【正文】 退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)? 步距：150mm（正常前進(jìn)時(shí)）? 步行速度：可變? 智能水平：無(wú)(待開(kāi)發(fā))? 負(fù)載：無(wú) 機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述 機(jī)器人基本上是由機(jī)械本體結(jié)構(gòu)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、通信接口等部分組成。①步行機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，各腿交替的呈現(xiàn)兩種不同的狀態(tài)，即支撐狀態(tài)和懸空狀態(tài)。②當(dāng)腿處于懸空狀態(tài)時(shí)，足端抬離地面，向前邁步為下一個(gè)支撐相作準(zhǔn)備，這種狀態(tài)稱為懸空相。常用的驅(qū)動(dòng)單元是各種伺服電機(jī)，由于一般伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速很高(1000r/min~10000r/min)，因此，在電機(jī)與負(fù)載之間用一套傳動(dòng)裝置來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的匹配。計(jì)算機(jī)通過(guò)軌跡規(guī)劃，得到空間軌跡在各采樣時(shí)刻的數(shù)據(jù)，通過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算把空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)楦麝P(guān)節(jié)的指令值。除了關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中供反饋用的位置、速度、加速度的傳感器(稱為機(jī)器人的內(nèi)部傳感器)，機(jī)器人還可配備視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、接近覺(jué)等等多種類型的傳感器(稱為機(jī)器人的外部傳感器) ，以及傳感信號(hào)的采集處理系統(tǒng)。首先，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)（vitual prototype） ，利用三維造型軟件]5[（PRO/E）建立機(jī)器人機(jī)械部分的三維實(shí)體模型；然后利用動(dòng)力學(xué)分析軟件（ADAMS）建立機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真；與此同時(shí)，進(jìn)行四足機(jī)器人的控制、驅(qū)動(dòng)和傳感器子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文ix機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 步態(tài)規(guī)劃設(shè)計(jì) 運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng) 力學(xué)分析 控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)建模仿真 兼容性分析傳感器子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)加工物理樣機(jī)圖 21 四足機(jī)器人的研發(fā)流程任務(wù) 四足機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)：本課題并未要求規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的任務(wù)，因此，在本節(jié)系統(tǒng)規(guī)劃中將其納入機(jī)器人系統(tǒng)中，但在后續(xù)設(shè)計(jì)中并不進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。廣義的移動(dòng)環(huán)境包括氣體環(huán)境、液體環(huán)境、固體環(huán)境和混合環(huán)境。其特點(diǎn)是表面較硬、凹凸不平、有障礙、獨(dú)立（即環(huán)境不應(yīng)因機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)而改變） 。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可由二級(jí)或三級(jí)組成，由主計(jì)算機(jī)完成智能控制功能，從計(jì)算機(jī)產(chǎn)生行走控制信號(hào)。調(diào)整優(yōu)化聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文x任務(wù) 環(huán)境機(jī)器人模型環(huán)境模型工作任務(wù)程序控制算法外部傳感器行走機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)減速機(jī)構(gòu)動(dòng)力裝置（伺服電機(jī)）接口電路內(nèi)部傳感器機(jī)器人控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言 交互作用22 機(jī)器人結(jié)構(gòu)框架圖機(jī)器人本體：機(jī)器人本體主要由三個(gè)部分組成：動(dòng)力裝置（伺服電機(jī)） 、減速裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（行走機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)） 。本課題中使用了直流伺服電機(jī)作為動(dòng)力裝置，12V 蓄電池為系統(tǒng)提供能量；也使用了齒輪副作為二級(jí)、三級(jí)減速；使用了一種三自由度的平面關(guān)節(jié)式腿機(jī)構(gòu)作為行走機(jī)構(gòu)；轉(zhuǎn)彎功能通過(guò)一種脊柱機(jī)構(gòu)完成。 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是四足機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，整體機(jī)械結(jié)構(gòu)、自由度數(shù)、驅(qū)動(dòng)方聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xi式和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等都會(huì)直接影響機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力性能。 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)的內(nèi)容及特點(diǎn)所謂“機(jī)械” ，經(jīng)典的定義就是“按確定的位置相互聯(lián)結(jié)，并按一定的規(guī)律相對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)或零件的組合體。機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)與一般的機(jī)械設(shè)計(jì)相比，許多方面是類似的，但是也有不少特殊之處。開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)使得機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析和靜力分析復(fù)雜化，兩相鄰連桿坐標(biāo)系之間的位姿關(guān)系、手臂末端操作器的位姿與各關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系、末端操作器上的受力和各關(guān)節(jié)力矩（或力）之間的關(guān)系等，均不是一般機(jī)構(gòu)分析方法能解決得了的，而要建立一套針對(duì)空間開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)的特殊的運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)分析方法。其次，機(jī)器人的開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)形式比期一般機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，雖在靈巧性和空間可達(dá)性等方面要好得多，但是由于開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一系列懸臂桿件串聯(lián)在一起，機(jī)械誤差和彈性變形的累積，使機(jī)器人的剛度和精度大受影響，也就是說(shuō)，這種形式的機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)傳遞上存在先天的不足。為了克服開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)的缺陷，目前已發(fā)展了基于閉鏈結(jié)構(gòu)的機(jī)器人。再如，一般的機(jī)械設(shè)計(jì)中控制機(jī)械諧振頻率是為了保證不破壞，而在機(jī)器人上，是從運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性、快速性等伺服性能角度來(lái)控制機(jī)械諧振頻率的 。 機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)對(duì)于行走機(jī)器人來(lái)說(shuō)，總體機(jī)械結(jié)構(gòu)可分為三大部分：行走機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)、動(dòng)力傳輸機(jī)構(gòu)（伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)） 。拉放左右兩根鋼絲，可使機(jī)體左右轉(zhuǎn)彎；腿的運(yùn)動(dòng)過(guò)程如下：伺服電機(jī) 11 的輸出通過(guò)諧波齒輪減速器 二級(jí)減速齒輪 螺旋齒輪副 3 減速，使膝關(guān)節(jié)凸輪、髖關(guān)節(jié)凸輪、主凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，這些凸輪相互配合使腿按照一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)體的運(yùn)動(dòng)。聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xiii 行走機(jī)構(gòu)的研究 概述在行走機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，最重要的是行走機(jī)構(gòu)（腿）的設(shè)計(jì)。從仿生學(xué)的角度出發(fā)，我們將行走機(jī)構(gòu)稱為“腿” 。 腿機(jī)構(gòu)的基本要求從運(yùn)動(dòng)角度出發(fā)，在行走過(guò)程中，一般要求處于支撐狀態(tài)的足端（貼在地面的足端）相對(duì)于機(jī)身走直線軌跡，這樣才不至于因機(jī)身重心上下波動(dòng)而消耗不必要的能量，同時(shí)有利于各支撐足驅(qū)動(dòng)時(shí)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)和機(jī)身姿態(tài)的控制。從機(jī)器人整體的行走性能出發(fā)，一方面要求機(jī)體能走出直線運(yùn)動(dòng)或平面曲線軌跡（在嚴(yán)重崎嶇不平地面） ，另一方面要求能夠轉(zhuǎn)向。當(dāng)機(jī)體的運(yùn)動(dòng)由腿機(jī)構(gòu)之外的其他獨(dú)立的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)完成時(shí)，腿機(jī)構(gòu)可以是兩自由度的平面機(jī)構(gòu)。行走機(jī)器人的腿在行走過(guò)程中交替地支撐機(jī)體的重量，并在附中狀態(tài)下推進(jìn)機(jī)體向前運(yùn)動(dòng)，因此，腿機(jī)構(gòu)必須具備與整機(jī)重量相適應(yīng)的剛性和承載能力，只有這樣，在不至于患“軟骨病” 。在每一時(shí)刻，至少有三條腿著地，支撐著機(jī)體，即最多只有一條腿抬起，腳掌離地。 四足行走機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)的要求根據(jù)如前所述的腿機(jī)構(gòu)的基本要求以及四足動(dòng)物行走的特點(diǎn)，對(duì)四足行走機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)提出如下要求 ：]7[1. 腿的足端部相對(duì)于機(jī)體的運(yùn)動(dòng)軌跡形狀應(yīng)如“ ”。2. 為了不至于使機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，因機(jī)體上下顛簸而消耗不必要的能量，應(yīng)保證要求 1 中的直線段有一定的直線度。4. 對(duì)于要求 1 中曲線段，沒(méi)有形狀要求，但對(duì)其最高點(diǎn)有要求，即其高度決定了機(jī)器人在起伏不平的地面上的通過(guò)能力。6. 按要求 1～5 設(shè)計(jì)的機(jī)器人的四條腿的協(xié)調(diào)動(dòng)作順序應(yīng)遵循對(duì)角線原則，先后動(dòng)作的兩條腿的相位相差 π/2。聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xv 腿機(jī)構(gòu)的形式為了滿足 中所設(shè)計(jì)的要求 1~4，提出一種三自由度 2的的平面機(jī)構(gòu) ，]8[如圖 3—3 所示，來(lái)作為四足機(jī)器人的腿機(jī)構(gòu)。下面對(duì)應(yīng)的各參數(shù)：21O2OE——髖關(guān)節(jié)偏距； ——小腿長(zhǎng)；1h——大腿長(zhǎng)；2hS——步長(zhǎng)；——髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角；1?——步距角 ①；2 ②自由度的計(jì)算：低副 （轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副）提供兩個(gè)約束，高副 提供一個(gè)約束，自lp hp由度計(jì)算公式為 ；其中活動(dòng)構(gòu)件的數(shù)目為 n=4， (轉(zhuǎn)動(dòng)副 3 個(gè)，)2(31nF??? 4?l移動(dòng)副一個(gè)), ，故 F=3。圖 3—3 三自由度腿的平面機(jī)構(gòu)聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xvi——膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角；3?該機(jī)構(gòu)完成滿足()中所述要求的運(yùn)動(dòng)的機(jī)理如下：先令髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)不動(dòng),即 =0、 =0；只向右移動(dòng)移動(dòng)關(guān)節(jié) A ，則足端 C 沿著以 O2 為圓心，13?以(h1+h2)半徑的圓弧移動(dòng)，若關(guān)節(jié) A 勻速移動(dòng)，則 B C 與圖 32 中虛線軌跡的直線段的交點(diǎn)也勻速運(yùn)動(dòng)；再令髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，使足端 C 運(yùn)動(dòng)到上述的交點(diǎn)，這就滿足了（）中的要求 2～3；再令移動(dòng)關(guān)節(jié) A 向左快速移動(dòng)，移動(dòng)行程與向右移動(dòng)行程相等,但移動(dòng)時(shí)間為向右移動(dòng)時(shí)間的 1/3，并是足端 C 沿著圖 32 中虛線軌跡的曲線段運(yùn)動(dòng)，至此，滿足了()中所述的所有要求。對(duì)圖 33 所示的機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，可知只需知道 、 及 的函數(shù)，即可對(duì)足端 C 的空間位置1?23進(jìn)行控制， 、 及 的函數(shù)即為控制函數(shù) 。 按（）所述的所有要求，當(dāng)腿機(jī)構(gòu)處于支撐相時(shí)，腿機(jī)構(gòu)中各參數(shù)必須滿足某種嚴(yán)格的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系，而當(dāng)腿機(jī)構(gòu)處于懸空相時(shí)，腿機(jī)構(gòu)各參數(shù)沒(méi)有特殊的函數(shù)關(guān)系。求 、 及 的函數(shù)關(guān)系，是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)求逆解問(wèn)題 。聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xvii圖 34當(dāng)約束條件（1）確定時(shí)，求 、 的函數(shù)關(guān)系就相當(dāng)于平面二桿機(jī)器人1?3的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解問(wèn)題，二桿為 和 BC。運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解問(wèn)題本來(lái)極為cXY13復(fù)雜，但經(jīng)過(guò)上述化簡(jiǎn)后，在如圖 33(b)所示極坐標(biāo)系（ r, φ ）中利用解析幾何及平面幾何的知識(shí)，可得： 39。112OB???????22arcos/OBlhrlh?????? ………………………… (3)3????式（1）～（3）就是控制腿機(jī)構(gòu)在支撐相中運(yùn)動(dòng)所需的函數(shù)。本設(shè)1?23 1?23計(jì)中利用 PRO/E 中的草繪，測(cè)得 15 個(gè)點(diǎn)的 、 及 的值，如下表所示：1?23序號(hào) （ 186。 控制方式選擇由上一節(jié)可知：要控制行走機(jī)構(gòu)的行走過(guò)程，必須對(duì) 、 及 進(jìn)行1?23?控制。電氣控制即利用伺服電機(jī)作為執(zhí)行裝置，由控制器（如單片機(jī)）按照控制函數(shù)對(duì)應(yīng)的控制算法，產(chǎn)生控制信號(hào)。液壓控制即利用液壓缸或液壓馬達(dá)作為執(zhí)行裝置，由控制器（如單片機(jī)）按照控制函數(shù)對(duì)應(yīng)的控制算法，產(chǎn)生控制信號(hào)。純機(jī)械控制即利用一些機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、功率較大、柔性差。因此，本課題使用凸輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)這 12 個(gè)參數(shù)的控制。其中，步長(zhǎng) S 是正常行走時(shí)的尺寸，轉(zhuǎn)彎或遇到非常狀態(tài)時(shí)，步長(zhǎng)應(yīng)是可變的。 具體設(shè)計(jì) 如前述，使用凸輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn) 、 及 這 3 個(gè)參數(shù)的控制，因此設(shè)計(jì)的1?2重點(diǎn)就是凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。由公式（4）只能得到髖關(guān)節(jié)凸輪的理論輪廓曲線，實(shí)際輪廓曲線是以理論輪廓曲線上各點(diǎn)為圓心、以滾輪半徑為半徑的一族圓的內(nèi)包絡(luò)線。 的控制——主凸輪?主凸輪控制 的機(jī)理是將圖 33 中移動(dòng)關(guān)節(jié) A 沿 AO 1 移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律作為2凸輪從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，凸輪機(jī)構(gòu)如圖 38 所示：圖 38 主凸輪結(jié)構(gòu)原理圖如上節(jié)所述，移動(dòng)關(guān)節(jié) A 的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是沿 AO 1 勻速移動(dòng)，所以主凸輪的從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxii 23bs???其中： —— 從動(dòng)件位移；2S b —— 移動(dòng)關(guān)節(jié) A 的運(yùn)動(dòng)行程； —— 凸輪軸的轉(zhuǎn)角； η —— 為凸輪的轉(zhuǎn)向系數(shù)，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)向?yàn)轫槙r(shí)針時(shí) η=1，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r(shí)針時(shí) η=1。由微分幾何得知，以 為參數(shù)的曲線族的包絡(luò)線方程為：圖 39 主凸輪的輪廓圖 其中：f (X, Y, )=0 是曲線 族的方程，X、Y 是包絡(luò)線上的點(diǎn)的直角坐標(biāo)值。通過(guò)上面的理論分析，在 PRO/E 中建立模型并畫出髖關(guān)節(jié)凸輪的三維實(shí)體模型（通過(guò)實(shí)時(shí)渲染后的三維截圖） ，如圖 310 所示：圖 310 主凸輪三維實(shí)體圖 的控制——膝關(guān)節(jié)凸輪?膝關(guān)節(jié)凸輪控制 的機(jī)理如 311，根據(jù)幾何知識(shí)，膝凸輪從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)3律為： 1332Rrs??所以，凸輪輪廓線上的點(diǎn)的直角坐標(biāo)值（X, Y） ……………………（6）其中，支撐相中的 由公式（3）確定（） ，懸空相中的 表 31 確定? 3?聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxiv（） 。圖 311通過(guò)上面的理論分析，在 PRO/E 中建立模型并畫出髖關(guān)節(jié)凸輪的三維實(shí)體模型及其相關(guān)聯(lián)的零件圖，組裝成 ASM 文件圖 ，如圖 312 所示：]1[圖 312 齒輪齒條與凸輪配合的三維實(shí)體總裝圖 轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)如本章第一節(jié)總體設(shè)計(jì)所述，可利用脊柱機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)體的轉(zhuǎn)彎，脊柱機(jī)構(gòu)由脊骨、關(guān)節(jié)和腱構(gòu)成 ，如下圖：]7[聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxv圖 313 轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 控制函數(shù)(1) 脊柱彎曲控制函數(shù) ]6[假設(shè)脊柱有 n 節(jié)脊骨，由于受力情況相似，可認(rèn)為對(duì)于每節(jié)脊骨均有 θ i =θ ，則腱的伸縮量為： …………………………………………………(1)????12ta/2nhr??????其中，h1—內(nèi)側(cè)腱的伸縮量； h2—外側(cè)腱的伸縮量； r —腱到脊柱軸線的距離。脊骨多于 6 節(jié)，即 θ 5176。則內(nèi)側(cè)與外側(cè)步長(zhǎng)之比為: 12SRaB????………………………………………………(6)其中， S1為外側(cè)腳步長(zhǎng)；S2為內(nèi)側(cè)腳步長(zhǎng)。故， ………………………………………………(8)12aB????其中，聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxviiE1—外側(cè)腿髖關(guān)節(jié)偏距；E2—內(nèi)側(cè)腿髖關(guān)節(jié)偏距。由公式(9)可得： 0EBea???…………………………………(10)因?yàn)?； ??/1n????…………………………………(11) …………………………………(12)/aL其中，L—脊柱的長(zhǎng)度；n—脊柱的節(jié)數(shù)。如圖 315 所示：聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxviii圖 315 轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)總裝圖 控制方式由于 hh Δe 均正比于 β，用一部伺服電機(jī)即可實(shí)現(xiàn)這三個(gè)參數(shù)的控制。 腱機(jī)構(gòu)圖 316 腱機(jī)構(gòu)的原理圖如圖 316 所示，腱的工作原理為：腱的兩端的端套與機(jī)體連接，固定不動(dòng)；管套是根橡膠管，可任意彎曲；筋