【正文】 b 仿生腿結(jié)構(gòu) 圖 3. 5 腿部結(jié)構(gòu)方案 如 圖 3. 5 腿部結(jié)構(gòu)方案 中，圖 a 大腿與小腿初始位置垂直，圖 b 中大腿與小腿之間有一傾角，仿螃蟹腿部結(jié)構(gòu)。 圖 3. 4 機(jī)體結(jié)構(gòu) 腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 由整體方案設(shè)計(jì)中，采用關(guān)節(jié)單鉸鏈模型，單腿為 2 個(gè)自由度。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 27 各部分 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)體設(shè)計(jì) 本文中四足機(jī)器人要承載 負(fù)載，考慮到放置載物方便性，及大腿安裝，機(jī)體結(jié)構(gòu)采用常見的箱體結(jié)構(gòu)，箱體采用鋁板焊 接而成，加工方便。 關(guān)節(jié)單鉸鏈模型，便于電機(jī)安裝，且因此抬腿電機(jī)力矩只用于抬升小腿，故所需力矩相對(duì)較小；復(fù)合鉸鏈結(jié)構(gòu)在同一零件上安裝兩個(gè)電機(jī)，安裝不便，且抬腿舵機(jī)所抬升關(guān)節(jié)相對(duì)單鉸鏈結(jié)構(gòu)質(zhì)量大，力臂也大，故所需驅(qū)動(dòng)力矩較大。 代值計(jì)算可得自由度為 6，故機(jī)器人運(yùn)動(dòng)可達(dá)到任意位置，故每條腿兩個(gè)關(guān)節(jié)可達(dá)到設(shè) 計(jì)要求。 1 2 3 4 56 ( 2 3 4 5 )f n p p p p p? ? ? ? ? ? 3 1 圖 3. 1 單腿機(jī)構(gòu)簡圖 處于 擺動(dòng)相 的步行腿 相當(dāng)于連桿串聯(lián)的空間開鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，步行腿的自由度數(shù)等于關(guān)節(jié)數(shù)；處于支撐相時(shí)，機(jī)體為并聯(lián)機(jī)構(gòu)中央構(gòu)件，地面可看作機(jī)架 [27]。為了減小控制復(fù)雜程度，腿部采用兩個(gè)關(guān)節(jié)，分別用于抬腿與邁步。 但從控制角度考慮，過多的自由度 運(yùn)動(dòng)控制 復(fù)雜。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 自由度分析 行走體腿部運(yùn)動(dòng)主要包括抬腿與邁步。 本章 根據(jù) 四足機(jī)器人 運(yùn)動(dòng)要求對(duì)其 結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì) ，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 ，分析腿部在三維空間中的運(yùn)動(dòng)位置及姿態(tài)。 最后對(duì) 步態(tài)的穩(wěn)定性進(jìn)行了理論分析 ，驗(yàn)證了步態(tài)規(guī)劃的可行性 。由于三條腿支撐下，機(jī)體調(diào)整容易，故三腿支撐下的步態(tài)常常穩(wěn)定性高。 圖 靜步態(tài)重心圖 圖 中，腿 LF 處空心圓圈表示腿 LF 抬起處于騰空狀態(tài)，此時(shí)另外三條腿處于支撐狀態(tài)，身體重心如圖中黑點(diǎn)所示，重心處于三條支撐腿所圍成的三角形內(nèi)，機(jī)器人處于平衡狀態(tài)。在機(jī)器人穩(wěn)定性分析中，為了簡化模型常常假設(shè)機(jī)器人的重心位于身體的幾何重心處，在運(yùn)動(dòng)過程機(jī)器人通過不斷調(diào)節(jié)身體的姿態(tài)，使重心始終處于支撐三角形。 轉(zhuǎn)彎步態(tài)規(guī)劃 四足機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)，先抬右后腿 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 24 步態(tài)穩(wěn)定性分析 四足機(jī)器人在行走步態(tài)及轉(zhuǎn)彎步態(tài)下都至少有三條腿著地，如前文所述，當(dāng)身體重心在支撐三條腿組成的三角形內(nèi)時(shí)滿足靜力學(xué)條件，為靜步態(tài)。其運(yùn)動(dòng)過程中擺腿流程圖如下圖 所示。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 23 在行走過程中，為了達(dá)到四足機(jī)器人穩(wěn)定行走，機(jī)器人需要不斷調(diào)節(jié)身體重心使重心始終處于支撐三角形內(nèi)，重心運(yùn)動(dòng)軌跡為 S。各腿按此步態(tài)循環(huán)運(yùn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。 圖 四足機(jī)器人 轉(zhuǎn)彎擺腿流程圖 在 四足機(jī)器人 轉(zhuǎn)彎擺腿流程圖中（圖 ），各腿的指向表示各腿的移動(dòng)方向。 在轉(zhuǎn)彎時(shí)，機(jī)器 人 的左側(cè)前腿 LF 先向左側(cè)邁出一步，接著左側(cè)后腿向右邁一步使身體向左側(cè)傾斜，然后右側(cè)右腿向右邁一步右側(cè)前腿向左邁一步，完成一定角度的左轉(zhuǎn)，如此循環(huán)，即可完成設(shè)定的轉(zhuǎn)彎過程。 圖 疾馳步態(tài)時(shí)序圖 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 22 轉(zhuǎn)彎步態(tài)分析 哺乳動(dòng)物與人在轉(zhuǎn)彎時(shí)，常常通過髖關(guān)節(jié)帶動(dòng)腿部橫向運(yùn)動(dòng)，通過橫向前后腿的反向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。 在疾馳步態(tài)下，肢體前 側(cè)腿或后側(cè)腿同時(shí)運(yùn)動(dòng)，著地或騰空，故為兩拍步態(tài)。對(duì)于動(dòng)物來說可以自行調(diào)整身體平衡，而對(duì)于現(xiàn)在的科學(xué)技術(shù)要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自平衡較難。對(duì)于大型哺乳動(dòng)物，如獵豹、老虎等運(yùn)動(dòng)，在高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下常常使用疾馳步態(tài)。 圖 馬的溜蹄步態(tài) 在溜蹄步態(tài)下，由于同側(cè)的腿處于相同的 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（騰空或著地），故為兩拍步態(tài)，其時(shí)序圖如下圖 所示。由于一側(cè)腿支撐體重易出現(xiàn)翻倒現(xiàn)象，影響到運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，故在四足機(jī)器人研究中，溜蹄步態(tài)使用較少。其中腿 LF 與腿 RH 處于對(duì)角線上，腿RF 與腿 LH 處于另一對(duì)角線上。對(duì)角小跑狀態(tài)下，至少有斜對(duì)角兩條腿處于支撐狀態(tài)，而支撐線正好處于身體下方，因而該步態(tài)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定。對(duì)角小跑步態(tài)，運(yùn)動(dòng)速度比爬行步態(tài)的速度快。圖中， 1 表示腿處于擺動(dòng)騰空狀態(tài)， 0 表示腿著地狀態(tài)。 在爬行步態(tài)下，每條腿在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間都相等，為四分之一個(gè)周期。為了清晰描述四足機(jī)器人爬行步態(tài)，作四足機(jī)器人簡圖如下圖 所示。在自然界中，許多小型四足動(dòng)物如壁虎、烏龜?shù)榷歼\(yùn)用爬行步態(tài)進(jìn)行行走。即，當(dāng)0 ??? 時(shí)，四足機(jī)器人只有一條或兩條腿處于支撐狀態(tài)，為動(dòng)步行；當(dāng) ???時(shí)，四足機(jī)器人有兩條或三條腿處于支撐狀態(tài)，為準(zhǔn)動(dòng)步行；當(dāng) 1???時(shí)，四足機(jī)器人有三條或四條腿處于支撐狀態(tài)，為靜步行，靜步行的流程圖如下圖 所示。 腿相位（ ? ） 行走時(shí)，某條腿從開始擺動(dòng)的時(shí)刻在一個(gè)周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)位置，稱為這條腿的相位。 步幅 (d) 行走時(shí)，由一腿著地到該腿再次著地時(shí)該腿所移動(dòng)的距離稱為步幅。 占地系數(shù) (? ) 在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)，單腿在地面支撐的時(shí)間（支撐相的時(shí)間）與步態(tài)周期的比值稱為占地系數(shù)，其取值范圍在 0 至 1 之間。步態(tài)分析基本參數(shù)的基本定義如下： 擺動(dòng)相和支撐相 腿部抬離地面而處于半空中的狀態(tài)稱這為擺動(dòng)相；腿部處于著地狀態(tài)稱之為支撐相。參照四足動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，可以將步態(tài)分為爬行步態(tài)（ crawl）、對(duì)角小跑步態(tài)（ troting）、溜蹄步態(tài)（ pace）、跑跳步態(tài)（ bound）、飛馳步態(tài)（ gallop）等等 [2]。 在四足步行機(jī)器人研究中，將 四足步行機(jī)器人步態(tài)分為靜態(tài)步態(tài)和動(dòng)態(tài)步態(tài)。研究步態(tài)的本質(zhì)就是研究步行體擺動(dòng)腿邁步的規(guī)律。 步態(tài)分析 步態(tài)的基本概念 步態(tài)是指步行體（人、動(dòng)物或機(jī)器人）在運(yùn)動(dòng)過程中，按照一定的時(shí)間和空間順序有規(guī)律地?cái)[動(dòng)各腿，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的方式。四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)通 過相關(guān)關(guān)節(jié)的配合而實(shí)現(xiàn)，故關(guān)節(jié)之間的協(xié)調(diào)是四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。主要技術(shù)指標(biāo)如下： 機(jī)器人尺寸不超過 500mm500mm300mm； 機(jī)器人負(fù)重能力 ； 行走速度不低于 ； 爬行坡度 10? 。通過控制程序的調(diào)試，得出機(jī)器人最佳運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 （ 3）按照四足機(jī)器人設(shè)計(jì)幾何參數(shù)，運(yùn)用 PROE 軟件建立三維模型，導(dǎo)入 ADAMS軟件中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，及添加約束與驅(qū)動(dòng)，建立虛擬樣機(jī)仿真模型。主要研究內(nèi)容如下： （ 1）利用 DH 坐標(biāo)系變換法，建立四足機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，得到四足機(jī)器人足端和機(jī)體坐標(biāo)系之間的變換矩陣，并求解機(jī) 器人腿部速度與加速度。 課題主要研究內(nèi)容及任務(wù)指標(biāo) 主要研究內(nèi)容 在四足機(jī)器人研究中，因其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，為了便于研究工作的開展，本文根據(jù)四足機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)將對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能沒有影響的結(jié)構(gòu)略去，簡化了四足機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型。而每一個(gè)Sfunction 的編寫及調(diào)試都相對(duì)較難，是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一大難點(diǎn)。 在 MATLAB/SIMULINK 設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)是本文一個(gè)主要難點(diǎn)。同時(shí)，需在 ADAMS 中創(chuàng)建輸出變量，該變量是系統(tǒng)輸入到 MATLAB 控制程序中的變量。分析及計(jì)算過程相對(duì)復(fù)雜。 圖 仿壁虎四足機(jī)器人 圖 BIO12 機(jī)器人 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 14 課題主要研究難點(diǎn) 四足機(jī)器人的研究主要難點(diǎn)包括以下幾方面： 四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞將影響到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能。山東大學(xué)成功研制出我國第一款液壓驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人 [26]，該機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn) walk、 trot、 pace 三種步態(tài)的運(yùn)動(dòng)。 圖 MiniQuad 四足機(jī)器人 在國家“ 863”項(xiàng)目資助下，南京航空航天大學(xué)研制了仿壁虎四足機(jī)器人，根據(jù)壁虎的行走分析，規(guī)劃了對(duì)角步態(tài)及三角步態(tài)兩種不同運(yùn)動(dòng)步態(tài)。當(dāng)遇到復(fù)雜的地形時(shí)，該機(jī)器人可以運(yùn)用六條腿進(jìn)行穩(wěn)定步態(tài)行走，當(dāng)有工作任務(wù)時(shí)，機(jī)器人的兩條腿可以變成兩條操作臂進(jìn)行作業(yè)。 圖 HITHYBTOR 機(jī)器人 2020 年，華中科技大學(xué)研制了“ 4+2”多足機(jī)器人 [24]，長 1240mm，寬 920mm，高 550mm，如圖 2 所示。該機(jī)器人采用輪－腿復(fù)合式結(jié)構(gòu)，每條腿具有 3 個(gè)自由度，足端安裝有獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪，如圖 1 所示。JTUWMIII 機(jī)體重心較高，適合于動(dòng)態(tài)行走，具有較高的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，但其最大運(yùn)動(dòng)速度為 ，速度仍然是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的一大制約因素。JTUWMIII 機(jī)器人利用了 JTUWMII 對(duì)角步態(tài)研究成果，仿四足動(dòng)物腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，總西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 12 重量為 ，外形尺寸為 810mm750mm300m，如圖 所示。 圖 Biosbot 四足機(jī)器人 上海交通大學(xué)用數(shù)年時(shí)間開發(fā)了 JTUWM 系列四足機(jī)器人，先后研制了全方位小支撐仿哺乳動(dòng)物四足機(jī)器人 JTUWMII[21]，動(dòng)態(tài)步行四足機(jī)器人 JTUWMIII [22]。 Biosbot 機(jī)器人采用中樞模式發(fā)生器（ CPG）控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人 Walking（慢走）、 Trot(對(duì)角小跑 )兩種步態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，對(duì)復(fù)雜的地形具有較強(qiáng)的適應(yīng)能，能夠完成 10 度坡度上下坡行走、跨越20mm 的障礙物，最大的運(yùn)動(dòng)速度可達(dá) 240 /mms 。 2020 年，清華大學(xué)成功研制出模仿哺乳動(dòng)物運(yùn)動(dòng)控制的四足機(jī)器人 Biosbot[19]。到目前為止，中科院沈陽自動(dòng)化研究所、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校及研究所對(duì)四足機(jī)器人進(jìn)行了研究。 2020 年谷歌研究中心發(fā)面布了踢不倒的四足機(jī)器人，該機(jī)器人具有高速行走 、自動(dòng)避障、爬梯、自平衡等功能。澳大利亞柯蒂斯大學(xué)設(shè)計(jì)了液壓驅(qū)動(dòng)的“ Hydrobug”機(jī)器人 [18]，該機(jī)器人可以載人行走，爬上 45 度斜坡，并可以在極端破壞路面行走。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 10 圖 BigDog 德國 Karlsruhe 大學(xué) Dillmann 等人設(shè)計(jì)了能模仿哺乳動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的四足機(jī)器人BISAM[16]，如圖 所示，該機(jī)器人能夠跨越溝壑、凸臺(tái)等簡單非結(jié)構(gòu)環(huán)境，但難以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人動(dòng)態(tài)行走。它具有強(qiáng)大的身體自平衡能力，即使在受到很大的側(cè)面沖擊力時(shí)，也能快速調(diào)整身體姿態(tài)，保持身體平衡不摔倒。 圖 Walking Truck 2020 年，美國卡耐基梅隆 Boston Dynamics 實(shí)驗(yàn)室對(duì)外公布了研制的四足機(jī)器人BigDog[15]。麻省理工學(xué)院的 等人在四足機(jī)器人動(dòng)步態(tài)研究方面開展了開創(chuàng)性工作，取得了由靜步態(tài)到動(dòng)步態(tài)行走的巨大突破。該機(jī)器人以機(jī)械和液壓傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)其行走運(yùn)動(dòng)，控制臺(tái)上有四個(gè)控西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 9 制桿，操作者的手、腿部位分別裝有傳感器，用來檢測操作者的動(dòng)作。有關(guān)研究表明，柔性脊柱環(huán)節(jié)提高了機(jī)器人動(dòng)態(tài)行走效率，降低了設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算成本，但脊 柱振動(dòng)的有效阻尼及步態(tài)同步性對(duì)四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性有極大的影響 [12]。日本 Osaka理工大學(xué)研制了帶啟動(dòng)柔性脊柱的仿生四足機(jī)器人，如圖 所示 [11]。其中 ，忍者 I 四足機(jī)器人，長 ，寬 ，高 ，機(jī)械本體重 45Kg，如圖 所示，為忍者 I 四足機(jī)器人在東京工業(yè)大學(xué)百年紀(jì)念館外墻攀爬的照片。該機(jī)器人采用多種運(yùn)動(dòng)步態(tài)，能夠在凹凸不平地面行走，同時(shí)具有避障能，且能以 50 /mms 的速度爬樓，對(duì)復(fù)雜地形適應(yīng)能力更強(qiáng)。在隨后數(shù)二十多年時(shí)間里，研制了 TITAN 系列四足機(jī)器人，其中 TITANVIII 四足機(jī)器人 [9]最具有代表性，如圖 所示 [10]。日本東京工業(yè)大學(xué)從八十年代至今共設(shè)計(jì)出了十多款四足機(jī)器人 [7]，在四足機(jī)器人研究中取得了較多的研究成果。其中， 日本、美國、德國、意大利、瑞士、韓國等國先后設(shè)計(jì)了一系列具有代表性的四足機(jī)器人。近年來，四足機(jī)器人的研究已取得了很大的突破。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與控制技術(shù)以及機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，四足機(jī)器人的研究及應(yīng)用得到到國內(nèi)外研究者的重視與青睞。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前，隨著國內(nèi)外專家學(xué)者的深入研究，已研制出具有感知外界環(huán)境，并作出決 策的自適應(yīng)機(jī)器人。 本文采用 MATLAB 與 ADAMS 聯(lián)合仿真，在 PROE 中建立樣機(jī)三維模型，導(dǎo)入ADAMS 中設(shè)計(jì)樣機(jī)參數(shù)，并在 MATLAB 中建立四足機(jī)器人控制系統(tǒng)，通過 MATLAB西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 7 與 ADAMS 結(jié)合實(shí)現(xiàn)四足機(jī)器人聯(lián)合仿真，及時(shí)改進(jìn)設(shè)計(jì)出現(xiàn)的問題。虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提 供了一個(gè)全新的方法。 傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程是以最初的設(shè)計(jì)方案制造實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，再對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的不足之處一步一步進(jìn)行改進(jìn)，最終得到最后的產(chǎn)品。 足式機(jī) 器人以足的數(shù)量可以分為兩足、四足、六足、八足等，其中四足機(jī)器人相對(duì)于兩足機(jī)器人機(jī)動(dòng)性能更強(qiáng)，相比于六足和八足機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單、易于控制。據(jù)有關(guān)調(diào)查，地球上超過 50%面積的地形為崎嶇不平的山丘或沼澤 [3]，不適合于輪式和履帶式機(jī)器人行走，而自然界的足式動(dòng)物則可以在這些地形行走自如。其中運(yùn)用最多的是輪式、足式及履帶式。從 20 世紀(jì)中葉開始 [2]，國內(nèi)外越來越多的專家學(xué)者投入了對(duì)機(jī)器人的研究。近年來，機(jī)器人學(xué)已成為了一門獨(dú)立的學(xué)科，但它是一門涉及機(jī)械工程、自動(dòng)化、通信工程、軟件工程等學(xué)科的綜合學(xué)科。 虛擬樣機(jī)設(shè)置 ........