【正文】 ............................................................ 55 參考文獻(xiàn) ................................................................. 56 致謝 ..................................................................... 58 附錄 1 ................................................................... 59 附錄 2 ................................................................... 60 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 6 第 1 章 緒 論 課題研究背景及意義 隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人正在逐漸代替人類完成人類的工作。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展水平已反映了一個(gè)國家的高新科技水平和工業(yè)自動化水平 [1]。 根據(jù)自然界生物的移動方式，目前機(jī)器人 研究中所采用的移動動方式，主要有足式、輪式、履帶式、飛行式等。輪式機(jī)器人運(yùn)動軌跡為連續(xù)曲線，對運(yùn)動的地面要求相對平坦；足式機(jī)器人運(yùn)動軌跡則是一些間斷的離散立足點(diǎn)，可以通過凹凸不平的地面，對復(fù)雜的地形有很強(qiáng)的適應(yīng)性；履帶式運(yùn)動性能則介于輪式與足式之間。足式機(jī)器人的這些獨(dú)特優(yōu)勢使得足式機(jī)器人的研究成為了機(jī)器人研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。四足機(jī)器人即能在不平地面以靜步態(tài)方式行走，又能以動步態(tài)方式實(shí)現(xiàn)高速行走，在探險(xiǎn)、軍事、搶險(xiǎn)救災(zāi)等方面都具有很好的應(yīng)用前景 [4]。以傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式不僅成本高、設(shè)計(jì)時(shí)間長、浪費(fèi)大量物資，而且不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生的問題 [5]。虛擬樣機(jī)技術(shù)可以在虛擬環(huán)境中模擬產(chǎn)品的形狀及使用環(huán)境下的性能狀態(tài)，快速分析多種設(shè)計(jì)方案，減少了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程的冗余復(fù)雜過程。從而提高研究效率，減少設(shè)計(jì)時(shí)間，降低研究成本。在四足機(jī)器人研究中，最早的研究記錄可追溯到中國三國時(shí)期 蜀漢丞相諸葛亮發(fā)明的運(yùn)輸工具木牛與流馬 ，及美國學(xué)者 Rygg 于 1893 年設(shè)計(jì)的機(jī)械馬 [6]。 國外研究現(xiàn)狀 從 1893 年 Rygg 設(shè)計(jì)機(jī)械馬至今，四足機(jī)器人的研究已經(jīng)過了一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展。從最初靜步態(tài)慢速行走到現(xiàn)在動步態(tài)高速行走，國外研究者制造了一大批四足機(jī)器人。 日本機(jī)器人研究一直在國際上處于領(lǐng)先地位。 1976 年，東京工業(yè)大學(xué)研制了第一代四足機(jī)器人 KUMOI[8]，如圖 所示。 TITANIII 機(jī)器人重 40Kg，腿長 40cm ，具有 12 個(gè)自由度，采用直流馬達(dá)驅(qū)動，并且具有電子調(diào)速與位置伺服的功能，采用新型直動型腿機(jī)構(gòu)，避免了爬樓梯時(shí)雙腿之間的干涉。 圖 KUMOI 圖 TITANVIII 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 8 繼 TITAN 系列四足機(jī)器人后，東京工業(yè)大學(xué)研制了可攀爬墻壁的忍者系列機(jī)器人。在忍者 I 的基礎(chǔ)，通過改進(jìn)腿部機(jī)構(gòu)得到了帶有 VM 吸盤的忍者 II 四足機(jī)器人，如圖 所示。該機(jī)器人參照仿生學(xué)，在脊柱模型中引入了被動柔性環(huán)節(jié)，通過運(yùn)用柔性關(guān)節(jié)周圍對稱并聯(lián)氣動肌肉來調(diào)節(jié)脊柱環(huán)節(jié)的剛度。 圖 忍者 I 圖 忍者 II 圖 帶啟動柔性脊柱四足機(jī)器人 1968 年，美國 Ralph Mosher 為軍方設(shè)計(jì)了一款經(jīng)典的四足機(jī)器人“ Walking Truck”[13]，如圖 所示。該機(jī)器人的一大特點(diǎn)是具有力反饋 作用。 Raibert 等人根據(jù)動物運(yùn)動過程，將四足機(jī)器人腿部簡化為 Spring Loaded Inverted Pendulum（彈簧倒立擺）模型 [14]，并設(shè)計(jì)了機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)動簡單算法。它的外形像一只龐大的獵犬，采用汽油動力驅(qū)動，體內(nèi) 裝有回轉(zhuǎn)儀，能夠背負(fù) 100 多 Kg 的負(fù)載，可以在森林、沙灘、土堆、瓦礫等復(fù)雜地形行走自如。 BigDog 以其強(qiáng)大的機(jī)動性能、大負(fù)載、自平衡能力，成為了世界上最具代表性的四足機(jī)器人之一。西班牙教育研究 院研發(fā)了四足機(jī)器人 SILO4[17]，該機(jī)器人能夠在非平坦路面上自由行走，并可以跨越高約 25cm 的障礙物，但移動速度慢，穩(wěn)定性差。 圖 BISAM 機(jī)器人 圖 SILO4 機(jī)器人 2020 年，麻省理工學(xué)院公布了能高速奔跑的“獵豹機(jī)器人”實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 11 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國四足機(jī)器人研究相對國外起步較晚，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國家對機(jī)器人技術(shù)的資金及人力投入，經(jīng)過幾十年地不懈努力取得了大量的研究成果。在研究者的不斷專研下，成功研制出一系列四足機(jī)器人樣機(jī)。該機(jī)器人重 ，總體尺寸為 400mm320mm300mm，如圖 所示，采用伺服電機(jī)驅(qū)動，每條腿具有 3 個(gè)自由度，在足端安裝有位置傳感器。胡昶等人利用形狀記憶合金新型材料作為執(zhí)行元件，通過控制通、斷電來控制四足機(jī)器人的運(yùn)動 [20]。在JTUWMII 機(jī)器人研究中，提出了使機(jī)器人實(shí)際控制的重心沿多折線行走的轉(zhuǎn)彎步態(tài)。該機(jī)器人每條腿具有 3 個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)通過電機(jī)驅(qū)動，并在足端安裝了 測力傳感器以實(shí)現(xiàn)反饋控制。 圖 上海交通大學(xué) JTUWMIII 機(jī)器人 哈爾濱工業(yè)大學(xué)在現(xiàn)有移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種輪足混合式機(jī)器人 HITHYBTOR[23]。它結(jié)合了輪式機(jī)器人高速運(yùn)動及足式機(jī)器人環(huán)境適應(yīng)性的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)動方式可根據(jù)外界環(huán)境的變化而變化。該機(jī)器人在關(guān)節(jié)腿外形基礎(chǔ)上結(jié)合了縮放式機(jī)構(gòu)運(yùn)動解耦的西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 13 優(yōu)點(diǎn)，充分利用了小腿的運(yùn)動空間，確保了腿－臂互換功能的實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人“ MiniQuad” [25]是華中科技大學(xué)研發(fā)的可以實(shí)現(xiàn)可容錯(cuò)及可重構(gòu)的另一款機(jī)器人。北京漢庫實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了四足爬行機(jī)器人 BIO12，該機(jī)器人選用高強(qiáng)度、剛性材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，采用靜步態(tài)方式，能夠?qū)崿F(xiàn)平地前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎。中科院合肥智能機(jī)械研究所研制了通過模糊控制和 CPG 控制器控制的四足機(jī)器人 TIM1，該機(jī)器人采用電機(jī)驅(qū)動，能夠?qū)崿F(xiàn)平 面上靜態(tài)行走。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要結(jié)合機(jī)器人各關(guān)節(jié)的受力分析及穩(wěn)定性等因素，計(jì)算機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)。 在 ADAMS 軟件中建立虛擬樣機(jī)時(shí)，為四足機(jī)器人運(yùn)動關(guān)節(jié)設(shè)置不同約束與驅(qū)動，但為了仿真設(shè)計(jì)簡便，驅(qū)動函數(shù)不能在 ADAMS 中直接定義， 而是在 ADMAS 中創(chuàng)建輸入變量，該量由 MATLAB 輸入控制。建立虛擬樣機(jī)參數(shù)等設(shè)置較復(fù)雜，且易于出錯(cuò)。根據(jù)四足機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的獨(dú)立運(yùn)動，需要為各個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動建立關(guān)節(jié)驅(qū)動函數(shù) Sfunction。 在 ADAMS 與 MATLAB 進(jìn)行聯(lián)合仿真時(shí)， MATLAB 需要調(diào)用 ADAMS 程序，兩個(gè) 軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如何避免出現(xiàn)聯(lián)合仿真失敗。并運(yùn)用 ADAMS 與 MATLAB 聯(lián)合仿真方法，對四足機(jī)器人的運(yùn)動性能進(jìn)行分析。 （ 2）分析四足機(jī)器人運(yùn)動步態(tài)及其穩(wěn)定性，規(guī)劃出機(jī)器人行走及轉(zhuǎn)彎步態(tài)，并利用 ADAMS 仿真軟件對規(guī)劃的步態(tài)進(jìn)行仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 15 （ 4）運(yùn)用 MATLAB/SIMULINK 軟件進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)行與 ADAMS 的聯(lián)合仿真，實(shí)現(xiàn)四足機(jī)器人行走與轉(zhuǎn)彎運(yùn)動，驗(yàn)證四足機(jī)器人設(shè)計(jì)的合理性。 任 務(wù)指標(biāo) 本文設(shè)計(jì)的四足機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)在一定負(fù)重條件下，平衡行走、轉(zhuǎn)向，滿足平路及走道行走要求。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 16 第二章 四足機(jī)器人步態(tài)研究及穩(wěn)定性分析 引言 步態(tài)是指步行體在運(yùn)動過程中各腿有規(guī)律的動作，是步行體各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動的協(xié)調(diào)方式。本章通過對四足機(jī)器人步態(tài)分析，分析各條腿的擺動規(guī)律，得出四足機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)動的步態(tài)。正常的步行必須完成支撐體重與擺動腿邁步這兩個(gè)過程。不同的擺動腿規(guī)律形成了不同的運(yùn)動方式，因而，步態(tài)研究是機(jī)器狗運(yùn)動研究的重要部分。靜態(tài)步態(tài)是指機(jī)器人在步行過程中始終滿足靜力學(xué)條件，即機(jī)器人重心始終落在支撐地面的幾條腿所圍成的多邊形內(nèi)；動態(tài)步態(tài)是機(jī)器人在行走過程中，重心有時(shí)會落在支持地面幾條腿所圍成的多邊形外的運(yùn)動步態(tài) [1]。 步態(tài)分析中常用步態(tài)描述的基本參數(shù)包括擺動相、支撐相、步長、步幅、步頻、步速、步行周期、步行時(shí)相， 其中擺動相與支撐相、步態(tài)周期和占地系數(shù)是步態(tài)分析中最常用的三大要素。 步態(tài)周期（ T） 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 17 在行走時(shí)，一條腿從著地到該條腿再次著地的過程被稱為一個(gè)步行周期，通常用時(shí)間秒（ s）表示。 步長（ ? ） 行走時(shí)，在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)機(jī)器人移動的距離稱為步長。 腿部的運(yùn)動范圍 指腿端部在受到其他部分約束下所到運(yùn)動的范圍。 根據(jù)占地系數(shù) ? 的大小可以將機(jī)器人步態(tài)分為靜步行和動步行 [3]。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 18 圖 靜步行流程圖 行走步態(tài)分析 在四足機(jī)器人研究中，比較常見的步態(tài)有如下幾種： 爬行步 態(tài)：四足機(jī)器人在移動過程中，始終有三條腿處于支撐狀態(tài)，其余一條腿處于擺動邁步狀態(tài)，并且每條腿按照先后順序依次進(jìn)行擺動邁步，在一步態(tài)周期內(nèi)每條腿擺動一次。爬行步態(tài)中三腿支撐，增加了運(yùn)動的穩(wěn)定性，所以在四足機(jī)器人研究中常常采用該步態(tài)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動。 后左前左身體調(diào)整后右前右三足著地四足著地身體調(diào)整循環(huán)西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 19 圖 四足機(jī)器人簡圖及各腿編號 各腿的編號如上圖所示，其中腿 LF 表示左側(cè)前腿，腿 LH 表示左側(cè)后腿，腿 RF表示右側(cè)前腿，腿 RH 表示右側(cè)后腿。爬行步態(tài)下的時(shí)序圖如下圖 所示。 圖 爬行步態(tài)時(shí)序圖 對角小跑步態(tài)：四足機(jī)器人處于某一斜對角線上的兩條腿依次擺動，接著另一斜對角線上的兩條腿擺動，如此循環(huán)運(yùn)動。自然界中，如狗、貓等中型哺乳動物，慢跑時(shí)常采用對角小跑步態(tài)。 對角小跑步態(tài)的時(shí)序圖如下圖 所示。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 20 圖 對角小跑步態(tài)時(shí)序圖 溜蹄步態(tài)：處于同側(cè)的兩腿處于相同的狀態(tài)，即同側(cè)腿都處于著地或騰空狀態(tài)，依靠一側(cè)的兩條腿來支撐體重。在自然界中，溜蹄步態(tài)日?？梢娪隈R的慢走過程中，馬在溜蹄步態(tài)下，同側(cè)腿同時(shí)擺動，其運(yùn)動過程如下圖 所示 [4]。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 21 圖 溜蹄步態(tài)時(shí)序圖 疾馳步態(tài)：處于肢體前側(cè)的兩腿（或后側(cè)兩腿）同時(shí)運(yùn)動，通常是兩條腿抬起，另兩條腿著地，前后腿交替進(jìn)行快速運(yùn)動。由于疾馳步態(tài)下最多有兩條腿處于支撐狀態(tài)，且兩條腿同為前腿或后腿。故在機(jī)器人研究中現(xiàn)階段還主要運(yùn)用速度較低的爬行步態(tài)與對角小跑步態(tài)。疾馳步態(tài)的運(yùn)動時(shí)序圖如下圖 所示。根據(jù)哺乳動物在轉(zhuǎn)彎時(shí)各腿之間的運(yùn)動規(guī)律，規(guī)劃機(jī)器狗的轉(zhuǎn)彎步態(tài)。機(jī)器 人 轉(zhuǎn)彎時(shí)的擺腿流程如下圖 所示。圖a 為機(jī)器 人 轉(zhuǎn)彎前各腿的初始狀態(tài)，圖 b 中左側(cè)前腿 LF 向左移動一步，圖 c 中左側(cè)后腿 LH 向右移動一步，圖 d 中右側(cè)后腿 RH 向右移動一步，圖 e 中右側(cè)前腿 RF 向左移動一步，至此一個(gè)轉(zhuǎn)彎周期完成，機(jī)器 人 向左轉(zhuǎn)動一定的角度，機(jī) 器人 各腿回到初始狀態(tài)如圖 f。 步態(tài)規(guī)劃 行走步態(tài)規(guī)劃 綜合上節(jié)常見的步態(tài)分析，充分考慮運(yùn)動的穩(wěn)定性，本文四足 機(jī)器人采用靜步行，在運(yùn)動過程中始終有三條腿處于支撐相，并采用爬行步態(tài)作為行走方式。 依次擺動左前腿 LF、右后腿 RH、右前腿 RF、左后腿 LH，完成一個(gè)運(yùn)動周期。 圖 四足機(jī)器人 擺腿流程圖 在圖 中， (a)圖為機(jī)器 人 站立初始狀態(tài)，（ b）圖為移動左側(cè)前腿狀態(tài)，（ c）圖為移動右側(cè)后腿狀態(tài)，左－右對角邁步完成，接著（ d）圖中右側(cè)前腿向移動，（ e）圖中左側(cè)后腿向前移動，完成右－左對角邁步，從而一個(gè)運(yùn)動周期完成，機(jī)器人回到初始站立狀態(tài)圖（ f）。四足機(jī)器人運(yùn)動過程中，處于靜步態(tài)則運(yùn)動絕對穩(wěn)定。靜步態(tài)重心位 置圖如下圖 所示。當(dāng)腿 LF 著地，另一條腿抬起，可能會出現(xiàn)重心超出處于支撐狀態(tài)三條腿圍成的三角形，此時(shí)，通過腿部運(yùn)動可以調(diào)節(jié)身體重心回到支撐腿圍成的三角形內(nèi)。 本章小結(jié) 本章 介紹了步態(tài)的基本概念， 分析了四足機(jī)器人的常用步態(tài)，并 根據(jù)本文要 求規(guī)劃了本課題四足機(jī)器人行走、轉(zhuǎn)彎步態(tài)。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 25 第三章 四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動學(xué)分析 引言 四足機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)對運(yùn)動性能有較大影響。最后根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果選擇零件材料、驅(qū)動電機(jī) ，并對特殊零件進(jìn)行強(qiáng)度校核 。 自然界中四足類哺乳動物每條腿有 5個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)有 1 至 3 個(gè)自由度 ，冗余的自由度使其運(yùn)動靈活、敏捷 [27]。 理論 分析可知 ， 腿部運(yùn)動 抬腿與邁步各 需要至少 一個(gè)運(yùn)動 關(guān)節(jié) 。 由式 3 1，可計(jì)算得單腿運(yùn)動自由度 2，式中： f 為自由度， n 為構(gòu)件數(shù)， 1p 、 2p 、3p 、 4p 、 5p 分別為一到五級副構(gòu)件個(gè)數(shù)，單腿兩個(gè)關(guān)節(jié)故 n 為 2， 每個(gè)關(guān)節(jié)一個(gè)轉(zhuǎn)動