【正文】 ...................................................................22 算例 ........................................................................................................................................26 本章小結(jié) .............................................................................................................................28結(jié)論 .......................................................................................................................................................29致謝 .......................................................................................................................................................30參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................................31附 錄 ..................................................................................................................................................33附錄 1................................................................................................................................................33附錄 2................................................................................................................................................37基于手腳融合的多足步行機(jī)器人的運(yùn)動精度研究01 緒論 引言在自然界和人類社會中,存在一些人類無法到達(dá)的地方和可能危及人類生命的特殊場合,如行星表面、災(zāi)難發(fā)生礦井、防災(zāi)救援和反恐斗爭等,對這些危險環(huán)境進(jìn)行不斷地探索和研究,尋求一條解決問題的可行途徑成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展和人類社會進(jìn)步的需要。傳統(tǒng)的移動機(jī)器人主要包括履帶式、足式、輪式、混合式等多種運(yùn)動形式。相對于輪式、履帶式機(jī)器人而言，多足步行機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化、存在不確定性的環(huán)境內(nèi)移動雖具有較大的優(yōu)勢，但現(xiàn)有的多足步行機(jī)器人通常作為一種單純的移動平臺,或者配置特定的機(jī)械臂才能完成作業(yè)。鑒于此，為了拓展多足步行機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用,在世界范圍內(nèi)的科研人員對多足步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及所配工具開展了廣泛的研究，如日本東京工業(yè)大學(xué)開發(fā)了 TITANIX 型排雷四足步行機(jī)器人。 課題來源、目的及意義課題來源于國家自然科學(xué)基金（編號：50875246）：本文是分析多足步行機(jī)器人運(yùn)動時誤差產(chǎn)生的原因，建立誤差分析的模型，對誤差參數(shù)經(jīng)行分析。在崎嶇路面上,步行機(jī)器人優(yōu)于輪式或履帶式車輛。所以,這類機(jī)器人在軍事運(yùn)輸、海底探測、礦山開采、星球探測、殘疾人的輪椅、教育及娛樂等眾多行基于手腳融合的多足步行機(jī)器人的運(yùn)動精度研究1業(yè),有非常廣闊的應(yīng)用前景,多足步行機(jī)器人技術(shù)一直是國內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。目前，由于工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，針對其誤差的研究已經(jīng)受到了廣大學(xué)者的關(guān)注，而多足步行機(jī)器人尚未能像工業(yè)機(jī)器人那樣大規(guī)模的應(yīng)用,其基礎(chǔ)理論的研究比較滯后,關(guān)于其位姿誤差分析的研究自今很少涉及。因此，在多足步行機(jī)器人領(lǐng)域?qū)冗M(jìn)行研究是一項(xiàng)重要而富有實(shí)際意義的工作。該課題的研究將會促進(jìn)多足步行機(jī)器人向?qū)嵱没~進(jìn)。有據(jù)可查的是在 1893 年 Rygg 設(shè)計的機(jī)械馬，歷經(jīng)一個多世紀(jì)的發(fā)展，特別是隨著 20 世紀(jì)后期計算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、人工智能技術(shù)、生物工程的飛速發(fā)展，多足步行機(jī)器人的研究已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步。比較典型的是由 Mosher（美國）在 1968 年設(shè)計的“WalkingTruck”四足車[1]，如圖 11 所示。在 1976 年，日本的 Shiego Hirose 成功研制了世界上第一臺四足步行機(jī)器人KUMO，如圖 12 所示。1983 年由美國研制的 “ODEXI” 六足步行機(jī)器人，6 條腿沿圓周均布,且每條腿有3 個自由度,適于在狹小空間里運(yùn)動,還可以上下臺階。在 19861988 又研制了 Collie2[3]，如圖 l4 所示。該機(jī)器人裝有實(shí)時操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了 trot 和 pace 步態(tài)。在 19861988 又研制了 Collie2[3]，如圖 l4 所示。該機(jī)器人裝有實(shí)時操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了 trot 和 pace 步態(tài)。1990 年初由美國MIT AI Lab 完成的仿昆蟲有腿行走機(jī)器人 Attila,如圖 16 所示。 等研制的 TITAN 系列四足步行機(jī)器人歷經(jīng)了八代。1994 年研制了 TITANVII，其能夠躲避障礙和在陡峭和崎嶇的地方步行。圖 17 TITANVIII 圖 18 ScoutI加拿大 McGill 大學(xué)研制了四足機(jī)器人 ScoutI [6]，如圖 18 所示，機(jī)器人只有四個自由度，每條腿有一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。ScoutII [7]，如圖 19 所示，能完成奔跑和步行等運(yùn)動。該機(jī)器人可進(jìn)行地雷探測、森林采伐和拆除作業(yè)等。該機(jī)器人 4 條腿完全相同，每條腿之間由 3 個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)相連，另一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)連接軀干和腿部。西班牙開發(fā)的四足機(jī)器人 SIL04，如圖 111 所示。能在不平地面上行走，并能躲避障礙物。該機(jī)器人有 6 條腿, 且每條腿有 4 個自由度，具有用手搬運(yùn)物品及用腳移動或進(jìn)行作業(yè)的雙重機(jī)能，具有全方向移動的機(jī)能和全方位均等的作業(yè)空間，可懸吊于天花板進(jìn)行作業(yè)或在不平地面上移動。圖 19 ScoutII 圖 110 BISAM基于手腳融合的多足步行機(jī)器人的運(yùn)動精度研究5國內(nèi)從 20 世紀(jì) 80 年代末 90 年代初開始研究步行機(jī) [8]。1980 年,中國科學(xué)院研制成功了八足步行機(jī)器人。1990 年,中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制出了六足步行機(jī)器人 [10]。1991 年,上海交通大學(xué)研制了四足步行機(jī)器人 JTUWM 系列 [11]。2022 年,上海交通大學(xué)研制了微型六足仿生機(jī)器人 [12]。從目前國內(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平臺，很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的操作功能。2022 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。采用電機(jī)驅(qū)動，有 6 個 CCD 攝像機(jī)和 11 個傳感器。 近年來,對多足步行機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研究取得了一系列成果。1989 年,北京航空航天大學(xué)研究成功了四足步行機(jī)器人。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。2022 年,上海交通大學(xué)研制了微型雙三足步行機(jī)器人MDTWR。華中科技大學(xué)研制的 4+2 多足步行機(jī)器人 [14]。對有手腳融合功能的多足步行機(jī)器人的研究極少涉及。在很多應(yīng)用場合，多足步行機(jī)器人機(jī)身可作為作業(yè)平臺搭載儀器設(shè)備，因此其定位精度直接影響到機(jī)器人的工作質(zhì)量?；谑帜_融合的多足步行機(jī)器人的運(yùn)動精度研究6在國外，已有不少學(xué)者對機(jī)器人誤差建模進(jìn)行了研究。次年，他們又對機(jī)器人位置精度提出了機(jī)器人位姿誤差建模的矩陣法，在 DH 坐標(biāo)系中，采用兩個 33 旋轉(zhuǎn)變換矩陣和一個3 維平移列矢量作為相鄰構(gòu)件之間的轉(zhuǎn)換矩陣，并假設(shè)結(jié)構(gòu)參數(shù)已知，且不存在任何誤差，建立了機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置誤差表達(dá)式。Chihaur Wu 將機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動速度分析方法應(yīng)用到靜態(tài)誤差分析中來，導(dǎo)出了由于構(gòu)件結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差和關(guān)節(jié)運(yùn)動變量誤差引起的末端執(zhí)行器位置誤差變化規(guī)律。Timo 提出一種分析機(jī)器人精度的方法，根據(jù)輸入輸出方程微分推導(dǎo)求得輸出誤差與驅(qū)動誤差與尺寸誤差的關(guān)系方程。在國內(nèi)，關(guān)于并聯(lián)機(jī)器人的誤差理論已成為學(xué)者的研究熱點(diǎn) [1520]。汪勁松教授 [22]將 Stewart 平臺的各分支作為假想的單開鏈，利用串聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動學(xué) DH 方法，結(jié)合從運(yùn)動學(xué)方程微分得到的結(jié)論，推導(dǎo)出 Stewart 平臺并聯(lián)機(jī)器人終端運(yùn)動誤差和鉸鏈間隙誤差間的映射關(guān)系。利用蒙特卡洛技術(shù)模擬服從某種概率分布的原始誤差，抽樣計算機(jī)器人手部位姿誤差，然后在數(shù)值上完成了機(jī)器人在其可達(dá)工作空間內(nèi)的位姿誤差的各種概率分析。洪林 [24]從典型結(jié)構(gòu) Stewart 平臺出發(fā)，運(yùn)用并聯(lián)機(jī)器人輸入輸出微分關(guān)系，建立了機(jī)器人輸出位姿誤差正解的數(shù)學(xué)模型，全面分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)和位姿參數(shù)對輸出位姿誤差的影響問題，研究了不同參數(shù)下奇異位形和機(jī)器人位姿正負(fù)偏差最大值出現(xiàn)的位置，結(jié)合對位姿正負(fù)偏差最大值的控制，提出了結(jié)構(gòu)參數(shù)合理取值以有效避開誤差敏感區(qū)的可行方法。祃琳 [36]以 3－HSS 型并聯(lián)機(jī)床為對象，利用空間矢量鏈模型建立零部件制造誤差與動平臺位姿誤差的映射關(guān)系，當(dāng)給定零部件制造公差后，利用該模型即可預(yù)估出動平臺的位姿誤差。 本文研究內(nèi)容本文以四足步行機(jī)器人為研究對象，在討論其運(yùn)動學(xué)的基礎(chǔ)上，提出了誤差建模與分析的方法，位精度，運(yùn)動穩(wěn)定性和優(yōu)化多足步行機(jī)器人的設(shè)計具有重要意義。將該誤差值的負(fù)值作為驅(qū)動關(guān)節(jié)參數(shù)的補(bǔ)償量，按補(bǔ)償后的關(guān)節(jié)參數(shù)重新驅(qū)動多足步行機(jī)器人運(yùn)動該步態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：機(jī)器人機(jī)體軌跡的運(yùn)動精度顯著提高。(2) 簡述步行機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀及機(jī)器人誤差分析的研究現(xiàn)狀。計算手腳融合狀態(tài)下的正運(yùn)動學(xué)和逆運(yùn)動學(xué)的誤差，建立機(jī)器人誤差分析模型。(5) 將以前述的誤差分析為基礎(chǔ)，對由多種因素引起的機(jī)器人的綜合位姿誤差進(jìn)行探討，并對實(shí)例進(jìn)行實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了誤差分析方法的正確性基于手腳融合的多足步行機(jī)器人的運(yùn)動精度研究82 多足步行機(jī)器人的正運(yùn)動學(xué)分析和誤差分析 引言多足步行機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)計算是求解機(jī)器人的輸入變量與輸出構(gòu)件（機(jī)身平臺）之間的位置關(guān)系，是機(jī)器人運(yùn)動分析最基本的任務(wù)，也是機(jī)器人速度、加速度、受力分析、工作空間分析、誤差分析、動力分析等的基礎(chǔ)。由于多足步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)計算要比一般的移動機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)計算要復(fù)雜的多。類似于并聯(lián)機(jī)器人，多足步行機(jī)器人的正運(yùn)動求解比逆運(yùn)動學(xué)求解要復(fù)雜得多。并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析主要有數(shù)值法和解析法。本章將以四足步行機(jī)器人為研究對象介紹一種解析法求解多足步行機(jī)器人正運(yùn)動學(xué)的方法。MiniQuad 由機(jī)體和四條腿組成。每條腿通過一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與矩形平臺相連。圖 給出了 MiniQuad 的一般簡圖。每條腿由一個平面連桿機(jī)構(gòu)、一個旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和一只腳組成。?如圖 所示,每條腿上的活動關(guān)節(jié)通常都由直流電機(jī)驅(qū)動。當(dāng)一條腿與地面接觸時，該腿定義為站立腿，并假設(shè)該接觸點(diǎn)是不可動的。將腿與地面通過運(yùn)動學(xué)耦合，從而該機(jī)構(gòu)系統(tǒng)就相當(dāng)于一個并聯(lián)機(jī)械手。機(jī)器人步行時它的運(yùn)動機(jī)構(gòu)可以看作一個是由機(jī)器人機(jī)體（運(yùn)動平臺） 、地面（固定平臺）和三條站立腿構(gòu)成的并聯(lián)機(jī)械手和擺動腿組合而成。圖 四足機(jī)器人瞬時步行狀態(tài)其中 代表參考坐標(biāo)系，在這里我們選定自然坐標(biāo)系作為參考坐標(biāo)系， 代表固定o? c?在機(jī)器人機(jī)體上、原點(diǎn) 與機(jī)器人幾何中心重合的坐標(biāo)系，機(jī)器人矩形機(jī)體的兩邊尺寸為c基于手腳融合的多足步行機(jī)器人的運(yùn)動精度研究10和 。機(jī)器人的位姿精度取決于很多因素，其因素主要包括機(jī)器人零部件的加工制造誤差，機(jī)器人的安裝，傳動機(jī)構(gòu)的誤差，機(jī)器人連桿和關(guān)節(jié)的柔性及機(jī)器人工作環(huán)境等因素。所謂靜態(tài)因素是在機(jī)器人運(yùn)動過程中始終保持不變的因素，所謂動態(tài)因素是指在機(jī)器人運(yùn)動過程中隨時間變化的因素。由于制造及裝配的誤差使機(jī)器人腿關(guān)節(jié)的實(shí)際參數(shù)與其名義值之間產(chǎn)生偏差,從而引起機(jī)器人位姿誤差；。動態(tài)因素主要包括：由自重、外力、慣性力等引起的腿部連桿和關(guān)節(jié)的彈性變形及振動。機(jī)器人腿部連桿長度尺寸誤差可導(dǎo)致機(jī)器人平臺的位姿誤差。 為環(huán)境溫度所引1il? 2il?起的連桿的長度變化，對于長度為 的連桿，當(dāng)環(huán)境溫度變化量為 時，其引起連桿長il t度變化量為 21iiltla??式中 為連桿材料的熱延伸系數(shù)。（2）立足點(diǎn)位置誤差由于工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化，機(jī)器人立足點(diǎn)的位置會偏離預(yù)期的位置，立足點(diǎn)位置誤差（ ）也會造成機(jī)器人機(jī)體位姿誤差，還會對機(jī)器人的穩(wěn)定性造成影響。導(dǎo)致關(guān)i?節(jié)的運(yùn)動變量產(chǎn)生誤差的主要靜態(tài)因素有：；動誤差；。（4）機(jī)器人關(guān)節(jié)柔性誤差機(jī)器人的關(guān)節(jié)一般存在一定的柔性，在機(jī)器人自身重力、外力、及慣性力作用下，使機(jī)器人平臺產(chǎn)生位姿誤差。 為作用于FjXYZjejjej n機(jī)器器人腿上的外力矢量數(shù)目。（5）支撐腿連桿柔性誤差焦國太 [51]介紹了分析腿部連桿柔性所引起的機(jī)器人位姿誤差的結(jié)構(gòu)矩陣分析方法