【正文】 動(dòng)精度研究 8 根據(jù)機(jī)器人的理論模型設(shè)計(jì)一條直線步態(tài)，通過(guò)對(duì)機(jī)器人在該步態(tài)下實(shí)際運(yùn)動(dòng)中機(jī)體軌跡誤差數(shù)據(jù)的測(cè)量，通過(guò)機(jī)器人的誤差模型，計(jì)算出站立腿驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)參數(shù)誤差值。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)靈敏度分析結(jié)果，提出一種在給定刀具位姿允差條件下，以零部件制造公差加權(quán)歐氏范數(shù)最大為目標(biāo)，以角性公差和線性公差在同一精度等級(jí)下達(dá)到均衡為約束條件的精度設(shè)計(jì)方法。焦國(guó)太 [25]在剛性機(jī)器人精度分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合柔性機(jī)器人的研究成果，對(duì)機(jī)器人位姿誤差的分析，充分考慮了連桿和關(guān)節(jié)柔性以及靜態(tài)誤差對(duì)機(jī) 器人末端執(zhí)行器位姿精度的影響，將剛性機(jī)器人的精度分析方法和柔性機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究相結(jié)合，建立了機(jī)器人的位姿誤差分析模型。在誤差概率分析的基礎(chǔ)上，建立了以連桿參數(shù)公差為設(shè)計(jì)變量、公差制造成本為目標(biāo)函數(shù)、絕對(duì)位姿誤差 滿足設(shè)計(jì)精度為約束條件的機(jī)器人機(jī)構(gòu)精度優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。徐衛(wèi)良 [23]則通過(guò)直接對(duì)各個(gè)原始誤差的微小位移矢量進(jìn)行合成，建立了機(jī)器人手部位姿誤差的數(shù)學(xué)模型。黃真教授 [21]采用螺旋理論對(duì)并聯(lián)機(jī)器人位姿誤差進(jìn)行了分析，其研究?jī)?nèi)容是分析已知尺寸誤差，控制誤差以及運(yùn)動(dòng)副間隙對(duì)末端位姿誤差的影響。 Han S Kim對(duì) Stewart 平臺(tái)的并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)誤差范圍作了分析與綜合 ,通過(guò)對(duì)誤差模型特征值問(wèn)題的分析，研究了特征值與位姿誤差和鉸點(diǎn)誤差界限的關(guān)系，提出了 Stewart基于手腳融合的多足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度研究 7 平臺(tái)誤差界限正逆解問(wèn)題的分析方法，并以雙三角 Stewart 平臺(tái)為仿真對(duì)象，分析了動(dòng)平臺(tái)平移和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)特征值的變化情況。 Wang S M 和Ehmann 利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，針對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器誤差、鉸鏈自身誤差及鉸鏈定位誤差建立可以直接微分的輸入輸出方程然后進(jìn)行直接微分，進(jìn)行誤差建模。后來(lái)， A Kuman 和 S Prakash 引入結(jié) 構(gòu)參數(shù)誤差，導(dǎo)出了綜合考慮運(yùn)動(dòng)變量誤差和結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差的機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置誤差表達(dá)式。早在 1978 年， K J Waldron 和A Kuman 就提出了操作機(jī)器人的位置誤差問(wèn)題。目前，有很多學(xué)者對(duì)并聯(lián)機(jī)器人誤差進(jìn)行了研究，由于多足步行機(jī)器人在瞬時(shí)類 似于具有冗余驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，因此，對(duì)并聯(lián)機(jī)器人的誤差分析理論也可用于多足步行機(jī)器人的誤差研究中。 行機(jī)器人誤差研究的現(xiàn)狀 機(jī)器人的實(shí)到位姿與理論位姿之間的偏差，稱為機(jī)器人的位姿誤差，這個(gè)指標(biāo)直接影響到多足步行機(jī)器人定位精度。 從目前國(guó)內(nèi)外多足步行機(jī)器人的研究現(xiàn)狀可看出 ，多足步行機(jī)器人多作為一種移動(dòng)平臺(tái)，很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的操作功能。 2021 年 ,上海交通大學(xué)研制了微型六足仿生機(jī)器人。 1991 年 ,上海交通大學(xué)研制了四足步行機(jī)器人 JTUWM 系列。 1990 年 ,中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制出了六足步行機(jī)器人。 1980 年 ,中國(guó)科學(xué)院研制 成功了 八足步行 機(jī)器人 。 國(guó)內(nèi) 從 20世紀(jì) 80 年代 末 90 年代初開(kāi)始研究 步行機(jī) [8]。該機(jī)器人有 6 條腿 , 且每條腿有 4 個(gè)自由度，具有用手搬運(yùn)物品及用腳移動(dòng)或進(jìn)行作業(yè)的雙重機(jī)能，具有全方向移動(dòng)的機(jī)能和全方位均等的作業(yè)空基于手腳融合的多足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度研究 6 間，可懸吊于天花板進(jìn)行作業(yè)或在不平地面上移動(dòng)。對(duì)有手腳融合功能的多足步行機(jī)器人的研究極少涉及。 華中科技大學(xué) 研制 的 4+2多足步 行機(jī)器 人 [13]。 2021 年 ,上海交通大學(xué)研制了微型雙三足步行機(jī)器人MDTWR。同年 ,清華大學(xué) 也研制成功了全方位三 足步行機(jī)器人 DTWN。 1989 年 ,北京航空航天大學(xué)研究 成功了四足步行機(jī)器人。 近年來(lái) ,對(duì) 多足步行機(jī)器人 相關(guān) 技術(shù) 的研究取得了一系列 成果。采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，有 6 個(gè) CCD 攝像機(jī)和 11 個(gè)傳感器。 圖 111 SIL04 圖 112 ASTERISK 2021 年由大阪大學(xué)的新井健生、田窪明仁等研制成功的新型手腳統(tǒng)一型步行機(jī)器人ASTERISK[8]，如圖 112 所示。機(jī)器人每條腿有 3 個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，并裝有傾角器、編碼器、力傳感器 和電位器。該機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制。 1998 年由德國(guó)開(kāi)發(fā)的四足機(jī)器人 BISAM[9]，如圖 110 所示。 1995 年 ， 日本的安達(dá)、小谷內(nèi) 等研究了手腳統(tǒng)一型步行機(jī)器人 MELMANTIS[8],能將腳的移動(dòng)和手臂的操作統(tǒng)一起來(lái)。能轉(zhuǎn)彎、步行和跨臺(tái)階，但可靠性較差。 1996 年研制的四足機(jī)器人 TITANVIII，如圖 17 所示， 它 具有很 高的地面 適應(yīng)能力，腿能夠作為工作臂，用于排雷和探測(cè)地雷 [5]。 TITANIII[4]，其 足由形狀記憶合金組成， 且 裝有信號(hào)處理系統(tǒng)和傳感器，可以自動(dòng)檢測(cè)與地面接觸的狀態(tài)。 Attila 采用 了 模塊化設(shè)計(jì) , 頭、腿、身體都 有 各自的驅(qū)動(dòng)器 、 傳感器和子處理 器 ， 有 19個(gè)自由度。 圖 13 Colliel 圖 14 Collie2 圖 15 “ Spiderrobot” 圖 16 “ Attila” 美國(guó) NASA 研制的 微型爬行機(jī)器人“ Spiderbot” ， 如圖 15所示 ,機(jī)器人外形 象 蜘蛛 , 基于手腳融合的多足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度研究 4 重量輕 ,體積只有人頭部的一半大小 ,可以在不規(guī)則的星球表面爬行。 Collie2每條腿有 5個(gè)關(guān)節(jié)，且每個(gè)關(guān)節(jié)都裝有電位器。 19841986 年?yáng)|京大學(xué)的 Shimoyama 和 Miura 研制了 Colliel 四足機(jī)器人，如圖 l3 基于手腳融合的多足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度研究 3 圖 11 步行機(jī) “WalkingTruck” 圖 12 第一臺(tái)四足步行機(jī)器人 KUMO 所示。 Collie2每條腿有 5個(gè)關(guān)節(jié)，且每個(gè)關(guān)節(jié)都裝有電位器。 19841986 年?yáng)|京大學(xué)的 Shimoyama 和 Miura 研制了 Colliel 四足機(jī)器人，如圖 l3所示。 它的外形 像 一個(gè)蜘蛛，有四條腿，能夠爬行 [2]。其四條腿采用液壓驅(qū)動(dòng)，手臂和腳安裝有位置傳感器，具有步行和爬越障礙的功能，因此， “ WalkingTruck” 被視為步行機(jī)發(fā)展史上一個(gè)里程碑。 20 世紀(jì) 60 年代初 ，由 美國(guó)的 Shigley 和 Baldwin 設(shè)計(jì)出 了 比履帶車或輪式車更為靈活的步行機(jī)。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 多足步行機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 多足步行機(jī)器人的 發(fā)展最早可追溯到中國(guó)古代三國(guó)時(shí)的“木牛流馬”。 本課題的研究將介紹一種多足步行機(jī)器人的誤差分析的方法，以四足步行機(jī)器人為例，通過(guò)仿真驗(yàn)證該方法的可行性。 通過(guò)多足步行機(jī)器人的位姿誤差分析，可以得到各個(gè)誤差源對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)輸出位姿的影響程度，從而可以發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，明確提高機(jī)器人精度的重點(diǎn)和方向，為改善機(jī)器人的設(shè)計(jì)質(zhì)量和提高機(jī)器人的設(shè)計(jì)水平提供準(zhǔn)確可靠的資料和依據(jù)。 定位精度是衡量多足機(jī)器人性能的一個(gè)重要指標(biāo)，因此，無(wú) 論在理論上還是在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中都受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。步行機(jī)器人腿式系統(tǒng)具有很大的優(yōu)越性：較好的機(jī)動(dòng)性 ,崎嶇路面上乘坐的舒適性 ,對(duì)地形的適應(yīng)能力強(qiáng)。 步行機(jī)器人 (walking robot)或步行車輛 (walking vehicle)簡(jiǎn)稱步行機(jī) ,是一種智能型機(jī)器人 ,它是涉及到生物科學(xué)、仿生學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)及信息處理技術(shù)等的一門綜合性高科技。 瞄準(zhǔn)國(guó) 內(nèi)外 機(jī)器人技術(shù)的前沿，為 了給 我國(guó) 步行 機(jī)器人 的 研究提供 理論平臺(tái) 和關(guān)鍵 技術(shù)，開(kāi)展多足機(jī)器人的技術(shù)和相關(guān)理論研究具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。 如果能夠在腿 /臂融合結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，把多足機(jī)器人的腿設(shè)計(jì)成具有手腳 融合功能的結(jié)構(gòu)形式，可使其能在在更多特殊環(huán)境和場(chǎng)合中使用 ,因而該類機(jī)器人具有 廣闊的應(yīng)用前景。其中，履帶式和輪式機(jī)器人結(jié)構(gòu) 較 簡(jiǎn)單， 其 運(yùn)動(dòng) 能力 受 到 環(huán)境因素 的 限 制 。具有仿生特征的移動(dòng)機(jī)器人，因?yàn)槟軌虼嫒嗽谝恍┓墙Y(jié)構(gòu)性環(huán)境中作業(yè)而成為了學(xué)者們研 究和關(guān)注的熱點(diǎn)。 最后，在 MATLAB 環(huán)境下編制相應(yīng) 的誤差分析程序，通過(guò)實(shí)例 仿真 驗(yàn)證 誤差分析的正確性。 首先，結(jié)合國(guó)內(nèi)外多足步行機(jī)器人現(xiàn)狀和誤差分析現(xiàn)狀以及多足步行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，分析了運(yùn)動(dòng)誤差的主要來(lái)源。 河南工程學(xué)院 本科畢 業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 題 目 基于手腳融合的多足步行機(jī)器 人的運(yùn)動(dòng)精度研究 學(xué)生姓名 專業(yè)班級(jí) 機(jī)設(shè) 064 班 學(xué) 號(hào) 號(hào) 院 （系） 機(jī)電工程學(xué)院 指導(dǎo)教師 （教授） 完成時(shí)間 2021年 5 月 30日 基于手腳融合的多足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度研究 I 基于手腳融合的 多足步行機(jī)器人 的運(yùn)動(dòng)精度研 究 摘 要 機(jī) 器人運(yùn)動(dòng)誤差是衡量機(jī)器人性能的重要指標(biāo)之一，直接影響到機(jī)器人的工作質(zhì)量 ， 對(duì)多足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度研究是一項(xiàng)重要而富有意義的工作。本文以四足步行機(jī)器人為研究對(duì)象， 通過(guò)分析機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)動(dòng)方程和誤差方程，對(duì)步行機(jī)器人的精度分析問(wèn)題進(jìn)行了比較深入的理論研究。 其次， 在 多足步行機(jī)器人正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的求解過(guò)程的基礎(chǔ)上，運(yùn)用微分的方法計(jì)算運(yùn)動(dòng)機(jī)器人 正逆運(yùn)動(dòng) 的誤差 方程 。 關(guān)鍵詞 ： 多足 步行機(jī)器人 /正 運(yùn)動(dòng)學(xué) /逆運(yùn)動(dòng)學(xué) /誤差分析 基于手腳融合的多足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度研究 II HANDFOOTINTEGRATED MECHANUSM THE MORE WALKING ROBOT FUSION ACCURACY OF MOVEMENT ABSTRACT The motion error is one of the important indexes robot performances, which affect the working quality of the multilegged walking robot directly, for much of the motion precision walking robot research is an important and meaningful work. Based on four walking robot for research object, through the analysis of the robot kinematics and inverse kinematics is in error equations equation and the walking robot, precision analysis problem, deeply theoretical research. First, bined with the domestic and foreign many walking robot present situation and the error analysis, as well as the characteristics of the walking robot, the error analysis of movement error is the main reason for the difference. Secondly, in walking robot is the inverse kinematic solution process, using the differential method of inverse robot motion equation of movement error. Finally, in the MATLAB environment corresponding error analysis program piled by example to prove the correctness of the error analysis. Keywords: multilegged walking robot， forward kinematics， inverse kinematics， Error analysis 基于手腳融合的多足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度研究 III 目 錄 摘 要 ................................................................................................................................ I ABSTRACT ............................................................................................................................ II 1 緒論 ..................................................................................