【正文】 。 在此，請(qǐng)?jiān)试S我再次向曾給予我多次 幫助 的 高龍琴 老師 、李 鷺 揚(yáng)老師 表示最忠的敬意。一年半以來(lái)，導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的專業(yè)知識(shí)、靈活開(kāi)放的思路寶貴的經(jīng)驗(yàn)以及忘我的工作精神對(duì)我產(chǎn)生了深刻的影響，這些影響將使我在以后的 學(xué)習(xí) 中受益匪淺 。 通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，不但使我將大學(xué) 期間所學(xué)知識(shí)再次回顧學(xué)習(xí)，而且也使我學(xué)到了更多在課本上學(xué)不到的知識(shí)， 周建華老師言 傳身教使我受益匪淺，終生難忘。在大學(xué)里 ，畢業(yè)論文是宣告這一事實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)。 六足行走運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 29 參考文獻(xiàn) 【 1】 雷靜桃，高峰，崔瑩 .多足步行機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及展望 [J].機(jī)械設(shè)計(jì)， 2021（ 9） :1~3 【 2】 蔡自興 .機(jī)器人學(xué) [M].北京 :清華大學(xué)出版社， 2021 【 3】 黃俊軍，葛世榮，曹為 .多足步行機(jī)器人研究狀況及展望 [D]. 江蘇徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)可靠性與救災(zāi)機(jī)器人研究所 , 221008. 【 4】 陳學(xué)東等 .多足步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制 [M].湖北 :華中科技大學(xué)出版社， 2021 【 5】 克拉克 (3)步行機(jī)機(jī)動(dòng)性、靈活性方面，目前的步行機(jī)器人還遠(yuǎn)未達(dá)到像動(dòng)物那樣的步行機(jī)動(dòng)性和靈活性 ,存在步行速度低 ,效率差等問(wèn)題。結(jié)合課題研究中的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為以下幾個(gè)方面需進(jìn)一步研究： (1)動(dòng)力學(xué)分析理論方面，雖然已提出了許多高效的動(dòng)力學(xué)算法，但對(duì)系統(tǒng)包含閉環(huán)、需考慮連接桿件柔性的情況下所需計(jì)算量很大的情況下，仍達(dá)到實(shí)時(shí)控制的要求。 展望 步行機(jī) 器人是一個(gè)新興的多學(xué)科交叉領(lǐng)域，對(duì)步行機(jī)器人的科學(xué)研究和應(yīng)用開(kāi)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(jìn)，同時(shí)，許多新的理論和技術(shù)開(kāi)始向步行機(jī)器人領(lǐng)域滲透，大大擴(kuò)展了步行機(jī)器人領(lǐng)域的研究空間。它可以較易地跨過(guò)比較大的障礙（如溝、坎等） ，并且機(jī)器人足所具有的大量的自由度可以使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加靈活，對(duì)凹凸不平的地形的適應(yīng)能力更強(qiáng)；足式機(jī)器人的立足點(diǎn)是離散的，跟地面的接觸面積較小，因而可以在可達(dá)到的地面上選擇最優(yōu)支撐點(diǎn)，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過(guò)嚴(yán)格選擇足的支撐點(diǎn)，也能夠行走自如。 3— 8 軀體 圖 用于連接腿部機(jī)構(gòu)，并安裝單片機(jī)以實(shí)現(xiàn)六足行走機(jī)器人的智能化。 3— 6 舵機(jī)三維圖 由 單片機(jī)控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)，然后再由舵機(jī)控制每個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)軌跡。 機(jī)器人腿部完整的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 2– 9 所示。 3— 5 單足組裝圖 第一個(gè)自由度，由舵機(jī)直接帶動(dòng)轉(zhuǎn)節(jié)前后擺動(dòng)，從而使整條 腿前后擺動(dòng)。 3— 3 股節(jié)裝配體 圖 由舵機(jī)通過(guò)一個(gè)四桿 機(jī)構(gòu) A2B2C2D2，帶動(dòng)股節(jié) D2G 上下擺動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)抬腿運(yùn)動(dòng)。采用連桿機(jī)構(gòu)的好處是可以實(shí)現(xiàn)不同軌跡的行走，并在一定程度是增強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)的可靠性和穩(wěn)定性。因此共使用 18 個(gè)舵機(jī)控制整個(gè)六足行走機(jī)器人的全部運(yùn)動(dòng)。 六足行走運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22 總圖 3— 1 總體結(jié)構(gòu) 圖 采用每條腿部 3 個(gè)舵機(jī)分別控制抬腿動(dòng)作、左右移動(dòng)動(dòng)作、跨腿動(dòng)作 。 SolidWorks 能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)過(guò)程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。 Solidworks 軟件功能強(qiáng)大，組件繁多。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可應(yīng)用特征、尺寸及約束功能，準(zhǔn)確制作設(shè)計(jì)模型，并繪制出詳細(xì)的工程圖 。 Solidworks 是一套基于特征的參數(shù)化機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)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(shí)體造型軟件 SolldworkS，Pro/e， UG， Ideas，它們都帶有功能相當(dāng)完善的實(shí)體建模模塊，可以快速準(zhǔn)確的完成復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)體建模。 六足行走運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21 第三章 三維模型的建立 六足機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)的建立 為了快速準(zhǔn)確地建立六足機(jī)器人的模型，并方便日后的修改和計(jì)算，運(yùn)用三維實(shí)體造型軟件 solidworks 軟件，建立機(jī)器人各個(gè)部件的三維實(shí)體模型，并根據(jù)系統(tǒng)中各個(gè)部件的相對(duì)位置關(guān)系，組裝成裝配體。進(jìn)而根據(jù)平面四桿機(jī)構(gòu)的計(jì)算可以得出各舵機(jī)的轉(zhuǎn)角值。 考慮到機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制， 取值范圍為 ， 取值范圍為， 取值范圍為 。 當(dāng)足端的位置已知，并且 軀干的位置與姿態(tài)都確定時(shí)，足端點(diǎn)在軀干坐標(biāo)系中的位置是已知量，假設(shè)其三個(gè)坐標(biāo)分別為 、 、 ，根據(jù)齊次坐標(biāo)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(jī)器人腿部 DH 坐標(biāo)系 足端坐標(biāo)系 在軀干坐標(biāo)系 中的齊次坐標(biāo)變換 就表示了足端在軀干坐標(biāo)系中的位置與姿態(tài)。 舵機(jī) 的選擇 按照所需扭力來(lái)選擇相應(yīng)舵機(jī)，選擇 FUTUBA 系列的舵機(jī) 。一般的伺服馬達(dá)是將細(xì)銅線纏繞在三極轉(zhuǎn)子上，當(dāng)電流流經(jīng)線圈時(shí)便會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，與轉(zhuǎn)子外圍的 磁鐵產(chǎn)生排斥作用，進(jìn)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)的作用力。其工作原理是由接收機(jī)發(fā)出訊號(hào)給舵機(jī)，經(jīng)由電路板上的 IC 判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向，再驅(qū)動(dòng)無(wú)核心馬達(dá)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，透過(guò)減速齒輪將動(dòng)力傳至擺臂，同時(shí)由位置檢測(cè)器送回訊號(hào)，判斷是否已經(jīng)到達(dá)定位。如果確定了此開(kāi)式桿機(jī)構(gòu)的各關(guān)節(jié)角度，虛線部分機(jī)構(gòu)的各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角就 可以通過(guò)求解四桿機(jī)構(gòu)得到，從而舵機(jī)的轉(zhuǎn)角就確定了。三個(gè)自由度的原動(dòng)件分別為軸 OO桿 A2B2和桿 A1B1，它們都是由舵機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 2– 8 b)所示。 第二個(gè)自由度，由舵機(jī)通過(guò)一個(gè)四桿機(jī)構(gòu) A2B2C2D2，帶動(dòng)股節(jié) D2G 上下擺動(dòng)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖 2– 7 a)所示，對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 2– 7 b)所示。為增加支撐的穩(wěn)定性，六個(gè)足端呈橢圓形分布。機(jī)器人每條腿有三個(gè)自由度，前兩個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線相互垂直，后兩個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線相互平行，分別由三個(gè)獨(dú)立的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)。值得注意的是這樣實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)向方式 ,是在原地實(shí)現(xiàn)的 ,即當(dāng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向時(shí)機(jī)器人本身 ,不會(huì)出現(xiàn)平移。 圖 2— 5 機(jī)器人步態(tài)示意圖 在機(jī)器人希望轉(zhuǎn)彎時(shí)其 6 支腳的運(yùn)動(dòng)順序與直行時(shí)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(yùn)動(dòng)方向完全逆向。在機(jī)器人機(jī)體移動(dòng)到位時(shí) ,擺動(dòng)腿 6 立即放下 ,呈支撐態(tài)。直線行走時(shí)的步態(tài)如圖 2— 5 所示。因此在同一時(shí)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(dòng)蟲(chóng)體前進(jìn) ,中足用以支撐并舉起所屬一邊的身體 ,后足則推動(dòng)機(jī)體前進(jìn) ,同時(shí)使機(jī)體轉(zhuǎn)向。然而，對(duì)于理想的平整地面而言，各腿的運(yùn)動(dòng)周期應(yīng)該是一致的，故而此時(shí)的交替步態(tài)實(shí)質(zhì)上等同于三角步態(tài)，這己在實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)。這樣，一旦整個(gè)六足系統(tǒng)進(jìn)入行走狀態(tài)，這種順次的步態(tài)運(yùn)行狀態(tài)就可以一直維持下去。當(dāng)某腿的相鄰各腿均已 觸 地時(shí)，該腿開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，并給其相鄰各腿發(fā)出信號(hào)。這種單腿交替行走步態(tài)，也被稱為五角步態(tài)。跟導(dǎo)步態(tài)每次只需要選擇前兩足的立足點(diǎn)，因而具有控制簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性較好，越溝能力強(qiáng)等特點(diǎn)，所以特別適合多足步行機(jī)在不平地面行走時(shí)采用。然而隨著 1974 年 Sun 首先提出了跟導(dǎo)步態(tài)的概念，并于 1983 年由 Tsai 成功地把這種步態(tài)應(yīng)用于俄亥俄州立大學(xué)的電動(dòng)六足機(jī)器人中，這些為跟導(dǎo)步態(tài)的研究和發(fā)展，為提高機(jī)器人在不平地面上的行走速度奠定了基礎(chǔ)。本論文也采用這種步 態(tài)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直線行走，該步態(tài)的具體方式將會(huì)在后文中具體給出。大部分六足機(jī)器人都是從仿生學(xué)的角度出發(fā)使用這一步態(tài)。下面介紹的是目前應(yīng)用較廣的幾種多足機(jī)構(gòu)行走方式。 圖 2— 4 關(guān)節(jié)式腿結(jié)構(gòu)機(jī)器人 多足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃 通俗地說(shuō)， 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(dòng)誤差大而且不易控制。 圖 2— 2 艾萬(wàn)斯機(jī)構(gòu)形式簡(jiǎn)圖 圖 2— 3 縮放式機(jī)構(gòu)示意圖 六足行走運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12 關(guān)節(jié)式 由于多關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)具有活動(dòng)范圍大，靈活性好的優(yōu)點(diǎn)，所以為近幾年步行機(jī)器人采用。縮放式步行機(jī)構(gòu)的剛性較大，傳動(dòng)誤差較小，腿部末端在機(jī)體下部的運(yùn)動(dòng)空間較大，在機(jī)體上部的運(yùn)動(dòng)空間較小，機(jī)構(gòu)存在死點(diǎn)。這就是該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)解 藕 性。當(dāng) A 點(diǎn)固定時(shí)， E 點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)將以 K=KI+1 的比例傳到 F 點(diǎn)。以中南大學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)的一款液壓控制的采用縮放式腿機(jī)構(gòu)的六足機(jī)器人 為例，其原理如圖 2— 3?？s 放機(jī)構(gòu)由于在其運(yùn)動(dòng)主平面具有運(yùn)動(dòng)解藕性，易于控制，當(dāng)縮放比大 時(shí) ， 能以較小本體實(shí)現(xiàn)較大的空間運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于多足步行機(jī)器人的腿部機(jī)構(gòu)。 本論文將詳細(xì)的就連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)六足行走機(jī)器人展開(kāi)討論 。以四桿機(jī)構(gòu)為腿部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則和目的都是為了盡可 能保證足端運(yùn)動(dòng)軌跡的平整性，達(dá)到使