， 周建華老師言 傳身教使我受益匪淺，終生難忘。在大學里 ，畢業(yè)論文是宣告這一事實的標準。 六足行走運動平臺結(jié)構(gòu)設計 29 參考文獻 【 1】 雷靜桃，高峰，崔瑩 .多足步行機器人的研究現(xiàn)狀及展望 [J].機械設計， 2021（ 9） :1~3 【 2】 蔡自興 .機器人學 [M].北京 :清華大學出版社， 2021 【 3】 黃俊軍，葛世榮，曹為 .多足步行機器人研究狀況及展望 [D]. 江蘇徐州：中國礦業(yè)大學可靠性與救災機器人研究所 , 221008. 【 4】 陳學東等 .多足步行機器人運動規(guī)劃與控制 [M].湖北 :華中科技大學出版社， 2021 【 5】 克拉克 (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。結(jié)合課題研究中的經(jīng)驗，認為以下幾個方面需進一步研究： (1)動力學分析理論方面，雖然已提出了許多高效的動力學算法，但對系統(tǒng)包含閉環(huán)、需考慮連接桿件柔性的情況下所需計算量很大的情況下，仍達到實時控制的要求。 展望 步行機 器人是一個新興的多學科交叉領(lǐng)域，對步行機器人的科學研究和應用開發(fā)在世界上方興未艾，許多關(guān)鍵技術(shù)還有待解決和改進，同時，許多新的理論和技術(shù)開始向步行機器人領(lǐng)域滲透，大大擴展了步行機器人領(lǐng)域的研究空間。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。 3— 8 軀體 圖 用于連接腿部機構(gòu)，并安裝單片機以實現(xiàn)六足行走機器人的智能化。 3— 6 舵機三維圖 由 單片機控制舵機旋轉(zhuǎn)，然后再由舵機控制每個自由度的運動軌跡。 機器人腿部完整的機構(gòu)簡圖如圖 2– 9 所示。 3— 5 單足組裝圖 第一個自由度，由舵機直接帶動轉(zhuǎn)節(jié)前后擺動，從而使整條 腿前后擺動。 3— 3 股節(jié)裝配體 圖 由舵機通過一個四桿 機構(gòu) A2B2C2D2，帶動股節(jié) D2G 上下擺動， 實現(xiàn)抬腿運動。采用連桿機構(gòu)的好處是可以實現(xiàn)不同軌跡的行走，并在一定程度是增強的運動的可靠性和穩(wěn)定性。因此共使用 18 個舵機控制整個六足行走機器人的全部運動。 六足行走運動平臺結(jié)構(gòu)設計 22 總圖 3— 1 總體結(jié)構(gòu) 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 。 SolidWorks 能夠提供不同的設計方案、減少設計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。 Solidworks 軟件功能強大，組件繁多。在設計過程中，可應用特征、尺寸及約束功能，準確制作設計模型，并繪制出詳細的工程圖 。 Solidworks 是一套基于特征的參數(shù)化機械設計自動化軟件，它采用了大家所熟悉的 Microsoft Windows 圖形用戶界面。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(tǒng)的實體建模。 六足行走運動平臺結(jié)構(gòu)設計 21 第三章 三維模型的建立 六足機器人的本體結(jié)構(gòu)的建立 為了快速準確地建立六足機器人的模型，并方便日后的修改和計算，運用三維實體造型軟件 solidworks 軟件，建立機器人各個部件的三維實體模型，并根據(jù)系統(tǒng)中各個部件的相對位置關(guān)系，組裝成裝配體。進而根據(jù)平面四桿機構(gòu)的計算可以得出各舵機的轉(zhuǎn)角值。 考慮到機器人機械結(jié)構(gòu)的限制， 取值范圍為 ， 取值范圍為， 取值范圍為 。 當足端的位置已知，并且 軀干的位置與姿態(tài)都確定時，足端點在軀干坐標系中的位置是已知量，假設其三個坐標分別為 、 、 ，根據(jù)齊次坐標變換矩陣 的幾何意義可以得到 以下 方程組： 方程組中， 分別表示 的正、余弦函數(shù)。 圖 2— 11 機器人腿部 DH 坐標系 足端坐標系 在軀干坐標系 中的齊次坐標變換 就表示了足端在軀干坐標系中的位置與姿態(tài)。 舵機 的選擇 按照所需扭力來選擇相應舵機，選擇 FUTUBA 系列的舵機 。一般的伺服馬達是將細銅線纏繞在三極轉(zhuǎn)子上，當電流流經(jīng)線圈時便會產(chǎn)生磁場，與轉(zhuǎn)子外圍的 磁鐵產(chǎn)生排斥作用，進而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動的作用力。其工作原理是由接收機發(fā)出訊號給舵機，經(jīng)由電路板上的 IC 判斷轉(zhuǎn)動方向，再驅(qū)動無核心馬達開始轉(zhuǎn)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(jīng)到達定位。如果確定了此開式桿機構(gòu)的各關(guān)節(jié)角度，虛線部分機構(gòu)的各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角就 可以通過求解四桿機構(gòu)得到，從而舵機的轉(zhuǎn)角就確定了。三個自由度的原動件分別為軸 OO桿 A2B2和桿 A1B1，它們都是由舵機直接驅(qū)動。對應的機構(gòu)簡圖如圖 2– 8 b)所示。 第二個自由度，由舵機通過一個四桿機構(gòu) A2B2C2D2，帶動股節(jié) D2G 上下擺動，其機械結(jié)構(gòu)如圖 2– 7 a)所示，對應的機構(gòu)簡圖如圖 2– 7 b)所示。為增加支撐的穩(wěn)定性，六個足端呈橢圓形分布。機器人每條腿有三個自由度，前兩個自由度的轉(zhuǎn)動軸線相互垂直，后兩個自由度的轉(zhuǎn)動軸線相互平行，分別由三個獨立的舵機驅(qū)動。值得注意的是這樣實現(xiàn)的轉(zhuǎn)向方式 ,是在原地實現(xiàn)的 ,即當實現(xiàn)轉(zhuǎn)向時機器人本身 ,不會出現(xiàn)平移。 圖 2— 5 機器人步態(tài)示意圖 在機器人希望轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向的那一側(cè)的 3 支腳運動方向完全逆向。在機器人機體移動到位時 ,擺動腿 6 立即放下 ,呈支撐態(tài)。直線行走時的步態(tài)如圖 2— 5 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(zhuǎn)向。然而，對于理想的平整地面而言，各腿的運動周期應該是一致的，故而此時的交替步態(tài)實質(zhì)上等同于三角步態(tài)，這己在實驗中得到證實。這樣，一旦整個六足系統(tǒng)進入行走狀態(tài)，這種順次的步態(tài)運行狀態(tài)就可以一直維持下去。當某腿的相鄰各腿均已 觸 地時，該腿開始運動，并給其相鄰各腿發(fā)出信號。這種單腿交替行走步態(tài)，也被稱為五角步態(tài)。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。然而隨著 1974 年 Sun 首先提出了跟導步態(tài)的概念，并于 1983 年由 Tsai 成功地把這種步態(tài)應用于俄亥俄州立大學的電動六足機器人中，這些為跟導步態(tài)的研究和發(fā)展，為提高機器人在不平地面上的行走速度奠定了基礎。本論文也采用這種步 態(tài)實現(xiàn)機器人的直線行走，該步態(tài)的具體方式將會在后文中具體給出。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)。下面介紹的是目前應用較廣的幾種多足機構(gòu)行走方式。 圖 2— 4 關(guān)節(jié)式腿結(jié)構(gòu)機器人 多足步行機器人的運動規(guī)劃 通俗地說， 步態(tài)是行走系統(tǒng)抬腿和放腿的順序。但是剛性較差，傳動誤差大而且不易控制。 圖 2— 2 艾萬斯機構(gòu)形式簡圖 圖 2— 3 縮放式機構(gòu)示意圖 六足行走運動平臺結(jié)構(gòu)設計 12 關(guān)節(jié)式 由于多關(guān)節(jié)機構(gòu)具有活動范圍大，靈活性好的優(yōu)點，所以為近幾年步行機器人采用。縮放式步行機構(gòu)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(gòu)存在死點。這就是該機構(gòu)的運動解 藕 性。當 A 點固定時， E 點的運動將以 K=KI+1 的比例傳到 F 點。以中南大學設計過的一款液壓控制的采用縮放式腿機構(gòu)的六足機器人 為例，其原理如圖 2— 3?？s 放機構(gòu)由于在其運動主平面具有運動解藕性，易于控制，當縮放比大 時 ， 能以較小本體實現(xiàn)較大的空間運動等優(yōu)點，被廣泛應用于多足步行機器人的腿部機構(gòu)。 本論文將詳細的就連桿機構(gòu)設計六足行走機器人展開討論 。以四桿機構(gòu)為腿部機構(gòu)的設計原則和目的都是為了盡可 能保證足端運動軌跡的平整性，達到使