【正文】 16 cccc xz zyxya r ct g ? ????? 2222? (25) 22222212 l yxllz cc ???? 將 β用 C 點的位置坐標(biāo)表示后，可得 D 點的位置坐標(biāo) )c o s (3 ?? ??? lxx bd (26) )co s (3 ?? ??? lyy bd (27) 上式 (26)， (27)中的 3l 和 ? 是決定 D 點相對于動桿 BC 位置的參數(shù)，當(dāng) 3l和 ? 取同一系列不同數(shù)值時，可以繪制出 D 的圖譜如下圖 210 所示。 15 暫取 AB， BC，并分別為 9cm、 17cm，取足端的相對運動軌跡為對稱于圖 1 的 y 軸，并且當(dāng) C 點到 C1 和 C2 兩 個 點 的 時 候 ，大小腿近似于拉直 狀態(tài) 。 以二桿組作為腿機構(gòu)，如圖 29 所示， A 為跨關(guān)節(jié)， B 為膝關(guān)節(jié)， C 作為足端。 在 設(shè)計中，將采用斯蒂芬（ Stephonson）型六桿機構(gòu)作為步行機構(gòu)，步行器的大小腿以二桿組 構(gòu)成 ，并 讓它的 足端相對運動軌跡 能夠滿足要求 ，二桿組的構(gòu)件盡量 跟 大小腿的結(jié)構(gòu) 類似 ，驅(qū)動機構(gòu) 用 四桿機構(gòu) 組成 。 二個自由度的機構(gòu)可以由五桿、七桿、九桿等組成， 他們 運動鏈 的 基本形式有多種。六桿機構(gòu)具有兩個閉環(huán)，其運動鏈 14 的基本形式有兩種 。 行走機構(gòu)腿按照自由度劃分為 一個自由度的結(jié)構(gòu)可以由四桿、六桿、八桿等組成。 腿機構(gòu)運動要求的必要條件是： （ 1）機構(gòu)所含運動副是轉(zhuǎn)動副或移動副； （ 2）機構(gòu)的自由度不能大于 2； （ 3）機構(gòu)的桿件數(shù)目不宜太多； （ 4）須有連桿曲線為直線的點； （ 5）足機構(gòu)上的點，相對于機身高度是可變的； （ 6）機構(gòu)需有腿的基本形狀。 13 開鏈機構(gòu) 具有 工作空間大，結(jié)構(gòu)簡單 等優(yōu)點 ，但 因為其 承載能力 小，剛度和精度 都比較 差，為了 完善這些 缺陷， 從而產(chǎn)生了 閉鏈機構(gòu)。 腿的機構(gòu)分析 相對而言步行機器人的腿機構(gòu)是步行機器人一個很重要的組成部分，在設(shè)計步行機器人的腿過程中，要求它能夠?qū)崿F(xiàn)承載和運動的功能，同時也要滿足結(jié)構(gòu)相對簡單、控制方便的要求。 根據(jù)上 述，提出四足行走機構(gòu)中腿機構(gòu)的要求： 腿的足端部相對于機體的運動軌跡形狀應(yīng)如 “ ”。行走機構(gòu)腿部的主要任務(wù) 是 支撐 本 體 和 使本體 能夠?qū)崿F(xiàn) 移動， 此外 還必須具有腳部 的 抬起 和 擺動的動作，如果 把本體 作為參照物 ， 那么就可以得到 足端 的運動 軌跡 如下 圖 28（ a）所示 。 圖 27 埃萬斯四連桿機構(gòu) 腿的設(shè)計 從運動 的 角度 來看 ，足端相對 于 機 身應(yīng) 該為 直線軌跡，為了 實現(xiàn) 在 崎嶇不平 的 地面 上 行走，腿的伸長 必須 是可 以改 變的。 這種步行機構(gòu)能產(chǎn)生近似直線的運動，而且都具有設(shè)計比較簡單、方便的特點。就是因為這種限制要求，導(dǎo)致了大小腿的運動受到比較大的限制，組成了平面運動機構(gòu)。 10 圖 25 平面四桿步行機構(gòu) 圖 26 平面四桿步行機構(gòu)坐標(biāo)系模型 我們建立如圖 26 所示的坐標(biāo)系模型。如圖 25 所示為一種比 較常見的閉環(huán)平面四桿步行機構(gòu)，它的協(xié)調(diào)控制非常簡單。 又有 ? 角的求解公式為 ： 23 )90s in(s in LLv ?? ??? ? 令小腿桿在二極限位置 max? 、 nmax? 對應(yīng)的 ? 值為 1? 、 2? ，所以可求得： ?????????????)90c o s (c o s)90c o s (c o sm a x3221m i nm a x3121m a x nLLLu LLLu ?? ?? ?? 由上式可知，對于不同的高度值，足端的運動軌跡類似橢圓曲線，當(dāng)髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動時，將形成三維的運動空間，如下圖 24 所示。從上面的原因中能看出，小腿和地面法線的夾角要在一定的范圍之內(nèi)才能夠?qū)崿F(xiàn)。 圖 21 開環(huán)連桿步行機構(gòu) 圖 22 開環(huán)連桿機構(gòu)坐標(biāo)系模型 如圖 22 所示，我們可以設(shè)髖關(guān)節(jié)、大腿關(guān)節(jié)、小腿桿的驅(qū)動轉(zhuǎn)角分別為 ? 、 ? 、 ? ，根據(jù)上圖可以建立足端 C 點的運動軌跡方程如下 ： ????????vzuyuxccc??sincos 其中： 8 )c o s (c o s 321 ??? ???? LLLu )s in (s in 32 ??? ??? LLv ??? ??? ?90 通過上式和圖形可以得到，小腿桿能夠在轉(zhuǎn)過大臂上部空間內(nèi)運動（就像人的小臂運動一樣），因此在運動的時候，由于臂的末端 C 點能運動到比較大的區(qū)域，在髖關(guān)節(jié)進行轉(zhuǎn)動時候，機構(gòu)的運動空間可以實現(xiàn)三維橢圓狀。 能夠建立如圖 22 所示的平面坐標(biāo)系，髖關(guān)節(jié)為第一關(guān)節(jié)，它在 1O 點環(huán)繞 Z 軸轉(zhuǎn)動，設(shè) 7 它的旋轉(zhuǎn)半徑為 1L ；大腿關(guān)節(jié)為第二個驅(qū)動關(guān)節(jié)，在 A 點環(huán)繞著和大、小腿的運動平面所垂直的軸進行轉(zhuǎn)動，大腿的桿長為 2L ；小腿關(guān)節(jié)為第三個驅(qū)動關(guān)節(jié)，在 B 點環(huán)繞著和大、小腿的運動平面垂直的軸轉(zhuǎn)動，小腿桿的長度為3L 。這種機構(gòu)是由大、小腿以及髖關(guān)節(jié)等部分構(gòu)成的。缺點想要實現(xiàn)運動時的協(xié)調(diào)控制比較困難，并且它的承載能力比較小。這種機構(gòu)大部分是由關(guān)節(jié)式連桿機構(gòu)來實現(xiàn)。 現(xiàn)在，世界各地的一些專家和學(xué)者對步行機器人的步行機構(gòu)已經(jīng)進行了大量的研究，其結(jié)構(gòu)有多種形式，主要結(jié)構(gòu)可以劃分成三種機構(gòu)： 閉環(huán)平面四桿縮放式機構(gòu)； 開環(huán)連桿機構(gòu) ；特殊的步行機構(gòu)。因此從某種意義上說，行走機構(gòu)的分析主要集中在步行機構(gòu)的分析上。 所以本文嘗試著從另外一個方向來解決步行機器人的行走運動控制問題。 從以上的分析中能夠看出，對于多關(guān)節(jié)步行機器人的運動控制，傳統(tǒng)的運動控制方案大多數(shù)都不夠完善?；谛袨榈目刂撇呗栽谔幚矶嘧杂啥炔叫袡C器人這類復(fù)雜系統(tǒng)時，行為規(guī)則的設(shè)計十分困難。由于國內(nèi)四足步行機器的研究起步比較晚，在上個世紀(jì) 90 年代以后才逐步有了成果，導(dǎo)致現(xiàn)在的研究水平距離世界先進水平還有一定的差距。該機器人的不足之處是腿運動時的協(xié)調(diào)控制比較復(fù)雜，并且承載能力較小。 4 (a) (b) 圖 13 上海交通大學(xué)的二種四足步行機器人 清華大學(xué)所研制的兩款四足步行機器人，如圖 14 所示。 圖 12 BigDog 機器人 國內(nèi)具有代表性的采用四足機構(gòu)的機器人主要包括 : 如下圖 13 所示為上海交通大學(xué)所研制比較有代表性的兩款四足步行機器人，圖 (a)所示的一款四足步行機器人步行機構(gòu)采用的是平面四桿機構(gòu)，該機器人在跨越障礙，溝槽，上下臺階以及通過凹凸不平的地面都具有良好的表現(xiàn)；圖 (b)所示的一款四足步行機器人 JTUWMH 也是由上海交通大學(xué)研制的關(guān)節(jié)式步行機器人。但由于汽油發(fā)電機需攜帶油箱，故工作時受環(huán)境影響大，可靠性差。同時，腿部連有很多傳感器，其運 3 動通過伺服電機來控制。 如圖 12 所示為美國 Boston Dynamics 實驗室研制的叫做 BigDog 的機器人，是目前最具 代表性的四足步行機器人，它能在各種惡劣的地形上進行行走，最大負(fù)載達(dá)到 52kg ，爬升斜坡可達(dá) 35176。系統(tǒng)控制是由基于 CPG 的控制器通過反射機制來完成的。 圖 11 TekkenIV 機器人 20202020 年，日本電氣通信大學(xué)的木村浩等人研制成功了具有寵物狗外形的機器人 TekkenIV， 如圖 11 所示。 1981～ 1984 年Hirose 教授成功研制在腳部安裝傳感和信號處理系統(tǒng)的 TITANIII 機器 2 人。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和機器人控制技術(shù)方面的應(yīng)用研究 ， 20 世紀(jì) 80 年代之后，現(xiàn)代四足步行機器 人的研發(fā)工作進入了廣泛的發(fā)展階段。此外，隨著目前不斷加深的社會老齡化程度的問題，對于老年人的護理、康復(fù)醫(yī)學(xué)以及在普通家庭的家政服務(wù)等方面步行機器人也可以取得較好的應(yīng)用。步行能夠比較有效的適應(yīng)環(huán)境的變化，相對于履帶式、輪式和蠕動式這些運動方式來說，明顯更有發(fā)展的前景。其中，行走機構(gòu)比較普遍，比如哈爾濱工業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的可以用來進行足球比賽的幾個四足機器人，在較小的場地里用機器人踢球看起來非常有趣。 fourlegged walking robot 目 錄 摘 要 ............................................................................................................................ I Abstract ............................................................................................................................II 1 緒論 ............................................................................................................................... 1 步行機器人的概述 .......................................................................................... 1 步行機器人研發(fā)現(xiàn)狀 ......................................