【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，導師嚴謹的治學態(tài)度、淵博的專業(yè)知識、靈活開放的思路寶貴的經驗以及忘我的工作精神對我產生了深刻的影響，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構設計 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。結合課題研究中的經驗，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，許多關鍵技術還有待解決和改進，同時，許多新的理論和技術開始向步行機器人領域滲透，大大擴展了步行機器人領域的研究空間。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，并安裝單片機以實現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，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 A2B2C2D2，帶動股節(jié) D2G 上下擺動， 實現抬腿運動。采用連桿機構的好處是可以實現不同軌跡的行走，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構設計 22 總圖 3— 1 總體結構 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品質量。 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的實體建模。 六足行走運動平臺結構設計 21 第三章 三維模型的建立 六足機器人的本體結構的建立 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，并根據系統中各個部件的相對位置關系，組裝成裝配體。進而根據平面四桿機構的計算可以得出各舵機的轉角值。 考慮到機器人機械結構的限制， 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。 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子上，當電流流經線圈時便會產生磁場，與轉子外圍的 磁鐵產生排斥作用，進而產生轉動的作用力。其工作原理是由接收機發(fā)出訊號給舵機，經由電路板上的 IC 判斷轉動方向，再驅動無核心馬達開始轉動，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，判斷是否已經到達定位。如果確定了此開式桿機構的各關節(jié)角度，虛線部分機構的各關節(jié)轉角就 可以通過求解四桿機構得到，從而舵機的轉角就確定了。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動。對應的機構簡圖如圖 2– 8 b)所示。 第二個自由度，由舵機通過一個四桿機構 A2B2C2D2，帶動股節(jié) D2G 上下擺動，其機械結構如圖 2– 7 a)所示，對應的機構簡圖如圖 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，前兩個自由度的轉動軸線相互垂直，后兩個自由度的轉動軸線相互平行，分別由三個獨立的舵機驅動。值得注意的是這樣實現的轉向方式 ,是在原地實現的 ,即當實現轉向時機器人本身 ,不會出現平移。 圖 2— 5 機器人步態(tài)示意圖 在機器人希望轉彎時其 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向的那一側的 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行走方式。 圖 2— 4 關節(jié)式腿結構機器人 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 艾萬斯機構形式簡圖 圖 2— 3 縮放式機構示意圖 六足行走運動平臺結構設計 12 關節(jié)式 由于多關節(jié)機構具有活動范圍大，靈活性好的優(yōu)點，所以為近幾年步行機器人采用?？s放式步行機構的剛性較大，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，機構存在死點。這就是該機構的運動解 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的六足機器人 為例，其原理如圖 2— 3?？s 放機構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。 本論文將詳細的就連桿機構設計六足行走機器人展開討論 。以四桿機構為腿部機構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