【正文】 ...................................................................... 33 IV 四足機器狗虛擬樣機 模型的建立 ............................................................................. 34 建立虛擬樣機模型的步驟 ................................................................................ 34 本章小結 ................................................................................................................ 41 第六章 結論 ........................................................................................................................ 42 研究結果 ................................................................................................................ 42 展望 ....................................................................................................................... 43 參考文獻 ............................................................................................................................... 44 致謝 ...................................................................................................................................... 46 1 第一章 引言 機器人概述 機器人技術是近幾十年來迅速發(fā)展起來的一門高技術，它綜合了機械與精密機械、微電子與計算機、自動控制與驅動、傳感與信息處理以及人工智能等多種學科的最新研究成果，是典型的機電一體化技術，是目前科技發(fā)展最活躍的領域之一。在 ADAMS/View環(huán)境下，根據(jù)實際情況添加相應的約束、驅動和力。 3. 采用三維造型軟件 Solidworks 建立四足機器狗 的本體結構， 然后在保持模型質量、質心位置和轉動慣量等物理 信息和幾何信 息不變的條件下，對模型進行簡化，便于仿真。論文的主要內容包括： 1. 簡要分析了國內外四足機器人的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。I 小型四足機器人的機械設計與仿真 摘要 四足機器人有很強的環(huán)境適應性和運動靈活性，可廣泛運用于搶險救災、排雷、探險、娛樂、及軍事等領域，因此，對四足機器人的研究已經成為機器人研究領域的重要課題。本文 介紹了一種能實現(xiàn)前方探測 功能 的小型四足機器狗的機械設計與仿真過程。 2. 根據(jù)要實現(xiàn)的功能對機器狗 進行整體 機械 設計與關鍵部位的優(yōu)化。 4. 采用 Parasolid文件傳輸標準，利用 ADAMS的專業(yè)圖形接口模塊 ADAMS/Exchange，把在 SolidWorks 環(huán)境下建立的簡化后的模型導入 ADAMS/View 中。然后進行仿真，并將仿真過程保存在 AVI 格式的電影文件。經濟的發(fā)展與各行各業(yè)要求自動化程度的提高，推動著機器人技術的發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的機器人產品。機器人的研究與應用水平，是一個國家經濟實力和科技發(fā)展水平的反映，可以這么認為，一個國家如果不擁有一定數(shù)量和質量的機器人，就不具備國際競爭的工業(yè)基礎。 機器人發(fā)展概述 “機器人”體現(xiàn)了人類長期的一種愿望，即用一種具有擬人功能那樣的機器，來代替人去進行各種活動。在兩千多年前的東漢時代 ，張衡發(fā)明了指南車，在車輛運動過程中牧人的手總指向南方，這是世界上最早的移動式“機器人”的雛形。唐代有四川楊行廉制作的手會動且會走的木僧，還有江蘇馬待封制作的機器人梳妝臺和宴會勸酒名為“酒山”的服務機器人。 人類進入近代以后，隨著第一次、第二次產業(yè)革命 (17~19 世紀 )，各種機械裝置的發(fā)明和應用，特別是在機械計時裝置的發(fā) 展基礎上，日本、西歐等國家出現(xiàn)了不少精巧的“機器人”玩具或“機器人”工藝品，這些裝置大多由時鐘機構驅動，用凸輪和杠桿傳遞運動。它是一個電動機器人，裝有無線電發(fā)報機，可以回答一些問題，但該機器人不能走動。大批量生產的迫切需求 推動了自動化技術的進展，其結果之一便是 1952 年數(shù)控機床的誕生。另一方面，原子能實驗室的惡劣環(huán)境要求某些操作機械代替人處理放射性物質。 1954 年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專利。這就是所謂的示教再現(xiàn)機器人。 作為機器人產品最早的實用機型 (示教再現(xiàn) )是 1962 年美國 AMF 公司推出的“ VERSTRAN” ，和 UNIMAT10N 公司推出的“ UN1MATE“ 。 1965 年， MIT 的 Robots 演示了第一個具有視覺傳感器的、能識別與定位簡單積木的機器人系統(tǒng)。 1970 年在美國召開了第一屆國際工業(yè)機器人學術會 議。 1973 年，辛辛那提豪恩制造了第一臺由小型計算機控制的工業(yè)機器人，它是液壓驅動的，能提升的有效負載達 45 公斤。 隨后，工業(yè)機器人在日本得到了巨大發(fā)展，日本也因此而贏得了“機器人王國的美稱”。由于這些技術的發(fā)展，推動了機器人概念 的延伸。 這一概念不但指導了機器人技術的研究和應用，而且又賦予了機器人技術向深廣發(fā)展的巨大空間，水下機器人、空間機器人、空中機器人、地面機器人、微小型機器人等各種用途的機器人相繼問世，許多夢想成為了現(xiàn)實。當前與信息技術的交互和融合又產生了“軟件機器人”、“網絡機器人”的名稱，這也說明了人類在機器人方面所具 有的創(chuàng)新活力。車輪自其問世以來，一直是在堅硬平地上運動的最有效工具。但是在不平地面上行駛時，輪式車輛的能量大大增加，而在松軟地面或嚴重崎嶇不平的地形上，車輪的作用將嚴重喪失。履帶使車身載荷分布在一塊比較大的面積上，相當于一種為輪子鋪路的裝置，履帶由于可以產生較大的 推進力且不像輪子那樣容易陷入松軟地面，在工程上和軍事上均得到廣泛的應用。 輪式、履帶式對環(huán)境空間要求較高，因而其應用范圍受到一定的限制。步行是人和大多數(shù)高等動物共同采用的移動方式，對環(huán)境具有很強的適應性，既可以進入相對狹窄的空間，也可以跨越障礙、上下臺階、上下斜坡甚至在不平整地面上運動。據(jù)調查，地球上近一半的地面不能為傳統(tǒng)的輪式或履帶式到 4 達，而很多足式動物卻可以在這些地面上行走自如。 現(xiàn)有的步行機器人 (包括跳躍機 )的足數(shù)分別為一足、二足、三足、四足、六足、八足甚至更多。足的數(shù)目多時適合于重載和慢速運動 (如海底行業(yè)步行機 )，而二足或四足結構簡單且更靈活一些。 二十世紀六十年代，機器人技術的研究進入了以機械和液壓控制實現(xiàn)的發(fā)展階段。典型的是 1969 年，美國的通用電氣公司制造出一種機器馬，它的四條腿由 液壓伺服馬達系統(tǒng)驅動，安裝在腿和腳上的位置傳感器完成位置檢測功能，馬背的駕駛臺上可以坐一個人，進行操縱，當操縱員的手、腳動作時，就把動作傳到機器馬身上，不過力量大了好多倍，使馬的四條腿動作，它的行走速度比人快一倍，它的前足可以拿起200 多千克的重物。雖然整機操作比較費力，但實現(xiàn)了步行及爬越障礙的功能，被視為是現(xiàn)代步行機發(fā)展史上的一個里程碑。 隨著電子技術發(fā)展，計算機的出現(xiàn)，機器人技術進入了全面發(fā)展的階段。它前后腿分別組成對，向前邁進就像顛馳 。 在國內，中科院沈陽自動化研究所、清華大學、上海交通大學、哈爾濱工業(yè)大學、國防科技大學等單位和院校都先后開展了機器人技術的研究，并在多足步行機器人技術的發(fā)展上也取得了較大的成果，例如 :我國上海于 20 世紀 90年代制成四足步行千日年，它能在高低不平的地面行走，可上臺階、爬斜坡、越過障礙物。正如著名機器人學家 Angeles 教授所言 :“步行機器人的理論研究步伐要遠遠落后于其技術開發(fā)的步伐”。 6 第二章 四足機器狗的本體設計 概述 此處 設計的機器狗為四足的，采用四足八關節(jié)的結構，結構比較簡單， 主要實現(xiàn)前方探測功能，每只腳底均有一個 光電傳感器，能有效檢測腳底環(huán)境的變化。本文主要任務是對機器狗的機械結構進行設計優(yōu)化，并進行三維模型的建立及簡單仿真，對步態(tài)規(guī)劃及控制部分不作討論。 鋁合金型材基本上沒什么國標非標之說，但是國家 對建筑鋁型材有專門的行業(yè)規(guī)范，主要對型材的厚度、材質等做出要求 。但是像比較通用的系列，例如國標 50、 86 90，這些基本上都一樣 。 初定結構尺寸與質量 由于 機器狗 控制系統(tǒng)的部分尺寸大小在 120mm*90mm 左右 ，所以依據(jù)這個尺寸，可以先對每個零部件設置初始的尺寸 ，并且估算其質量 ，一共分為五部分組成。 舵機 目前市面上普通小舵機重量在 50g左右， 如圖所示， 所以 取 Md=50g。 9 圖 腿部結構圖 1 圖 腿部結構圖 2 腳部 腳部采用鋁合金型材，長為 40mm，寬為 12mm，厚度為 6mm估計重量為 MF=。此處為尺寸的初選與質量的估計，經優(yōu)化后尺寸可能會發(fā)生變化 。 單腿的扭矩計算 腿的動作有兩個狀態(tài)：站立與抬起。 當腿 站立 時， 1 關節(jié)處受扭明顯小于 2 關節(jié)處，所以只 需計算 2關節(jié)處的受扭，考慮其極限位置的情況即可，即 M2=F2*Lb=。 11 綜上，關節(jié)受到最大扭矩為 Mmax=。其工作原理是由接收機發(fā)出訊號給舵機，經由電路板上的 IC判斷轉動方向，再驅動無核心馬達開始轉動，透過減速齒輪將動力傳至擺臂， 同時由位置檢測器送回訊號，判斷是否已經到達定位。一般的伺服馬達是將細銅線纏繞在三極轉子上，當電流流經線圈時便會產生磁場，與轉子外圍的磁鐵產生排斥作用，進而產生轉動的作用力。 依照受扭矩較大處的來選擇舵機， 這里選擇 FUTUBA 的舵機，列出一些不同型號的舵機，如圖 所示， 選擇 FUTUBA S3002 的舵機，其規(guī)格見表 。采用舵機作為機器狗 的關節(jié)驅動 器，其單腿結構圖 見 圖 四足 機器狗 模型 13 圖 單腿結構 作為整個結構的重要部位，對其的優(yōu)化與結構穩(wěn)定性的驗證機器及其重要，如果腿部受力變形，將對之后研究的步態(tài)行走的穩(wěn)定性和準確性產生影響，所以對其的研究很重要 ，將在下一章詳細介紹 。 部位 大小（ mm） 跨度 49 寬度 25 上高度 L1=40 下高度 L2=45 兩邊厚度 1 中間厚度 2 表 圖 腿部三維模型簡圖 15 建立數(shù)學模 型 優(yōu)化設計追求的指標為腿部質量 Q最輕， Q 的計算式為 : Q(X)=Q(x1,x2) =ρ *V =(((2*L1+49)*25*1)+((2*L2+49)*25*1))**10E3 =(L1+L2)+ 式中 :設計變量 X = [ x 1 , x 2 ] T = [ L1 , L2 ] T。 但 L1 與 L2 受整體尺寸要求的影響，將上述要求約束整理后 得： A． 最大尺寸限制 L1+L2≤ 90 B. 最小尺寸限制 L1+L2≥ 70 C 腿上部長度限 制 L2≥ 35 據(jù)此 ,可寫出優(yōu)化設計的數(shù)學模型為 : min Q ( X) = *(L1+L2)+ X = [ x 1 , x 2 ]T = [ d , l ] T s. t 90L1L2≥ 0 L1+L270≥ 0 L2≥ 35 16 采用 MATLAB 軟件對優(yōu)化問題的分析 對軟件的了解和熟悉 由于第一次使用 MATLAB,所以對這款軟件進行了一定的了解和熟悉 ，圖 為matlab 的主