六足行走運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著人類探索自然界步伐的不斷加速，各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)哂袕?fù)雜環(huán)境自主移動(dòng)能力機(jī)器人的需求，日趨廣泛而深入。理論上，足式機(jī)器人具有比輪式機(jī)器人更加卓越的應(yīng)對(duì)復(fù)雜地形的能力，因而被給予了巨大的關(guān)注，但到目前為止，由于自適應(yīng)步行控制算法匱乏等原因，足式移動(dòng)方式在許多實(shí)際應(yīng)用中還無法付諸實(shí)踐。另一方面，作為地球上最成功的運(yùn)動(dòng)生物，多足昆蟲則

2、以其復(fù)雜精妙的肢體結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)易靈巧的運(yùn)動(dòng)控制策略，輕易地穿越了各種復(fù)雜的自然地形，甚至能在光滑的表面上倒立行走。因此，將多足昆蟲的行為學(xué)研究成果，融入到步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制中，開發(fā)具有卓越移動(dòng)能力的六足仿生機(jī)器人，對(duì)于足式移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的研究與應(yīng)用具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>　　六足仿生機(jī)器人地形適應(yīng)能力強(qiáng)，具有冗余肢體，可以在失去若干肢體的情況下繼續(xù)執(zhí)行一定的工作，適合擔(dān)當(dāng)野外偵查、水下搜尋

3、以及太空探測(cè)等對(duì)自主性、可靠性要求比較高的工作。</p><p>　　關(guān)鍵詞：六足機(jī)器人，適應(yīng)能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the increasingly rapid step of human exploration of nature, the demand for

4、robots with autonomous mobility under complex environment has been getting broader and deeper in more and more application areas. Theoretically, legged robot offers more superior performance of dealing with complicated t

5、errain conditions than that provided by wheeled robot and therefore has been given great concern, however up to now, for the reason of absence of adaptive walk control algorithm, legged locomotion mea</p><p>

6、;　　Hexapod robots have strong abilities to adapt the terrain, and have redundancy in the legs, so they can go on carrying out jobs in the case of losing some legs. They are suit for tasks which have strict demands for in

7、dependency and reliability such as spying in the wild, searching underwater and exploring the outer space. </p><p>　　Key words: Hexapod robot, strong abilities，mechanical design</p><p><b>

8、;　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要 </b></p><p><b>　　Abstract </b></p><p><b>　　第一章 緒論 </b></p><p>　　1.1六足步行機(jī)器人的介紹及背景 …………………………………………

9、……………1</p><p>　　1.2六足步行機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀 …………………………………………………………1</p><p>　　1.3步行機(jī)器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 …………………………………………………………4</p><p>　　1.3.1國外研究現(xiàn)狀 ………………………………………………………………………4</p><p>　　1.3.

10、2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 ………………………………………………………………………7</p><p>　　1.4六足步行機(jī)器人的現(xiàn)階段的研究任務(wù) ………………………………………………8</p><p>　　第二章 六足機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.1多足機(jī)器人的機(jī)構(gòu)類型 …………………………………………………………… 10</p><p>　

11、　2.1.1單連桿式 ………………………………………………………………………… 10</p><p>　　2.1.2四連桿式（埃萬斯機(jī)構(gòu)）…………………………………………………………11</p><p>　　2.1.3縮放式 ……………………………………………………………………………11</p><p>　　2.1.4關(guān)節(jié)式 ………………………………………………

12、……………………………12</p><p>　　2.2多足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃 ………………………………………………………12</p><p>　　2.2.1三角步態(tài) …………………………………………………………………………12</p><p>　　2.2.2跟導(dǎo)步態(tài) …………………………………………………………………………13</p><

13、p>　　2.2.3交替步態(tài) …………………………………………………………………………13</p><p>　　2.3設(shè)計(jì)原理 ……………………………………………………………………………13</p><p>　　2.4六足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………………………………………………15</p><p>　　2.5舵機(jī)的選擇 ……………………………………

14、……………………………………17</p><p>　　2.5.1舵機(jī)概述 …………………………………………………………………………17</p><p>　　2.5.2舵機(jī)的選擇 ………………………………………………………………………17</p><p>　　2.6腿部機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析…………………………………………………………………18</p>&l

15、t;p>　　2.6.1 D－H坐標(biāo)系的建立 ………………………………………………………………18</p><p>　　2.6.2運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解 ………………………………………………………………………19</p><p>　　第三章 三維模型的建立</p><p>　　3.1六足機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)的建立 ……………………………………………………21</p&g

16、t;<p>　　3.2 Solidworks軟件介紹 ………………………………………………………………21</p><p>　　3.3總圖……………………………………………………………………………………22</p><p>　　3.4三維圖…………………………………………………………………………………23</p><p><b>　　第四章

17、 總結(jié)與展望</b></p><p>　　4.1總結(jié) …………………………………………………………………………………28</p><p>　　4.2展望 …………………………………………………………………………………28</p><p>　　參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………………………29</p><p&

18、gt;　　致 謝……………………………………………………………………………………30</p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　1.1 六足步行機(jī)器人的介紹及背景</p><p>　　目前，用于在人類不宜、不便或不能進(jìn)入的地域進(jìn)行獨(dú)立探測(cè)的機(jī)器人主要分兩種，一種是由輪子驅(qū)動(dòng)的輪行機(jī)器人，另一種是基于仿生學(xué)的步行機(jī)器人。輪行機(jī)

19、器人的不足之處在于對(duì)于未知的復(fù)雜自然地形，其適應(yīng)能力很差，而步行機(jī)器人可以在復(fù)雜的自然地形中較為容易的完成探測(cè)任務(wù)。因此多足步行機(jī)器人有廣闊的應(yīng)用前景，如軍事偵察、礦山開采、核能工業(yè)、星球探測(cè)、消防及營救、建筑業(yè)等領(lǐng)域。在步行機(jī)器人中，多足機(jī)器人是最容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走的。在眾多步行機(jī)器人中，模仿昆蟲以及其他節(jié)肢動(dòng)物們的肢體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)控制策略而創(chuàng)造出的六足機(jī)器人是極具代表性的一種。六足機(jī)器人與兩足和四足步行機(jī)器人相比，具有控制結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、

20、行走平穩(wěn)、肢體冗余等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使六足機(jī)器人更能勝任野外偵查、水下搜尋以及太空探測(cè)等對(duì)獨(dú)立性、可靠性要求比較高的工作。國內(nèi)外對(duì)六足機(jī)器人進(jìn)行了廣泛的研究，現(xiàn)在已有70多種六足機(jī)器人問世，由于六足仿生機(jī)器人多工作在非結(jié)構(gòu)化、不確定的環(huán)境內(nèi)，人們希望其控制系統(tǒng)更加靈活，并且具有更大的自主性。同時(shí)六足仿生機(jī)器人肢體較多，運(yùn)動(dòng)過程中需要實(shí)現(xiàn)各肢體之間的協(xié)調(diào)工作，如何方便可靠的實(shí)現(xiàn)這種協(xié)調(diào)，也是六足仿生機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究的</p>

21、<p>　　1.2 六足步行機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　早期的六足機(jī)器人：隨著美國宇航總署對(duì)外太空探測(cè)計(jì)劃的不斷深入，迫切需要一種可以在未知復(fù)雜星球表面執(zhí)行勘探任務(wù)的機(jī)器人。由于六足機(jī)器人的所具有的這方面優(yōu)點(diǎn)，使其早在上世紀(jì)八十年代就已被列入資助研究計(jì)劃。其研究成果包括八十年代末的Genghis和九十年代初的Attila和Hannibal。Genghis（如圖1–1左）是由irobot公司研

22、制于80年代，每條腿裝有兩個(gè)電機(jī)，使得它可以自由行動(dòng)，但是因?yàn)槊客戎挥袃蓚€(gè)自由度，行動(dòng)有些笨拙。采用遞歸控制結(jié)構(gòu)，可以使Genghis在復(fù)雜路面上行走，包括橫越陡峭的地勢(shì)，爬過高大的障礙，避免掉下懸崖。</p><p>　　圖1—1 Genghis和Attila</p><p>　　Attila（如圖1–1右）和Hannibal是由麻省理工學(xué)院的移動(dòng)式遙控機(jī)械裝置實(shí)驗(yàn)室于九十年代早期研制成

23、功。他們是該實(shí)驗(yàn)室最早用于自主行星探測(cè)的機(jī)器人。他們外形相同，只在顏色上有差異，都是Genghis的“后代”。它們?cè)谠O(shè)計(jì)上強(qiáng)調(diào)模塊化子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，各個(gè)部分（如頭部、腿部和身體）被當(dāng)作獨(dú)立的模塊來處理。它的設(shè)計(jì)重量和尺寸受系統(tǒng)復(fù)雜程度的制約，為了保證其在太空運(yùn)行的可靠性，采用了冗余設(shè)計(jì)：從機(jī)械角度看，六條腿行走時(shí)，一旦有某條腿失效，余下的腿仍然可以行走；從傳感器的角度看，這種冗余可以讓來自不同位置的傳感器將信號(hào)傳給主控制器，以更有效地分析地

24、形。當(dāng)有傳感器失效時(shí)，剩下傳感器仍可以讓機(jī)器正常運(yùn)行。</p><p>　　九十年代中期的六足機(jī)器人：對(duì)于跨海登陸作戰(zhàn)的部隊(duì)來說，淺灘地雷無疑是最危險(xiǎn)也最頭疼的登陸障礙，出于這點(diǎn)考慮，美國麻省理工大學(xué)和旗下的is-robot公司得到國防部高級(jí)研究計(jì)劃局的資助，研制了兩代淺灘探雷機(jī)器人Ariel。Ariel（如圖1–2左）由美國is-robots公司于1995年研制。身體配備多種傳感器，對(duì)周圍環(huán)境和自身狀況的感知非

25、常靈敏。并配備一套自適應(yīng)軟件，可對(duì)一些變化做出積極的反應(yīng)。它是可以完全翻轉(zhuǎn)的，如果海浪將它打翻，他還可以“底朝上”的繼續(xù)行走。Robot II（如圖1–2右）是由Case Western Reserve大學(xué),機(jī)械及航天工程學(xué)院的仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研制。它的控制器在場(chǎng)外的計(jì)算機(jī)中。步態(tài)控制器基于節(jié)肢動(dòng)物腿部協(xié)調(diào)工作的機(jī)理。通過改變一個(gè)簡(jiǎn)單的速度參數(shù)，步態(tài)可以從一個(gè)緩慢的波動(dòng)步態(tài)轉(zhuǎn)換到快速的三足步態(tài)。通過將仿昆蟲反射與步態(tài)控制器結(jié)合，它可以在

26、復(fù)雜的路面上行走。</p><p>　　圖1—2 Ariel和Robot II</p><p>　　近年完成的典型六足機(jī)器人：Scorpion（如圖1–3）是由美國波士頓東北大學(xué)海洋科學(xué)中心自主水下機(jī)器人研究小組和德國Fraunhofer自主智能系統(tǒng)研究所（AIS）共同完成于2001年。這項(xiàng)工程的目標(biāo)是運(yùn)用集成來自行為學(xué)實(shí)驗(yàn)和無脊椎動(dòng)物的神經(jīng)生物學(xué)數(shù)據(jù)的低級(jí)行為指令，通過高級(jí)的控制模式來組

27、成行為序列，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的行為。機(jī)器人的設(shè)計(jì)是根據(jù)來自多足節(jié)支動(dòng)物的解剖學(xué)數(shù)據(jù)。其采用機(jī)器人的行走控制基于兩個(gè)仿生控制元：中央模式生成元和基本運(yùn)動(dòng)的高級(jí)行為元。</p><p>　　圖1—3 Scorpion和Tarry</p><p>　　Tarry（如圖1-4）由德國杜伊斯堡大學(xué)機(jī)械工程部機(jī)械學(xué)院研制，項(xiàng)目始于1998年。它是在前一代六足機(jī)器人TUM的基礎(chǔ)上研制的。仍然采用Holk Cru

28、se教授的Walknet控制結(jié)構(gòu)，完善了更多的智能策略如加入腿部反射等，這使其行動(dòng)很靈活。</p><p>　　1.3步行機(jī)器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.3.1國外研究現(xiàn)狀</p><p>　　對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的專門研究始于60年代末期。斯坦福研究院(SRI)的Nils Nilssen和Charles Rosen等人在1966年至1972年中研制出了名為S

29、hakey的自主移動(dòng)機(jī)器人，用于應(yīng)用人工智能技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制的研究。與此同時(shí),最早的操作式步行機(jī)器人也研制成功,美國的Shigley和Baldwin都使用凸輪連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了機(jī)動(dòng)的步行車，但由于技術(shù)水平限制，所設(shè)計(jì)的步行機(jī)效率低而且對(duì)地面的適應(yīng)性也差，從而開始了機(jī)器人步行機(jī)構(gòu)方面的研究,以解決機(jī)器人在不規(guī)則環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)問題。這一階段比較典型的是美國的Mosher于1968年設(shè)計(jì)的四足車“Walking Tr

30、uck”，如圖1—4，步行車的四條腿由液壓伺服馬達(dá)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，安裝在駕駛員手臂和腳上的位置傳感器完成位置檢測(cè)功能。雖然整機(jī)操作比較費(fèi)力，但實(shí)現(xiàn)了步行及爬越障礙的功能，被視為是現(xiàn)代步行機(jī)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。但從步態(tài)規(guī)劃及控制的角度來說，這種要人跟隨操縱的步行機(jī)并沒有體現(xiàn)步行機(jī)器人的實(shí)質(zhì)性意義，只能算作是人操作的機(jī)械移動(dòng)裝置。</p><p>　　圖1—4 四足車Walking Truck</p>&l

31、t;p>　　隨著電子技術(shù)發(fā)展，計(jì)算機(jī)性能的提高，使多足步行機(jī)器人技術(shù)進(jìn)入了基于計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展階段。其中有代表性的研究為：1977年，Robert McGhee在俄亥俄州立大學(xué)研制的似昆蟲的六足機(jī)器人。其采用多種標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)行走、轉(zhuǎn)彎、側(cè)移及跨越較小的障礙物，計(jì)算機(jī)的任務(wù)為對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行計(jì)算以協(xié)調(diào)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)的18個(gè)電機(jī)，從而保證機(jī)器人的質(zhì)心落在支撐多邊形內(nèi)；為更好的適應(yīng)地形，在以后的發(fā)展中又為其增加了力傳感器和視覺傳感器。Hiros

32、e根據(jù)他研制機(jī)器蛇的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了采用三維縮放式腿部機(jī)構(gòu)并搭建了一個(gè)小型四足機(jī)器人；由于該機(jī)構(gòu)把驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)直接轉(zhuǎn)化為笛卡爾坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)，從而大大減輕了計(jì)算機(jī)的計(jì)算量，而且由于運(yùn)動(dòng)過程中驅(qū)動(dòng)只做正功，因此該機(jī)器人具有較高的效率。1985年，Robert McGhee研制了一臺(tái)更先進(jìn)的試驗(yàn)樣機(jī)——適應(yīng)性主動(dòng)隔振步行機(jī)(Adaptive Suspension Vehicle，簡(jiǎn)稱ASV,圖1—5)。ASV是監(jiān)控式步行機(jī)，它攜帶一名提供監(jiān)控級(jí)命令

33、的操作者，其中使用了與自治式動(dòng)作相同的那些機(jī)械技術(shù)和控制技術(shù)，但操作者不直接對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制，而是通過控制桿和鍵控盒輸入指令來控制機(jī)器人</p><p>　　圖1—5 Adaptive Suspension Vehicle 圖1—6 Odex1步行機(jī)器人</p><p>　　圖1—7 MIT腿部實(shí)驗(yàn)室的四足和雙足機(jī)器人 圖1—8 DANTE步行機(jī)

34、器人</p><p>　　由于新的材料的發(fā)現(xiàn)、智能控制技術(shù)的發(fā)展、對(duì)步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)高效建模方法的提出以及生物學(xué)知識(shí)的增長(zhǎng)促使了步行機(jī)器人向模仿生物的方向發(fā)展。2000年美國研制出六足仿生步行機(jī)器人Biobot（圖1—9）,采用氣動(dòng)人工肌肉的方式驅(qū)動(dòng),壓縮空氣由步行機(jī)上部的管子傳輸,并由氣動(dòng)作動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié),使用獨(dú)特的機(jī)構(gòu)來模仿肌肉的特性。與電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比,該作動(dòng)器能提供更大的力和更高的速度，使機(jī)器人像昆

35、蟲那樣在凸凹不平地面上仍能高速和靈活步行。2000～2003年，日本的木村浩等又研制成功四足步行機(jī)器人Tekken（圖1—10），其采用基于神經(jīng)振蕩子模型的CPG控制器和反射機(jī)制構(gòu)成的控制系統(tǒng)，其中CPG用于生成機(jī)體和四條腿的節(jié)律運(yùn)動(dòng)，而反射機(jī)制通過傳感器信號(hào)的反饋，來改變CPG的周期和相位輸出,Tekken具有中等不規(guī)則表面的自適應(yīng)步行能力。加拿大McGill大學(xué)的Martin Buehler本著“功能仿真”的目的，利用電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)

36、研制了Scout I、Scout II四足步行機(jī)器人和RHex六足機(jī)器人，如圖1—11所示，雖然這類機(jī)器人的每個(gè)腿中具有較少自由度但能實(shí)現(xiàn)行走、轉(zhuǎn)彎、側(cè)向行走和上下臺(tái)階等</p><p>　　圖1—9 Biobot六足機(jī)器蟲 圖1—10 Tekken四足機(jī)器人</p><p>　　圖1—11 Scout I、Scout II四足機(jī)器人和RHex六足

37、機(jī)器人</p><p>　　1.3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀</p><p>　　我國步行機(jī)器人的研究開始較晚，真正開始是在上世紀(jì)80年代初。1980年，中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所采用平行四邊形和凸輪機(jī)構(gòu)研制出一臺(tái)八足螃蟹式步行機(jī),主要用于海底探測(cè)作業(yè),并做了越障、爬坡和通過沼澤地的試驗(yàn)。1989年，北京航空航天大學(xué)孫漢旭博士進(jìn)行了四足步行機(jī)的研究，試制成功一臺(tái)四足步行機(jī)，并進(jìn)行了步行實(shí)驗(yàn)；錢

38、晉武博士對(duì)地、壁兩用六足步行機(jī)器人進(jìn)行了步態(tài)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的研究。1991年，上海交通大學(xué)馬培蓀等研制出JTUWM系列四足步行機(jī)器人，該機(jī)器人采用計(jì)算機(jī)模擬電路兩級(jí)分布式控制系統(tǒng),JTUWM-III以對(duì)角步態(tài)行走,腳底裝有PVDF測(cè)力傳感器，如圖1—12。2002年，上海交通大學(xué)的顏國正、徐小云等進(jìn)行微型六足仿生機(jī)器人的研究，如圖1—13所示，該步行機(jī)器人外形尺寸為：長(zhǎng)30 mm、寬40 mm、高20 mm，質(zhì)量?jī)H為6.3 g，步行速度為

39、3 mm/s。此外還有清華大學(xué)開發(fā)的DTWN框架式雙三足機(jī)器人，圖1—14所示；華中科技大學(xué)研制了“4+2”多足步行機(jī)器人和MiniQuad多足步行機(jī)器人，圖1—15所示，同時(shí)對(duì)多足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制，以及機(jī)器人的腿、臂功能融合和模</p><p>　　圖1—12 JTUWM四足步行機(jī)器人</p><p>　　圖1—13微型六足機(jī)器人</p><p>　　圖

40、1—14 DTWN整體結(jié)構(gòu)圖 圖1—15“4+2”多足步行機(jī)器人</p><p>　　1.4六足步行機(jī)器人的現(xiàn)階段的研究任務(wù)</p><p>　　步行機(jī)器人是涉及到生物科學(xué)、仿生工程學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、電學(xué)、控制學(xué)、傳感技術(shù)以及信息處理技術(shù)等多學(xué)科的一門綜合性高技術(shù)學(xué)科。到目前為止，盡管多足步行機(jī)器人技術(shù)有了很大的發(fā)展，國內(nèi)外研究開發(fā)了很多原理樣機(jī)或?qū)嶒?yàn)?zāi)Ｐ?，但制約

41、多足步行機(jī)器人技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)理論問題并沒有得到根本的解決?，F(xiàn)階段的主要研究任務(wù)為：</p><p>　　(1)步行機(jī)動(dòng)力學(xué)的研究。雖然現(xiàn)在對(duì)步行機(jī)的動(dòng)力學(xué)建模和計(jì)算問題已經(jīng)有了很大提高，提出了多種與機(jī)器人廣義坐標(biāo)和約束方程數(shù)目成線性關(guān)系的高效動(dòng)力學(xué)算法，但是把其用于對(duì)機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制仍不能得到理想的效果。</p><p>　　(2)機(jī)器人步態(tài)的研究。早期步行機(jī)一般采用規(guī)則步態(tài)，其優(yōu)點(diǎn)

42、是容易控制，但不適合復(fù)雜的地形。后來的提出的自由步態(tài)和規(guī)則步態(tài)具有相反的優(yōu)缺點(diǎn)。目前已經(jīng)提出了許多不同類型的步態(tài)，使步行機(jī)具有了多種運(yùn)動(dòng)的可能。但是如何選擇和組合步態(tài)以及在步態(tài)生成后，對(duì)步態(tài)的控制問題還沒有很好的解決，目前有兩種方法分別為基于逆運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆動(dòng)力學(xué)的控制。</p><p>　　(3)步行機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的研究。從步行機(jī)的研究開始首先就對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，目前多足步行機(jī)機(jī)體類型主要有：長(zhǎng)方形，圓形和框架式

43、。步行機(jī)的腿部機(jī)構(gòu)的研究是熱點(diǎn)問題，采用何種機(jī)構(gòu)能滿足產(chǎn)生機(jī)器人足部的理想的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)能通過簡(jiǎn)單的算法對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制的要求，促使研究者們不斷設(shè)計(jì)出新的腿部機(jī)構(gòu)，具有柔性的腿機(jī)構(gòu)是下一個(gè)研究焦點(diǎn)。</p><p>　　第二章 六足機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.1多足機(jī)器人的機(jī)構(gòu)類型</p><p>　　一般來說，腿的構(gòu)造形式可分為昆蟲類和哺乳動(dòng)物類

44、兩種不同形式。昆蟲類生物其腿的數(shù)目較多，一般在四足以上;其腿分布于身體的兩側(cè)，身體重心低，穩(wěn)定性好，且運(yùn)動(dòng)靈活，但過低的重心不利于昆蟲的越障能力;喃乳動(dòng)物的行走腿則通常為兩足或四足，且腿多分布于身體下方，重心高，便于快速奔跑和越障，但在轉(zhuǎn)向等需要靈活性的場(chǎng)合不如昆蟲類有優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　無論是昆蟲類亦或哺乳動(dòng)物類的腿的構(gòu)造方式，在機(jī)器人機(jī)構(gòu)中的具體實(shí)現(xiàn)形式上，一般有以下幾種方式:</p>

45、<p><b>　　2.1.1單連桿式</b></p><p>　　出于簡(jiǎn)易靈活、價(jià)格低廉的角度考慮，一些功能單一、以娛樂性為主機(jī)器人的六條腿采用單連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，并以較少的自由度實(shí)現(xiàn)了基本的步行功能，減少了執(zhí)行電機(jī)，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。目前市面上有很多諸如此類的爬蟲玩具，如圖2一1所示為常見的單桿式腿結(jié)構(gòu)的機(jī)器人。但是，過于簡(jiǎn)單的腿部結(jié)構(gòu)以及較少的自由度導(dǎo)致此類機(jī)器人難以完成復(fù)雜的動(dòng)作，實(shí)

46、用性較差。不過這類機(jī)器人也可以通過簡(jiǎn)單的控制完成倒退、轉(zhuǎn)彎等功能，只是無法實(shí)現(xiàn)精確定位。</p><p>　　圖2—1 單桿式腿結(jié)構(gòu)機(jī)器人</p><p>　　2.1.2四連桿式(埃萬斯機(jī)構(gòu))</p><p>　　該機(jī)構(gòu)有各種衍化形式，是可用連桿曲線軌跡作為足端軌跡的一種步行機(jī)構(gòu)，如圖2—2。以四桿機(jī)構(gòu)為腿部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則和目的都是為了盡可能保證足端運(yùn)動(dòng)軌跡的平整性

47、，達(dá)到使機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的目的。其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便、可通過改變桿長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)不同軌跡的行走。本論文將詳細(xì)的就連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)六足行走機(jī)器人展開討論。</p><p><b>　　2.1.3縮放式</b></p><p>　　早期的四足、六足步行機(jī)器人都用過此類步行機(jī)構(gòu)?？s放機(jī)構(gòu)由于在其運(yùn)動(dòng)主平面具有運(yùn)動(dòng)解藕性，易于控制，當(dāng)縮放比大時(shí)，能以較小本體實(shí)現(xiàn)較大的空間運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，被

48、廣泛應(yīng)用于多足步行機(jī)器人的腿部機(jī)構(gòu)?？s放式腿機(jī)構(gòu)具有比例性，可將驅(qū)動(dòng)器的推動(dòng)距離比例放大為足端運(yùn)動(dòng)距離。以中南大學(xué)設(shè)計(jì)過的一款液壓控制的采用縮放式腿機(jī)構(gòu)的六足機(jī)器人為例，其原理如圖2—3。其中AC//EO，EB//CF，當(dāng)E點(diǎn)固定時(shí)，A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)將以KI=FD/OC的比例傳到F點(diǎn);當(dāng)A點(diǎn)固定時(shí)，E點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)將以K=KI+1的比例傳到F點(diǎn)。因此可以用A點(diǎn)和E點(diǎn)的獨(dú)立控制來實(shí)現(xiàn)垂直方向與水平方向的分離驅(qū)動(dòng)。這就是該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)解藕性。該機(jī)構(gòu)有3個(gè)

49、自由度.即A點(diǎn)的沿Oy軸方向的移動(dòng)，E點(diǎn)的沿Ox軸方向的移動(dòng)以及整個(gè)機(jī)構(gòu)繞Oy軸的轉(zhuǎn)動(dòng)?？s放式步行機(jī)構(gòu)的剛性較大，傳動(dòng)誤差較小，腿部末端在機(jī)體下部的運(yùn)動(dòng)空間較大，在機(jī)體上部的運(yùn)動(dòng)空間較小，機(jī)構(gòu)存在死點(diǎn)。由于機(jī)構(gòu)至少需要兩個(gè)線性驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，使得機(jī)械結(jié)構(gòu)較大，質(zhì)量較重。</p><p>　　圖2—2 艾萬斯機(jī)構(gòu)形式簡(jiǎn)圖 圖2—3 縮放式機(jī)構(gòu)示意圖</p>&l

50、t;p><b>　　2.1.4關(guān)節(jié)式</b></p><p>　　由于多關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)具有活動(dòng)范圍大，靈活性好的優(yōu)點(diǎn)，所以為近幾年步行機(jī)器人采用。此外，開環(huán)關(guān)節(jié)式機(jī)構(gòu)的末端操作點(diǎn)無論是在機(jī)體的上部還是下部都有非常大的運(yùn)動(dòng)空間，且機(jī)構(gòu)不存在死點(diǎn)的情況，機(jī)構(gòu)比較簡(jiǎn)單;但是剛性較差，傳動(dòng)誤差大而且不易控制。如圖2—4。</p><p>　　圖2—4 關(guān)節(jié)式腿結(jié)構(gòu)機(jī)器人<

51、;/p><p>　　2.2多足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃</p><p>　　通俗地說，步態(tài)是行走系統(tǒng)抬腿和放腿的順序。從1899年Muybridge用連續(xù)攝影法研究動(dòng)物的行走開始，人們對(duì)步行行走機(jī)構(gòu)的步態(tài)進(jìn)行了大量的研究工作，尤其是近二三十年來，關(guān)于步態(tài)研究的重要成果不斷涌現(xiàn)。下面介紹的是目前應(yīng)用較廣的幾種多足機(jī)構(gòu)行走方式。</p><p><b>　　2.2.1

52、三角步態(tài)</b></p><p>　　三角步態(tài)也稱交替三角步態(tài)，是“六足綱”昆蟲最常使用的一種步態(tài)，也被譽(yù)為最快速有效的靜態(tài)穩(wěn)定步態(tài)。大部分六足機(jī)器人都是從仿生學(xué)的角度出發(fā)使用這一步態(tài)。昆蟲三角步態(tài)的移動(dòng)模式較簡(jiǎn)單，非常適合步行架構(gòu)的機(jī)器人的直線行走，行進(jìn)速度也比較快。本論文也采用這種步態(tài)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直線行走，該步態(tài)的具體方式將會(huì)在后文中具體給出。</p><p><b&

53、gt;　　2.2.2跟導(dǎo)步態(tài)</b></p><p>　　通常，三角步態(tài)的研究通常都局限在平坦地面，并且假設(shè)對(duì)于不平地面也是合理的。然而隨著1974年Sun首先提出了跟導(dǎo)步態(tài)的概念，并于1983年由Tsai成功地把這種步態(tài)應(yīng)用于俄亥俄州立大學(xué)的電動(dòng)六足機(jī)器人中，這些為跟導(dǎo)步態(tài)的研究和發(fā)展，為提高機(jī)器人在不平地面上的行走速度奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　對(duì)于六足機(jī)器人來說，跟

54、導(dǎo)步態(tài)的重點(diǎn)是選擇前兩足下一步的落點(diǎn)，而一對(duì)中足和一對(duì)后足的下一步落點(diǎn)由當(dāng)前前足和中足的立足點(diǎn)決定。跟導(dǎo)步態(tài)每次只需要選擇前兩足的立足點(diǎn)，因而具有控制簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性較好，越溝能力強(qiáng)等特點(diǎn)，所以特別適合多足步行機(jī)在不平地面行走時(shí)采用。</p><p><b>　　2.2.3交替步態(tài)</b></p><p>　　與跟導(dǎo)步態(tài)類似，為了充分發(fā)揮六足機(jī)器人相對(duì)于輪式機(jī)器人在復(fù)雜地

55、形的行走優(yōu)勢(shì)，交替步態(tài)成為新興的六足機(jī)器人研究的重點(diǎn)。這種單腿交替行走步態(tài)，也被稱為五角步態(tài)。</p><p>　　在交替步態(tài)中，各腿的運(yùn)動(dòng)可分為抬升和前進(jìn)兩個(gè)部分。當(dāng)某腿的相鄰各腿均已觸地時(shí)，該腿開始運(yùn)動(dòng)，并給其相鄰各腿發(fā)出信號(hào)。同樣，在該腿觸地時(shí)，也會(huì)給相鄰各腿發(fā)出觸地信號(hào)。這樣，一旦整個(gè)六足系統(tǒng)進(jìn)入行走狀態(tài)，這種順次的步態(tài)運(yùn)行狀態(tài)就可以一直維持下去。</p><p>　　由于各腿等待

56、其相鄰?fù)扔|地的時(shí)間取決于其相鄰?fù)鹊膭?dòng)作及其觸地位置，因而，對(duì)于崎嶇不平的地面而言，這種步態(tài)本身是不可預(yù)測(cè)的。然而，對(duì)于理想的平整地面而言，各腿的運(yùn)動(dòng)周期應(yīng)該是一致的，故而此時(shí)的交替步態(tài)實(shí)質(zhì)上等同于三角步態(tài)，這己在實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)。</p><p><b>　　2.3設(shè)計(jì)原理</b></p><p>　　六足仿生機(jī)器人采用六足昆蟲的行走步態(tài),步行時(shí)把6條足分為兩組,以一邊

57、的前足后足與另一邊的中足為一組,形成一個(gè)三角架支撐機(jī)體。因此在同一時(shí)間,只有一組的3條足起支撐作用,前足用爪固定物體后拉動(dòng)蟲體前進(jìn),中足用以支撐并舉起所屬一邊的身體,后足則推動(dòng)機(jī)體前進(jìn),同時(shí)使機(jī)體轉(zhuǎn)向。行走時(shí)機(jī)體向前,并稍向外轉(zhuǎn),3條足同時(shí)行動(dòng),然后再與另一組3條足交替進(jìn)行。直線行走時(shí)的步態(tài)如圖2—5所示。機(jī)器人開始運(yùn)動(dòng)時(shí)左側(cè)的2號(hào)腿和右側(cè)的4、6號(hào)腿抬起,準(zhǔn)備向前擺動(dòng),另外3條腿1、3、5處于支撐狀態(tài),支撐機(jī)器人本體確保機(jī)器人的原有重

58、心位置處于3條支撐腿所構(gòu)成的三角形內(nèi),使機(jī)器人處于穩(wěn)定狀態(tài)不至于摔倒,見圖2—5a，擺動(dòng)腿2、4、6向前跨步,見圖2—5b,支撐腿1、3、5一面支撐機(jī)器人本體,一面在小型直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)和皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體,使機(jī)器人機(jī)體向前運(yùn)動(dòng)一個(gè)半步長(zhǎng)S,見圖2—5c;在機(jī)器人機(jī)體移動(dòng)到位時(shí),擺動(dòng)腿2、4、6立即放下,呈支撐態(tài)。使機(jī)器人的重心位置處于2、4、6三條支撐腿所構(gòu)成的三角形穩(wěn)定區(qū)內(nèi),原來的支撐腿1、3、5已抬起并準(zhǔn)備向前跨步,見

59、圖2—5d擺動(dòng)腿1、3、5向前跨步,見圖2—5e,支</p><p>　　圖2—5　機(jī)器人步態(tài)示意圖</p><p>　　在機(jī)器人希望轉(zhuǎn)彎時(shí)其6支腳的運(yùn)動(dòng)順序與直行時(shí)基本相同,唯一的不同在于在期望轉(zhuǎn)向的那一側(cè)的3支腳運(yùn)動(dòng)方向完全逆向。例如當(dāng)希望機(jī)器人向左轉(zhuǎn)向時(shí),機(jī)器人右側(cè)3支腳運(yùn)動(dòng)狀態(tài)保持不變,左側(cè)3支腳的運(yùn)動(dòng)完全逆向,但是運(yùn)動(dòng)速度與運(yùn)動(dòng)相位差保持不變。值得注意的是這樣實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)向方式,是在

60、原地實(shí)現(xiàn)的,即當(dāng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向時(shí)機(jī)器人本身,不會(huì)出現(xiàn)平移。</p><p>　　2.4六足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　軀干縱向長(zhǎng)214mm，寬240mm，站立時(shí)高110mm。機(jī)器人每條腿有三個(gè)自由度，前兩個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線相互垂直，后兩個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線相互平行，分別由三個(gè)獨(dú)立的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)。后兩個(gè)自由度采用四連桿方式傳動(dòng)。為增加支撐的穩(wěn)定性，六個(gè)足端呈橢圓形分布。</p>

61、<p>　　圖2—6六足機(jī)器人機(jī)構(gòu)</p><p>　　對(duì)于每條腿，按照由軀干到足端的順序，三個(gè)自由度的傳動(dòng)方式如下：</p><p>　　第一個(gè)自由度，由舵機(jī)直接帶動(dòng)轉(zhuǎn)節(jié)前后擺動(dòng)，從而使整條腿前后擺動(dòng)。</p><p>　　第二個(gè)自由度，由舵機(jī)通過一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)A2B2C2D2，帶動(dòng)股節(jié)D2G上下擺動(dòng)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2–7 a)所示，對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2–

62、7 b)所示。</p><p>　　第三個(gè)自由度，由舵機(jī)通過四桿機(jī)構(gòu)A1B1C1D1和D1E1F1G，帶動(dòng)脛節(jié)GH上下擺動(dòng)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2–8 a)所示。對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2–8 b)所示。</p><p>　　機(jī)器人腿部完整的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2–9所示。三個(gè)自由度的原動(dòng)件分別為軸OO1、桿A2B2和桿A1B1，它們都是由舵機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。</p><p><b&g

63、t;　　圖2—7 股節(jié)機(jī)構(gòu)</b></p><p><b>　　圖2—8 脛節(jié)機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　圖2—9 腿部完整機(jī)構(gòu)</p><p>　　腿部機(jī)構(gòu)可以等效成三自由度的開式桿機(jī)構(gòu)，即圖OO1－D1－G－H，即圖2–9中實(shí)線部分所示。如果確定了此開式桿機(jī)構(gòu)的各關(guān)節(jié)角度，虛線部分機(jī)構(gòu)的各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角就可以通過求解四桿機(jī)構(gòu)得到

64、，從而舵機(jī)的轉(zhuǎn)角就確定了。</p><p><b>　　2.5舵機(jī)的選擇</b></p><p>　　2.5.1 舵機(jī)概述 </p><p>　　舵機(jī)主要是由外殼、電路板、核心馬達(dá)、齒輪與位置檢測(cè)器所構(gòu)成。其工作原理是由接收機(jī)發(fā)出訊號(hào)給舵機(jī)，經(jīng)由電路板上的 IC判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向，再驅(qū)動(dòng)無核心馬達(dá)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，透過減速齒輪將動(dòng)力傳至擺臂，同時(shí)由位置檢

65、測(cè)器送回訊號(hào)，判斷是否已經(jīng)到達(dá)定位。位置檢測(cè)器其實(shí)就是可變電阻，當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電阻值也會(huì)隨之改變，藉由檢測(cè)電阻值便可知轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。一般的伺服馬達(dá)是將細(xì)銅線纏繞在三極轉(zhuǎn)子上，當(dāng)電流流經(jīng)線圈時(shí)便會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，與轉(zhuǎn)子外圍的磁鐵產(chǎn)生排斥作用，進(jìn)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)的作用力。依據(jù)物理學(xué)原理，物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與質(zhì)量成正比，因此要轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量愈大的物體，所需的作用力也愈大。</p><p>　　2.5.2 舵機(jī)的選擇 </p>

66、<p>　　按照所需扭力來選擇相應(yīng)舵機(jī)，選擇FUTUBA系列的舵機(jī)。</p><p>　　圖2—10 S3101尺寸參數(shù)</p><p>　　2.6腿部機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析</p><p>　　2.6.1 D－H坐標(biāo)系的建立</p><p>　　對(duì)圖2–9中實(shí)線部分的機(jī)構(gòu)建立D-H坐標(biāo)系，如圖2–11所示。</p>

67、<p>　　圖2—11機(jī)器人腿部D-H坐標(biāo)系</p><p>　　足端坐標(biāo)系在軀干坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)變換就表示了足端在軀干坐標(biāo)系中的位置與姿態(tài)。根據(jù)圖2–5的坐標(biāo)系可以由、和得到如式所示齊次坐標(biāo)變換矩陣：</p><p>　　2.6.2運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解</p><p>　　在六足機(jī)器人足端與地面不發(fā)生滑動(dòng)摩擦的情況下，足端與地面的接觸點(diǎn)相當(dāng)于一個(gè)球鉸鏈，而對(duì)于每

68、條腿有3個(gè)自由度的多足機(jī)器人，當(dāng)與地面接觸的支撐腿大于等于3個(gè)時(shí)，其軀干具有完全的6個(gè)自由度（位置、姿態(tài)完全自由）。</p><p>　　當(dāng)足端的位置已知，并且軀干的位置與姿態(tài)都確定時(shí)，足端點(diǎn)在軀干坐標(biāo)系中的位置是已知量，假設(shè)其三個(gè)坐標(biāo)分別為、、，根據(jù)齊次坐標(biāo)變換矩陣的幾何意義可以得到以下方程組：</p><p>　　方程組中，分別表示的正、余弦函數(shù)。由此方程組可以解得各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角如下式

69、：</p><p><b>　　上述等式中， 。</b></p><p>　　考慮到機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，取值范圍為，取值范圍為，取值范圍為。根據(jù)求得的解析解，結(jié)合轉(zhuǎn)角的取值范圍，即可唯一確定的值，從而確定了圖2–11中實(shí)線部分機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角。進(jìn)而根據(jù)平面四桿機(jī)構(gòu)的計(jì)算可以得出各舵機(jī)的轉(zhuǎn)角值。這樣，對(duì)應(yīng)每個(gè)末端位置，其運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解是唯一的。</p><

70、;p><b>　　三維模型的建立</b></p><p>　　3.1 六足機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)的建立</p><p>　　為了快速準(zhǔn)確地建立六足機(jī)器人的模型，并方便日后的修改和計(jì)算，運(yùn)用三維實(shí)體造型軟件solidworks軟件，建立機(jī)器人各個(gè)部件的三維實(shí)體模型，并根據(jù)系統(tǒng)中各個(gè)部件的相對(duì)位置關(guān)系，組裝成裝配體。</p><p>　　3.2

71、 Solidworks軟件介紹</p><p>　　相比傳統(tǒng)的2D繪圖，三維實(shí)體造型不僅可以提供幾何拓?fù)湫畔?，而且可包含模型的材料、質(zhì)量、質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等物理信息，因此三維實(shí)體造型件己經(jīng)成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)師鐘愛的使用工具。目前市面上流行的三維實(shí)體造型軟件SolldworkS，Pro/e，UG，Ideas，它們都帶有功能相當(dāng)完善的實(shí)體建模模塊，可以快速準(zhǔn)確的完成復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)體建模。相比其它造型軟件，Solidwork

72、s價(jià)格低廉，易學(xué)易用，并且支持Iges，Parasolid，Step，Dxf，Dwf等數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，這樣保證了跟其它CAD/CAE軟件比如Ansys，ADAMS，Pro/e，Ideas等軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。</p><p>　　Solidworks是一套基于特征的參數(shù)化機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，它采用了大家所熟悉的Microsoft Windows圖形用戶界面。使用這套簡(jiǎn)單易學(xué)的工具，機(jī)械設(shè)計(jì)工程師能快速、方便地按照

73、其設(shè)計(jì)思想繪制出草圖及三維實(shí)體模型;在設(shè)計(jì)過程中，可應(yīng)用特征、尺寸及約束功能，準(zhǔn)確制作設(shè)計(jì)模型，并繪制出詳細(xì)的工程圖;根據(jù)各零件間的相互裝配關(guān)系，可快速實(shí)現(xiàn)零部件的裝配，完成總體設(shè)計(jì)任務(wù)。</p><p>　　Solidworks軟件功能強(qiáng)大，組件繁多。 Solidworks 功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks 的三大特點(diǎn)，使得SolidWorks 成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。Solid

74、Works 能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks 不僅提供如此強(qiáng)大的功能，同時(shí)對(duì)每個(gè)工程師和設(shè)計(jì)者來說，操作簡(jiǎn)單方便、易學(xué)易用。</p><p><b>　　3.3總圖</b></p><p><b>　　3—1 總體結(jié)構(gòu)圖</b></p><p>　　采用每條腿部3個(gè)舵機(jī)分別

75、控制抬腿動(dòng)作、左右移動(dòng)動(dòng)作、跨腿動(dòng)作。共采用18個(gè)舵機(jī)。因此共使用18個(gè)舵機(jī)控制整個(gè)六足行走機(jī)器人的全部運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然，由于采用三角步態(tài)運(yùn)動(dòng)，3個(gè)腿的運(yùn)動(dòng)相同，可以采用2個(gè)舵機(jī)控制6條腿的跨腿動(dòng)作，所以可以節(jié)省4個(gè)舵機(jī)。采用連桿機(jī)構(gòu)的好處是可以實(shí)現(xiàn)不同軌跡的行走，并在一定程度是增強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)的可靠性和穩(wěn)定性。</p><p><b>　　3.4三維圖</b></p><p>

76、　　3—2 FGH腿部機(jī)構(gòu)圖</p><p>　　底部采用半圓頭，適應(yīng)性強(qiáng)，較易地跨過比較大的障礙（如溝、坎等）。</p><p>　　3—3 股節(jié)裝配體圖</p><p>　　由舵機(jī)通過一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)A2B2C2D2，帶動(dòng)股節(jié)D2G上下擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)抬腿運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　3—4 脛節(jié)裝配體圖</p><p>　　

77、由舵機(jī)通過四桿機(jī)構(gòu)A1B1C1D1和D1E1F1G，帶動(dòng)脛節(jié)GH擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)左右搖擺運(yùn)動(dòng)。</p><p><b>　　3—5 單足組裝圖</b></p><p>　　第一個(gè)自由度，由舵機(jī)直接帶動(dòng)轉(zhuǎn)節(jié)前后擺動(dòng)，從而使整條腿前后擺動(dòng)。</p><p>　　第二個(gè)自由度，由舵機(jī)通過一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)A2B2C2D2，帶動(dòng)股節(jié)D2G上下擺動(dòng)，</p&g

78、t;<p>　　第三個(gè)自由度，由舵機(jī)通過四桿機(jī)構(gòu)A1B1C1D1和D1E1F1G，帶動(dòng)脛節(jié)GH擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)左右搖擺運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　機(jī)器人腿部完整的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2–9所示。三個(gè)自由度的原動(dòng)件分別為軸OO1、桿A2B2和桿A1B1，它們都是由舵機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。</p><p><b>　　3—6 舵機(jī)三維圖</b></p><p&g

79、t;　　由單片機(jī)控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)，然后再由舵機(jī)控制每個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)軌跡。</p><p><b>　　3—7 固定架圖</b></p><p>　　用于連接軀體和腿部，由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，因此多處需要焊接來實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　3—8軀體圖</b></p><p>　　用于連接腿部機(jī)構(gòu)，并安

80、裝單片機(jī)以實(shí)現(xiàn)六足行走機(jī)器人的智能化。</p><p><b>　　3—9 三維組裝圖</b></p><p><b>　　第四章 總結(jié)與展望</b></p><p><b>　　4.1總結(jié)</b></p><p>　　多足行走機(jī)器人，具有運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定好，適應(yīng)性強(qiáng)，控制方便的優(yōu)點(diǎn)。

81、它可以較易地跨過比較大的障礙（如溝、坎等），并且機(jī)器人足所具有的大量的自由度可以使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加靈活，對(duì)凹凸不平的地形的適應(yīng)能力更強(qiáng)；足式機(jī)器人的立足點(diǎn)是離散的，跟地面的接觸面積較小，因而可以在可達(dá)到的地面上選擇最優(yōu)支撐點(diǎn)，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴(yán)格選擇足的支撐點(diǎn)，也能夠行走自如。</p><p>　　在此次設(shè)計(jì)的過程中，培養(yǎng)了我的綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，分析和解決實(shí)際中所遇到問題的能力，并且能鞏固

82、和深化我所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，使我在調(diào)查研究和收集資料等方面的能力有了顯著的提高，同時(shí)在理解問題，分析問題、設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)和繪圖能力方面有較大的進(jìn)步。</p><p><b>　　4.2展望</b></p><p>　　步行機(jī)器人是一個(gè)新興的多學(xué)科交叉領(lǐng)域，對(duì)步行機(jī)器人的科學(xué)研究和應(yīng)用開發(fā)在世界上方興未艾，許多關(guān)鍵技術(shù)還有待解決和改進(jìn)，同時(shí)，許多新的理論和技術(shù)開始向步行機(jī)器人領(lǐng)域

83、滲透，大大擴(kuò)展了步行機(jī)器人領(lǐng)域的研究空間。步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)作為運(yùn)動(dòng)控制和其他功能的基礎(chǔ)必然在其以后的研究中起到越來越重要的作用。結(jié)合課題研究中的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為以下幾個(gè)方面需進(jìn)一步研究：</p><p>　　(1)動(dòng)力學(xué)分析理論方面，雖然已提出了許多高效的動(dòng)力學(xué)算法，但對(duì)系統(tǒng)包含閉環(huán)、需考慮連接桿件柔性的情況下所需計(jì)算量很大的情況下，仍達(dá)到實(shí)時(shí)控制的要求。</p><p>　　(2)步

84、行機(jī)的能量消耗方面，目前的步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)消耗的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于動(dòng)物做同樣的運(yùn)動(dòng)所消耗的能量，這就限制的步行機(jī)的應(yīng)用，造成這種情況的主要原因是為實(shí)現(xiàn)規(guī)劃的步態(tài)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中具有需要通過驅(qū)動(dòng)元件對(duì)關(guān)節(jié)做負(fù)功的情況，被動(dòng)步行機(jī)的研究已在這一方面取得了一定的成果。</p><p>　　(3)步行機(jī)機(jī)動(dòng)性、靈活性方面，目前的步行機(jī)器人還遠(yuǎn)未達(dá)到像動(dòng)物那樣的步行機(jī)動(dòng)性和靈活性,存在步行速度低,效率差等問題。進(jìn)一步深入研究功能

85、、控制和群體仿生,提高步行機(jī)器人的速度和靈活性,充分實(shí)現(xiàn)多足步行機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn),是今后研究步行機(jī)器人的重點(diǎn)之一。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　【1】雷靜桃，高峰，崔瑩.多足步行機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及展望[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2006（9）:1~3</p><p>　　【2】蔡自興.機(jī)器人學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社

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89、<p>　　【12】郭鴻勛，陳學(xué)東. 六足步行機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)[D].武漢：華中科技大學(xué).200804</p><p>　　【13】安麗橋，朱磊.六腳足式步行機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作[D].上海：上海交通大學(xué). 200602</p><p>　　【14】劉靜，趙曉光，譚民.腿式機(jī)器人的研究綜述[J].中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所復(fù)雜系統(tǒng)與智能科學(xué)實(shí)驗(yàn)室,北京　100080</p>

90、<p>　　【15】馬東興，王延華，岳林.新型四足機(jī)器人步態(tài)仿真與實(shí)現(xiàn)[J].南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京，210016.</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　畢業(yè)意味著一個(gè)人一個(gè)階段學(xué)習(xí)生涯的結(jié)束。在大學(xué)里，畢業(yè)論文是宣告這一事實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)。從大一到現(xiàn)在四年的學(xué)習(xí)四年的磨煉，在此刻沉淀成一篇畢業(yè)論文。</p>

91、<p>　　通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，不但使我將大學(xué)期間所學(xué)知識(shí)再次回顧學(xué)習(xí)，而且也使我學(xué)到了更多在課本上學(xué)不到的知識(shí)，xx老師言傳身教使我受益匪淺，終生難忘。從飛思卡爾到論文課題的研究到論文的撰寫，他都給予了大量的幫助和關(guān)心。一年半以來，導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的專業(yè)知識(shí)、靈活開放的思路寶貴的經(jīng)驗(yàn)以及忘我的工作精神對(duì)我產(chǎn)生了深刻的影響，這些影響將使我在以后的學(xué)習(xí)中受益匪淺。</p><p>　　非常感謝曾給予

92、我耐心指導(dǎo)和親切關(guān)懷的老師及幫助我的同學(xué)，正是由于他們的幫助和鼓勵(lì)才使我能夠在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中克服種種困難，最終順利完成設(shè)計(jì)。</p><p>　　在此，請(qǐng)?jiān)试S我再次向曾給予我多次幫助的xx老師表示最忠的敬意。再感謝大學(xué)四年的班主任田寶香老師給予我們班級(jí)無微不至的關(guān)懷，謝謝，謝謝，衷心的感謝各位老師！</p><p>　　最后我還要感謝我的家人和朋友在本科階段給我的物質(zhì)上的幫助和精神上的鼓勵(lì)