【正文】 ……………………………………………………(4)?12hr(2) 步長控制函數當機體按圖 5 所示軌跡轉彎時，有：聊城大學本科畢業(yè)論文xxvi圖 314 機器人機體轉彎軌跡 ……………………………………………………(5)12aBR????????其中，B—左右兩腿足端距離（體寬） ；θ —軌跡對應的一節(jié)脊骨的偏角。若轉彎角不超過 45176。由公式（6）只能得到膝關節(jié)凸輪的理論輪廓曲線，實際輪廓曲線是以理論輪廓曲線上各點為圓心、以滾輪半徑為半徑的一族圓的內包絡線。所以，凸輪輪廓線方程為： 即得凸輪輪廓線上的點的直角坐標值聊城大學本科畢業(yè)論文xxiii 其中： 由于式(4)中有一個變量 θ1，支撐相中的 θ1 由公式（1）確定（） ，懸空相中的 θ1 表 31 確定（） 。以下將求出主凸輪的輪廓：由圖 39，根據平面幾何學的知識，可得凸輪從動件平底的直線方程為： ??21211()cos()sin()tan()??????????o oyrxr???????它是以 為參數的直線族，而凸輪輪廓線是以該直線族的包絡線。通過上面的理論分析，在 PRO/E 中建立模型并畫出髖關節(jié)凸輪的三維實體模型（通過實時渲染后的三維截圖） ，如圖 37 所示：]10[圖 37 髖關節(jié)凸輪的三維實體圖 注：具體的凸輪繪制方法見附錄。 的控制——髖關節(jié)凸輪?髖關節(jié)凸輪控制 的機理如 36，1圖 36 髖關節(jié)結構原理圖根據平面幾何的知識，凸輪的從動件的運動規(guī)律為 11tan()sE????所以，凸輪輪廓線上的點的直角坐標值（X, Y）聊城大學本科畢業(yè)論文xxi 1()cosinoxry??????……………………………………（4）其中，支撐相中的 由公式（ 1）確定（） ，懸空相中的 表 31 確1? 1?定（見 ） 。為了使步長 S 可變，參考（）中的控制函數的推導過程，應使髖骨長E 可變，二者關系見下一節(jié)“轉彎機構的設計” 。 參數選擇 由于本課題所設計的機器人是以狗的外形作為參考模型，因此，腿機構的尺寸參數如下：髖關節(jié)偏距： E = 50 mm ；小腿長： ；mh201?大腿長： ；8步長： S = 150 mm 。對于本課題，由于每條腿有 、 及 三個參數需要控制，四條腿就1?23?有 12 個參數要控制，即若選擇電氣控制，就需 12 部伺服電機，再加上與這些電機匹配的減速器，電氣控制的重量輕、體積小的特點就顯示不出來了；若選擇液壓控制，就需 12 個液壓缸（液壓馬達） ，再由于行走過程的顛簸，聊城大學本科畢業(yè)論文xx液壓控制也不太適合。其特點是功率大、運行平穩(wěn)、系統(tǒng)具有一定的柔性。其特點是重量輕、體積小、系統(tǒng)具有柔性。一般有三種控制方式：電氣控制、液壓控制和純機械控制。）1 42 83 124 155 176 197 208 229 2310 2511 2612 2713 2914 3015 31表 31具體的測量方法如圖 35 所示（下部布置了十五個點，此圖為第一個點的測量實例，其他各點測量方法類似）：聊城大學本科畢業(yè)論文xix圖 35 懸空相測點圖 行走機構的設計計算根據上一節(jié)的研究結果，現在進行本課題行走機構的具體設計。在懸空相中不能通過上述方法求得,由于只需對足端進行點位控制，故只需知道一些特殊點的 、 及 ，有多種方法可以求得這些點的 、 及 。1arctn()yx????r2=xc2+yc2???22os/OBOBlhl???????聊城大學本科畢業(yè)論文xviii ………………………… (2)39。BO運動學正解可以通過平面幾何確定： 12121213cos()cos()inin?????????cOBxl hOByB???…………（1）根據余弦定理 221112cos????OBlhEOB根據正弦定理 212sinsin?OBl? 運動學逆解就是給定（ ， ） ，求解 和 。1?23 ]9[都滿足如下條件：2 ????2 22arctn/ccyxS????式（1）即為（五）中所述的約束條件。從控制的角度來說，當腿機構處于支撐相時，需進行連續(xù)控制；當腿機構處于懸空相時，只需進行點位控制。1?23 ]7[為更方便地求 、 及 的函數關系，先將圖 33 所示的機構簡化成圖 324 所示。 各參數關系（控制函數）為了使圖 33 所示機構的足端 C ，能按圖中虛線所示軌跡運動，并滿足（）中所述的所有要求，必須求出各參數間的函數關系。h①由于在支撐相 θ 2由足端所處位置決定，即由步距決定， 故稱 θ 2為步距角。從仿生學的角度來說，我們可以將圖 33 中的 BC 為稱為小腿， B 為大2O腿，稱 為髖骨；稱 B 為膝關節(jié)，稱 為髖關節(jié)。①本文相位角指的是凸輪的相位角，凸輪一周的相位角為 2 π。5. 在要求 1 中，足端通過直線段的時間是通過曲線段的時間的 3 倍，即支撐相的相位角 ①為 3π/2，懸空相的相位角為 π/2。3. 為了不至于使機器人在運動的過程中，因支撐機體的三條腿的足端運動速度不相等而產生摩擦，而消耗不必要的能量，應保證足端在要求 1 中的直線段上勻速運動。直線段對應的就是足支撐機體的運動軌跡（支撐相） ，曲線段對應的是腳掌離開地面部分的足端運動軌跡（懸空相） 。因此，對于每條腿的運動來說，腳掌離地時間與著地時間之比為1:3。 四足動物行走的特點四足動物（如狗）正常行走（非奔跑狀態(tài)）時，四條腿的協調動作順序一般按對角線原則，即如左前腿→右后腿→左后腿→右前腿→左前腿→……如此循環(huán)下去。當機器人機體的推進和轉向運動均由復合機架完成時，圖 32 機器人機械結構三維實體圖聊城大學本科畢業(yè)論文xiv只要求單自由度的伸縮腿機構。當前進運動和轉向運動均由腿的運動完成時，腿機構應不少于三個自由度，并且足端具備一個實體的工作空間。為了使行走機器人能在不平的地面上行走，以及腿復位的需要，腿的伸長（即足端相對于機身的高度）應該是可變的。在行走機器人研究中，人們多是著力于讓機器采用類似于動物的腿的機構，即關節(jié)式機構。因此，對行走機構進行研究很有必要。前后兩腿通過聯軸節(jié) 6 聯接。四足行走機器人機械系統(tǒng)結構簡圖如圖 3]6[1，機械系統(tǒng)結構三維實體圖 32: 圖 31 機械系統(tǒng)結構簡圖設計說明：脊柱中有四根鋼絲，拉放這四根鋼絲，可使脊柱在空間任意彎曲，從而使機體具有柔性。]5[此外，與一般機械的設計相比，機器人的機械設計在結構的靈巧性、緊湊性等方面有更高的要求。再次，機器人的機械結構，特別是關節(jié)傳動系統(tǒng)，使整個機器人伺服系統(tǒng)中的一個組成環(huán)節(jié)，因此，機器人的機械設計具有機電一體化的特點，比如，一般機械對運動部件的慣量控制只是從減少驅動功率著眼的，而對機器人來說，常從聊城大學本科畢業(yè)論文xii縮短機電時間常數、提高機器人的快速響應能力這一角度出發(fā)來控制慣量的。一般機械設計主要是強度設計，機器人的機械設計既要滿足強度要求，又要考慮剛度和精度設計。末端的位置、速度、加速度和各關節(jié)力矩（或力）之間的關系是動力分析的主要內容，在開鏈結構中，每個關節(jié)的運動受到其他關節(jié)運動的影響，作用在每個關節(jié)上的重力負載和慣性負載隨著手臂的形位變化，在高速情況下，還存在不容忽視的力心理和哥氏力的影響，因此，嚴格地講，機器人是一個多輸入多輸出的非線性的強耦合的位置時變的動力學系統(tǒng)，動力學分析十分復雜，即使經過一定程度的簡化，也區(qū)別于一般的機構分析方法。首先，從機構學的角度來分析，機器人的機械結構可以看作有一系列連桿通過旋轉關節(jié)（或移動關節(jié)）連接起來的開式運動鏈。通過這種組合可以達到減輕或代替人的勞動，完成有用的機械功或轉換機械能的目的” 。同時四足機器人在機構設計除了需要滿足系統(tǒng)的技術性能外，還需要滿足經濟性要求，即必須在滿足機器人的預期技術指標的同時，考慮用材合理、制造安裝簡單以及可靠性高等問題。系統(tǒng)集成：要把以上四個部分結合在一起，構成一個有機的機器人系統(tǒng)，完成了如下工作：利用計算機語言將任務“告訴”控制系統(tǒng)，經控制系統(tǒng)處理后，產生控制信號，經過接口電路，控制伺服電機動作，機器人在具體的環(huán)境中運動，與環(huán)境相互作用，通過外部傳感器，將環(huán)境信息采集處理后傳輸給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)指導機器人如何動作。通過內部傳感器（光電編碼器等）將這三部分有機地結合在一起。本設計完成了從計算機子系統(tǒng)，實現了行走控制功能?？刂葡到y(tǒng)：控制系統(tǒng)由計算機系統(tǒng)及相應的軟件組成。本課題所設計的機器人的移動環(huán)境是陸上表面環(huán)境。環(huán)境：機器人的移動機構形式取決于移動環(huán)境。最后，對機器人各個系統(tǒng)進行集成、調試，根據調試的結果修改設計缺陷，對整個系統(tǒng)進行循環(huán)改進，直至獲得最優(yōu)設計方案后，再制作物理樣機。 四足機器人研發(fā)流程四足行走機器人的研發(fā)流程如圖 21 所示。4．感知系統(tǒng)與通信接口：機器人要正常地進行工作，必須與周圍環(huán)境保持密切的聯系。計算機控制系統(tǒng)：各關節(jié)伺服驅動的指令值由主計算機計算后在每個采樣周期給出。聊城大學本科畢業(yè)論文viii關節(jié)伺服驅動系統(tǒng)：機器人本體機械結構的動作靠的是關節(jié)驅動，機器人的關節(jié)驅動大多是基于閉環(huán)控制的原理來進行的。腿處于支撐狀態(tài)時，足端與地面接觸支持機體重量，并且推動機體前進，這種狀態(tài)稱為支撐相。機械本體結構：從機構學的角度來分析，機器人的機械結構可以看作有一系列連桿通過旋轉關節(jié)（或移動關節(jié)）連接起來的開式運動鏈。本課題的主要任務是提供一個比較完善的行走機器人機械系統(tǒng)，為開發(fā)完整的行走機器人系統(tǒng)提供硬件支持。由于現實世界中，狗占據著寵物的“霸主”地位，故本課題選擇狗的外形作為四足行走機器人外形的參考模型；而且，狗作為人類的得力助手，在福利助殘(導盲犬 )，對付犯罪 (緝毒犬、警犬等) 等方面能發(fā)揮重要的作用，故本課題的研究就具有重大的現實意義。 課題簡介本課題所設計的是一種四足行走機器人。機器人還涉及到其他領域，如材料科學、心理學等其他學科。仿生機構技術機器人作為一種擬人（動物）的自動機械裝置，就應該像人（動物）一樣有手腳，而且實現像人或動物一樣以步行方式行走是機器人學研究領域最重要的一個方向。機械技術機器人的手和足要能像人一樣靈活動作，必須要有精密靈巧的機械裝置。傳感技術這是涉及很多學科領域的技術。電子技術電子技術的進步，特別是微處理器、存儲器及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，使得聊城大學本科畢業(yè)論文vi機器人的控制能力提高，而體積減小。人工智能人工智能的研究，采用計算機科學的觀點和方法，撇開人腦的細微結構，單純進行人腦宏觀功能的模擬。國內四足步行機器的研究起步比較晚，在上個世紀 90 年代以后才逐步有了成果，但研究水平據世界先進水平還有差距。不足之處是腿運動時的協調控制比較復雜，而且承載能力較小。清華大學所研制的一款四足步行機器人，如圖 16 所示。該機器人采]3[用開式鏈腿機構，每條腿有 3 個自由度，它采用力和位置混合控制，腳底裝有PVDF 測力傳感器，利用人工神經網絡和模糊算法相結合，實現了對角線動態(tài)行走。]4[聊城大學本科畢業(yè)論文v 圖 15 JTUWM—III 圖 16 清華大學四足機器人上海交通大學機器人研究所于 1991 年開展了 JTUWM 系列四足步行機器人的研究。該機器人機動性和反應能力都很強，平衡能力極佳。其腿關節(jié)類似動物腿關節(jié)，安裝有吸收震動部件和能量循環(huán)部件。目前最具代表的四足步行機器人是美國 Bostondynamics 實驗室研制的BigDog，如圖 1—4 所示。TekkenIV 能夠實現不規(guī)則地面的自適應動態(tài)步行，顯示了生物激勵控制對未知的不規(guī)則地面有自適應能力的優(yōu)點。它的每個關節(jié)安裝了一個光電碼盤、陀螺儀、傾角計和觸覺傳感器。TITAN Ⅵ 機器人采用新型的直動型腿機構，避免了上樓梯過程中各腿間的干涉，并采用兩級變速驅動機構，對腿的支撐相和擺動相聊城大學本科畢業(yè)論文iv分別進行驅動。1981 ～1984 年 Hirose 教授研制成功腳部裝有傳感和信號處理系統(tǒng)的 TITANIII。該機器人具有較好的步態(tài)運動穩(wěn)定性，但其缺點是，該機器人的關節(jié)是由邏輯電路組成的狀態(tài)機控制的，因此機器人的行為受到限制，只能呈現固定的運動形式。隨著計算機技術和機器人控制技術的研究和應用，到了 20 世紀 80 年代，現代四足步行機器人的研制工作進入了廣泛開展的階段。最后，歸納總結了未來四足步行機器人的幾個發(fā)展趨勢 ，以期對以]2[后的研究工作具有指導作用。其中，四足步行機器人機構簡單且靈活，承載能力強、穩(wěn)定性好，在搶險救災、探險、娛樂及軍事等許多方面有很好的應用前景，其研制工作一直受到國內外的重視。]1[時間 事件聊城大學本科畢業(yè)論文iii1954 年1960 年1