四足行走機(jī)構(gòu)說(shuō)明書(shū)

1、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)2014-2015第2學(xué)期姓名：何燕飛、鄭義、陳斌、周鵬、陳海云班級(jí)：機(jī)越一班指導(dǎo)教師：李軍方軼琉成績(jī)：日期：2015年6月4日仿生四足行走機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的研究摘要馬相對(duì)于其它四足哺乳動(dòng)物來(lái)說(shuō)，軀體較大，四肢骨骼堅(jiān)實(shí)有力，其運(yùn)行步態(tài)穩(wěn)健輕快，能在地面、坡地和凸凹不平的地表上自由靈活的快速行走，且可遠(yuǎn)距離行走。因此，本課題研究了馬在平地的步態(tài)運(yùn)動(dòng)方式，根據(jù)馬步態(tài)設(shè)計(jì)的仿馬四足行走機(jī)構(gòu)為解決：在凹凸不平的路況上搶險(xiǎn)救災(zāi)物資和裝備的運(yùn)輸問(wèn)題上將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。本課題以馬為研究對(duì)象，對(duì)具有障礙路況行走步態(tài)方式進(jìn)行了研究。馬型四足行走機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程是一組非線性方程，沒(méi)有通用的解法

2、，通常很難求得運(yùn)動(dòng)學(xué)方程解的解析表達(dá)式。采用幾何解法，把空間幾何問(wèn)題分解成若干個(gè)平面幾何問(wèn)題，這樣，不用建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，而直接應(yīng)用平面幾何的方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，給出各個(gè)關(guān)節(jié)角給定量的計(jì)算方法。本課題在分析總結(jié)了馬的生理特性、運(yùn)動(dòng)步法和步態(tài)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，從結(jié)構(gòu)仿生角度出發(fā)，研究了行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案、運(yùn)動(dòng)原理、運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，確定了仿馬四足行走機(jī)構(gòu)，并應(yīng)用CATIA軟件建立了單腿和整機(jī)的三維模型。關(guān)鍵詞：馬型四足行走機(jī)構(gòu)、腿部結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、三維建模ThebionicquadrupedwalkingrobotmechanismresearchABSTRACTComparingwithotherfo

3、urfeetmammals,Horseshavemanyadvantagesincludingthebiggerbody,thestrongerandthevibranterlimbbones,longdistancewalking,sothehorsescanwalkflexiblyonthebumpyground,theslopingfields,themountainsandthesteepcliffs.Therefore,themotionpatternofgoatsgaitontheupslopeanddownslopewereresearched.Accordingtothehor

4、segait,thebionichorseslopingwalkingmechanismwasdesignedinordertosolvetheslopingwalkingproblemsoftheagriculturalmachinery,whichwillhavefar-reachingeffectsonthedesignofthebionicmechanism.Horseswereusedasresearchobjectinthetopic,andtheslopingwalkinggaitstylewasstudied.Thekinematicsequationswithnonlinea

5、rcharacteristicofhorsetypefourlegswalkingrobothavenotbeenuniversalsolutions.Itisdifficulttoresolvingexpressofrobotkinematicsequations.Ageometricalmethodwhichspacegeometryproblemisturnedtosomeplanegeometryproblemisresearched.Sotrajectoryplanofmotioncanbemadedirectlybyplanegeometricalmethodandkinemati

6、csequationsneednotsetup.FurthermoremethodofcalculationForEachJoinTangleIsobtained.Computersimulationisresearchedforrobotkinematicssolutionsandinversesolutions.Feasibilityofthedesignmethodisverifiedbyvirtueofexperiment.KEYWORDS:Horsequadrupedwalkingmechanism,thestructureofthelegs,trajectoryplanning,t

7、hree-dimensionalmodeling目錄第1章61.1 設(shè)計(jì)的目的61.2 設(shè)計(jì)的意義61.3 設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到的技術(shù)要求71.4 簡(jiǎn)述本課題在國(guó)內(nèi)（外）發(fā)展概況及存在的問(wèn)題71.4.1 國(guó)外仿生四足機(jī)器人71.4.2 國(guó)內(nèi)仿生四足機(jī)器人81.5 本設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想91.6 闡述本設(shè)計(jì)應(yīng)解決的主要問(wèn)題91.7 本設(shè)計(jì)采用的研究（計(jì)算）手段方式方法101.8 本設(shè)計(jì)的技術(shù)路線：11第2章122.1 設(shè)計(jì)方案論證122.1.1 行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理122.1.2 方案設(shè)計(jì)122.2 機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新點(diǎn)162.3 四足行走機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性分析172.4 靜態(tài)穩(wěn)定性172.4.1 靜態(tài)穩(wěn)定性白一般描述172.4

8、.2 重心偏移對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定性的影響172.5 四足機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃182.5.1 步態(tài)的概念182.5.2 步態(tài)規(guī)劃及時(shí)序分析192.5.3 步態(tài)的穩(wěn)定性分析202.5.4 步態(tài)的選擇212.6 理論計(jì)算212.6.1 動(dòng)力學(xué)分析212.6.2 足端軌跡分析221.6.3.水平電機(jī)和豎直電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程的設(shè)計(jì)23第3章結(jié)論及展望253.1 主要結(jié)論253.2 未來(lái)展望25謝辭：263.3 獻(xiàn)26第1章1.1 設(shè)計(jì)的目的隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，仿生學(xué)與其他學(xué)科相互滲入，科學(xué)家對(duì)各類(lèi)生物體的研究也越來(lái)越重視。隨著自然環(huán)境的變遷，自然界中的動(dòng)物不斷演化，形成了動(dòng)物體各自獨(dú)特的生理結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式。通過(guò)對(duì)各種動(dòng)物

9、整體結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和控制方式的研究，仿制出各種類(lèi)似動(dòng)物運(yùn)動(dòng)方式的行走機(jī)構(gòu)。但仿制的機(jī)構(gòu)與生物體實(shí)際功能存在一定差距，且研究范圍狹窄。如今，隨著研究的不斷深入，尤其對(duì)陸地行走動(dòng)物進(jìn)行了全面的研究，包括：局部模仿、整體生理結(jié)構(gòu)和控制機(jī)能的研究，均取得了優(yōu)異的效果。具有驅(qū)動(dòng)輪的輪式交通工具對(duì)路面狀況的依賴(lài)性較大，在前進(jìn)中遇到有障礙的路面或者坡地時(shí)則難以通行；但是具有四足的哺乳動(dòng)物，諸如牛、馬、羊則通過(guò)驅(qū)動(dòng)腿部來(lái)帶動(dòng)物體輕而易舉地前進(jìn)，而且對(duì)路況沒(méi)有太多的限制，可以適用于各種搶險(xiǎn)救災(zāi)的不平整路況的物資和裝備運(yùn)輸。并且，這些年各國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人對(duì)環(huán)保工作也非常重視,而各類(lèi)輪式交通工具所導(dǎo)致的廢氣排放和交通事故等問(wèn)題

10、卻嚴(yán)重影響到人類(lèi)的生存。因此，具有獨(dú)特跨越障礙能力的足腿式仿生機(jī)構(gòu)既環(huán)保又安全，越來(lái)越受到人們的重視，具有非常大的市場(chǎng)前景，將成為未來(lái)主要的物資運(yùn)輸交通工具。1.2 設(shè)計(jì)的意義仿生地面行走機(jī)構(gòu)是根據(jù)仿生學(xué)原理，結(jié)合先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，光電技術(shù)及智能控制技術(shù)，通過(guò)機(jī)械的方式模仿動(dòng)物行走的特種機(jī)器人。從機(jī)器人的角度來(lái)看，仿生機(jī)器人是機(jī)器人發(fā)展的最高階段；從仿生學(xué)的角度來(lái)看，仿生機(jī)器人是機(jī)械學(xué)、仿生學(xué)等學(xué)科技術(shù)的完美綜合與全面應(yīng)用1。仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性十分復(fù)雜，在軍事運(yùn)輸及探測(cè)、醫(yī)療康復(fù)、星球探測(cè)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、森林采伐、教育及娛樂(lè)等行業(yè)具有非常大潛在的應(yīng)用前景2。步行式行走機(jī)構(gòu)是模仿行走動(dòng)物

11、運(yùn)動(dòng)方式的一類(lèi)機(jī)器人，與動(dòng)物的生理結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式類(lèi)似，它是支撐足離散地接觸地面，自主選擇最佳落足點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)軌跡是一系列孤立的點(diǎn)；具有主動(dòng)隔振能力，能以較高速度在凸凹不平地面和松軟地面上運(yùn)動(dòng)，能耗較?。豢梢赃M(jìn)行跨越運(yùn)動(dòng)，受環(huán)境限制較小。步行式行走機(jī)構(gòu)與上述各種運(yùn)動(dòng)方式相比，應(yīng)用前景更為廣闊。很多步行式動(dòng)物較之其它地面運(yùn)動(dòng)形式有著獨(dú)特的越性能，可在地球上近一半的地面行走自如3o1.3 設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到的技術(shù)要求國(guó)內(nèi)外四足步行行走機(jī)構(gòu)有靜態(tài)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定兩種步行方式。靜態(tài)穩(wěn)定步行方式可實(shí)現(xiàn)行走機(jī)構(gòu)穩(wěn)定行走于崎嶇不平的復(fù)雜地形上，實(shí)現(xiàn)跨越障礙地行走；動(dòng)態(tài)穩(wěn)定步行方式使行走機(jī)構(gòu)在任意時(shí)刻以不足于三條支撐腿高速行

12、走，且能實(shí)現(xiàn)任意方向行走和原地轉(zhuǎn)彎。具有四足的哺乳動(dòng)物最普通的運(yùn)動(dòng)行為是能夠以較高的速度跨過(guò)凸凹不平的地面，并突然啟動(dòng)或者停止。技術(shù)要求：1 .中心要求是能夠平穩(wěn)行走，具體能夠在凹凸不平的路況下穩(wěn)健行走。2 .根據(jù)四足生物的步態(tài)設(shè)計(jì)四足機(jī)器人的四足行走機(jī)構(gòu)的步態(tài)。3 .具有一定的承載能力，在本小組的設(shè)計(jì)中，該四足機(jī)構(gòu)可以承受大約60kg的重量4.較為容易控制，行走步態(tài)穩(wěn)定簡(jiǎn)單。1.4 簡(jiǎn)述本課題在國(guó)內(nèi)（外）發(fā)展概況及存在的問(wèn)題1.4.1 國(guó)外仿生四足機(jī)器人1968年美國(guó)Mosher研發(fā)的“WalkingTruck”四足步行機(jī)（圖1-1）主要通過(guò)液壓伺服馬達(dá)系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)四條腿動(dòng)作，其行走速度比人快

13、一倍，前足能提起200多千克的重物，具有步行及翻越障礙的能力。步態(tài)控制沒(méi)能得到實(shí)質(zhì)性的體現(xiàn)，只能靠人操作來(lái)移動(dòng)機(jī)械裝置。圖1-1四足步行機(jī)圖1-2KUNO-I機(jī)器人1976年，日本東京工業(yè)大學(xué)廣獺茂男研發(fā)的四足機(jī)器人一KUMO-I四足機(jī)器人（圖1-2）,它有點(diǎn)像一只蜘蛛，但僅有四條腿，從機(jī)械工程角度考慮，腿量越少，機(jī)構(gòu)越簡(jiǎn)單，控制越容易；從靜態(tài)行走方面考慮，至少需要三條腿才能保證形成穩(wěn)定的支撐區(qū)域，故采用四足方式。2005年，波士頓動(dòng)力學(xué)工程公司（BoronDynamics）開(kāi)發(fā)了BigDog四足機(jī)器人（圖1-3）,它通過(guò)汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓系統(tǒng)帶動(dòng)關(guān)節(jié)的四肢運(yùn)動(dòng)，可以攀越35o的斜坡，并能夠?yàn)槭?/p>

14、兵運(yùn)送彈藥、食物和其他物品，適應(yīng)環(huán)境能力非常強(qiáng)。1999年，日本SONY公司推出的AIBO機(jī)器狗（圖1-4），具有18個(gè)自由度，模擬實(shí)現(xiàn)了真狗的各類(lèi)動(dòng)作，不同時(shí)期能表現(xiàn)出不同行為。圖1-3Bigdog四足機(jī)器人圖1-4Warp1四足機(jī)器人1.4.2 國(guó)內(nèi)仿生四足機(jī)器人我國(guó)研究腿式機(jī)器人起步較晚，與發(fā)達(dá)國(guó)家存在著很大差距。自1985年起，國(guó)家開(kāi)始逐步加大了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的投入，并取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，一些學(xué)校與研究機(jī)構(gòu)先后對(duì)機(jī)器人方面展開(kāi)了研究，并對(duì)多足步行機(jī)器人的基礎(chǔ)研究取得了顯著的成果。1990年，清華大學(xué)于研制的QW-I全方位四足步行機(jī)器人（圖1-5）,其體形小巧，采用平面四桿縮放機(jī)構(gòu)作為步行機(jī)構(gòu)

15、，足端安裝壓力傳感器，每條腿有3個(gè)自由度，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了基本四足步態(tài)、多足基本步態(tài)、全方位步行運(yùn)動(dòng)，適應(yīng)地表能力強(qiáng)17。華中科技大學(xué)于2004年自主開(kāi)發(fā)了“4+2”多足步行機(jī)器人（圖1-6）,該機(jī)器人的主要特征是具有腿臂融合的開(kāi)鏈?zhǔn)綑C(jī)構(gòu)。所謂“4+2”是指該機(jī)器人最多可用六條腿在復(fù)雜步行區(qū)域內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)步行走，而在工作區(qū)域則可將兩條腿變形為工作臂的四足機(jī)器人。該步行機(jī)構(gòu)不僅具有非常優(yōu)秀的步行移動(dòng)功能，更可以借助機(jī)械手臂等末端執(zhí)行工具完成指定的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)其多功能性。圖1-5QW-I型四足機(jī)器人圖1-6“4+2”多足步行機(jī)器人151.5 本設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想根據(jù)馬的平地運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)仿馬四足行走機(jī)構(gòu)的設(shè)

16、計(jì)應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：1 .仿馬四足行走機(jī)構(gòu)的步行足著地時(shí)，能夠支撐整體的重量，足與地面間的摩擦力所產(chǎn)生的反作用力能驅(qū)動(dòng)機(jī)箱與承載貨物的重心前移。2 .在行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，步行足應(yīng)具備“蹬地一抬起一邁步一著地”的動(dòng)作。3 .為保證行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，步行足的著地時(shí)間要多于懸空時(shí)間，四腿的步態(tài)符合仿生的穩(wěn)定行走步態(tài)，且遵循“大步低、小步高”的原則。4 .各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件之間采用圓柱面較接連接，低副校接促使單腿的自由度為1,增加哦機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。5,確保行走機(jī)構(gòu)能勻速平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)而不翻到，且整機(jī)能平衡的停止。由于足與地面之間的是間歇性的面接觸，故振動(dòng)與平衡成為行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的問(wèn)題。行走機(jī)構(gòu)在靜

17、止和運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，保證整體質(zhì)心的投影與步行足符合穩(wěn)定性的條件。6 .設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)必須保證運(yùn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)箱和貨物的重心在同一的水平線上，以達(dá)到貨物在運(yùn)輸過(guò)程中的平穩(wěn)性。1.6 闡述本設(shè)計(jì)應(yīng)解決的主要問(wèn)題一、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)：運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)是指在足端的運(yùn)動(dòng)軌跡確定的情況下，反推腿的各部分構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而得到兩個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程，四條腿中一條腿的運(yùn)動(dòng)軌跡確定，其余三條腿的運(yùn)動(dòng)軌跡就是周期性問(wèn)題符合步態(tài)的軌跡。二、機(jī)構(gòu)的各部分尺寸設(shè)計(jì)：根據(jù)實(shí)際的要求設(shè)計(jì)基本的機(jī)器人四足行走機(jī)構(gòu)的基本尺寸，在與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)相結(jié)合，修改相應(yīng)的尺寸參數(shù)。三、機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性：首先是四足行走機(jī)構(gòu)能夠承受機(jī)箱和貨物的重量，接著是在運(yùn)

18、動(dòng)過(guò)程中能夠保證機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定行走，最后是能夠在行走過(guò)程中平穩(wěn)地停止和平穩(wěn)地啟動(dòng)。四、機(jī)構(gòu)的可行性：機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)符合動(dòng)力學(xué)原理，機(jī)構(gòu)的運(yùn)行在理論上達(dá)到預(yù)期的行走軌跡和承重平穩(wěn)行走能力，考慮一部分經(jīng)濟(jì)因素和當(dāng)今制造技術(shù)，可是實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)在現(xiàn)實(shí)生活中的運(yùn)用。1.7 本設(shè)計(jì)采用的研究（計(jì)算）手段方式方法本設(shè)計(jì)以馬型四足行走機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，是一種仿生機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，綜合本小組的資源，所以有以下的研究方法：1 .研究馬等四足動(dòng)物的的骨骼組成和運(yùn)動(dòng)原理，結(jié)合所學(xué)的機(jī)械原理等課程，設(shè)計(jì)仿生四足機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。2 .由于它的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程是一組非線性方程，沒(méi)有通用的解法，通常很難求得運(yùn)動(dòng)學(xué)方程解的解

19、析表達(dá)式。采用幾何解法，把空間幾何問(wèn)題分解成若干個(gè)平面幾何問(wèn)題，這樣,不用建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，而直接應(yīng)用平面幾何的方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，找到機(jī)構(gòu)的極限位置和運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的一些點(diǎn)的位置，利用描點(diǎn)連線的方式得到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡。3 .根據(jù)足端的運(yùn)動(dòng)軌跡，和平行四邊形的約束，求解出水平和豎直電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程，關(guān)節(jié)角的運(yùn)動(dòng)大致范圍。4 .最后對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)正、逆問(wèn)題以及工作空間進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真以及實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的正確可行性。1.8本設(shè)計(jì)的技術(shù)路線:2.1 設(shè)計(jì)方案論證2.1.1 行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理根據(jù)馬的平地運(yùn)動(dòng)特性和其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮，以滑塊、連桿和四桿機(jī)構(gòu)為原理，確定兩個(gè)滑塊平行四邊

20、形機(jī)構(gòu)作為仿馬四足行走機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)，且由電機(jī)帶動(dòng)滑塊移動(dòng)從而帶動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)行走功能。2.1.2 方案設(shè)計(jì)因此根據(jù)滑塊和連桿機(jī)構(gòu)原理，確定了兩個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)作為仿馬四足行走機(jī)構(gòu)-VIV3圖2-1前后腿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理示意圖圖2-2機(jī)構(gòu)三維圖單腿機(jī)構(gòu)的三維圖，主要通過(guò)兩個(gè)電動(dòng)機(jī)的水平和豎直運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)步行足向前移動(dòng)表2-1mmAD70CE70AC280CF280FN30L250特點(diǎn)：1 .腿部關(guān)節(jié)主要包括牌關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、足趾關(guān)節(jié)，促使具有良好的支撐性能。2 .牌關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)沿馬身縱向平面內(nèi)擺動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)腿部跨越以及馬身的重心前移。3.足趾關(guān)節(jié)為被動(dòng)關(guān)節(jié)，可以在馬腿落地時(shí)有效地起到緩沖作用

21、。4 .有兩個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)，有較好的穩(wěn)定性，能夠平穩(wěn)地在凹凸不平的路況上行走5 .耐磨損，承載能力較大；6 .構(gòu)件的形狀簡(jiǎn)單，加工制造容易且精度高；7.運(yùn)動(dòng)形式多樣，且傳遞運(yùn)動(dòng)的距離較遠(yuǎn)。萬(wàn)案一：依照四桿機(jī)構(gòu)和其他多桿機(jī)構(gòu)，建立八連桿機(jī)構(gòu)模型并對(duì)其進(jìn)行分析。由于腿部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是無(wú)法完全滿(mǎn)足實(shí)際所有條件，因此根據(jù)曲柄連桿機(jī)構(gòu)原理，確定了八連,主要通過(guò)曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶2-2。桿機(jī)構(gòu)作為仿山羊坡地行走機(jī)構(gòu)的單腿機(jī)構(gòu)（圖2-2）動(dòng)步行足向前移動(dòng)。其中八連桿單腿腿部機(jī)構(gòu)尺寸見(jiàn)表015圖2-3參數(shù)八連桿機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)八連桿機(jī)構(gòu)尺寸OC36mmAB31mmCF21mmHI16mmFG34mmIJ45mmFH

22、57mmOC與OF夾角9114°EI57mmOF與CF夾角62240BE14mmGF與HF夾角9314°CB25mmCB與EB夾角940°OA10mmDA與BA夾角9515°AD32mmHI與JI夾角060°GD34mm表2-2mm特點(diǎn):1.該機(jī)構(gòu)應(yīng)用了多重四桿機(jī)構(gòu)，有8個(gè)桿件，運(yùn)動(dòng)規(guī)律復(fù)雜，可達(dá)到仿生目的2,由于各桿件裝配過(guò)于復(fù)雜，組合運(yùn)動(dòng)不易達(dá)到圓滑，容易出現(xiàn)死點(diǎn)、不受控制等錯(cuò)誤以及各桿件的相互摩擦碰撞，難以實(shí)現(xiàn)已設(shè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡。從仿生學(xué)的角度出發(fā)，將行走機(jī)構(gòu)稱(chēng)為“腿”。腿的設(shè)計(jì)采用六桿閉鏈機(jī)構(gòu)，即曲柄搖桿機(jī)構(gòu)去控制大小腿實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。給定腿的

23、足端的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)的結(jié)合點(diǎn)處的軌跡進(jìn)行擬合，并用優(yōu)化法確定各桿的尺寸，這樣就完成了單條腿的設(shè)計(jì)。根據(jù)對(duì)稱(chēng)原則，四條腿選擇同樣的設(shè)計(jì)。如圖2-3所示，將單條腿分解為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和腿機(jī)構(gòu)兩部分。其中，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為四桿組，腿行走機(jī)構(gòu)為BC和CE組成的二桿組。AB、BO2、O1O2和AO1組成的O1點(diǎn)和O2點(diǎn)和O3為固定支點(diǎn)。/jFVjWX,10即,、/。3CA/DVEE圖2-4特點(diǎn)：該機(jī)構(gòu)應(yīng)用了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，曲柄AO1為原動(dòng)件時(shí)，BO2為遙桿機(jī)構(gòu)可做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，B點(diǎn)可得到設(shè)想的運(yùn)動(dòng)軌跡。該機(jī)構(gòu)自由度為1,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)規(guī)律單一，可是整個(gè)機(jī)構(gòu)達(dá)到運(yùn)動(dòng)爬行的目的。綜上三種方案，相較于第二種

24、方案的復(fù)雜和第三種方案的過(guò)于簡(jiǎn)單，第一種方案使馬型四足行走機(jī)器人更加平穩(wěn)，且其可乘載負(fù)荷更重，更使用了平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)、阻尼壓縮桿和組合電機(jī)聯(lián)合運(yùn)用的特點(diǎn)，更令機(jī)器人可行性提升。所以，我們小組選擇使用第一種方案。2.2 機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新點(diǎn)根據(jù)以上的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理示意圖和三維結(jié)構(gòu)圖，不難發(fā)現(xiàn)本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有以下的創(chuàng)新點(diǎn)：1 .本結(jié)構(gòu)的一條腿有兩個(gè)電機(jī)做為原動(dòng)件，可以組合變化，具有較好的靈活設(shè)計(jì)性，可以利用組合變化得到不同的步態(tài)。2 .平行四邊形結(jié)構(gòu)在重心前移和行走過(guò)程中，機(jī)箱和貨物的重心的水平高度不發(fā)生變化，極大可能地保障了機(jī)箱的平穩(wěn)性。3 .本結(jié)構(gòu)有兩個(gè)平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)組成，一個(gè)作為主動(dòng)件，帶動(dòng)機(jī)構(gòu)的

25、行走運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)在接觸地面時(shí)起緩沖減震和反饋地面路況，迫使機(jī)構(gòu)做出相應(yīng)動(dòng)作，從而達(dá)到平穩(wěn)行走的目的。4 .內(nèi)膝肘式四腿設(shè)計(jì)可以平衡水平方向的力，地面經(jīng)提供豎直方向的支持力，可以避免機(jī)構(gòu)因水平受力不均勻而引起的震蕩。5 .小腿靠近腳掌一部分設(shè)計(jì)為阻尼壓縮桿，可以起到平穩(wěn)減震的效果。6 .腳掌部分由軟組織材料構(gòu)成，在凹凸不平的路況上可以起到減震緩沖的效果。7 .由轉(zhuǎn)動(dòng)副連接而成的連桿機(jī)構(gòu)之間是面接觸，這種連桿機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)特定種運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)軌跡曲線。8 .在動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，有兩個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)它們相互約束，改變了平行四邊形部分易變形的特征，可以承受一定的重量。9 .該四足行走機(jī)構(gòu)高度小于700mm腿

26、的重心較低，即使受機(jī)箱重量的影響，整個(gè)結(jié)構(gòu)也有較低的重心，不易失穩(wěn)，有助于穩(wěn)定性的提高。2.3 四足行走機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性分析近年來(lái)，移動(dòng)機(jī)器人中輪式和履帶式移動(dòng)方式已獲得廣泛應(yīng)用。但相比較而言，足式機(jī)器人具有輪式和履帶式機(jī)器人所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，它可以相對(duì)較易地跨過(guò)比較大的障礙，并且機(jī)器人的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)。其中四足步行機(jī)器人由于其比二足步行機(jī)器人承載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好，同時(shí)又比六足、八足步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更加受到各國(guó)研究人員的重視，已成為機(jī)器人學(xué)中一個(gè)引人注目的研究領(lǐng)域。步態(tài)是研究步行機(jī)器人的一個(gè)很重要的參數(shù)，步態(tài)規(guī)劃的好壞直接影響到機(jī)器

27、人步行過(guò)程中的平穩(wěn)性、關(guān)節(jié)所需驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小等因素。常用的步態(tài)生成方法有：Mechee提出的根據(jù)靜態(tài)穩(wěn)定裕度分析的直線螃蟹步態(tài)生成方法，Hirose等提出的利用對(duì)角線原理的步態(tài)搜索方法，Song等提出的曲線路徑的步態(tài)生成方法以及基于靜態(tài)平衡的步態(tài)生成方法。本文介紹和分析步行機(jī)器人的靜態(tài)穩(wěn)定性，根據(jù)機(jī)器人在步行過(guò)程中重心產(chǎn)生的偏移量對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定性的影響，對(duì)原有的基于靜態(tài)平衡的機(jī)器人步態(tài)生成方法作了一定程度的改進(jìn)，并繪制了時(shí)序圖使讀者能夠更加直觀地了解到機(jī)器人的整個(gè)移動(dòng)過(guò)程。2.4 靜態(tài)穩(wěn)定性2.4.1 靜態(tài)穩(wěn)定性的一般描述四足步行機(jī)器人在行走的時(shí)候，機(jī)體相對(duì)地面始終作向前運(yùn)動(dòng)，重心始終在移動(dòng)。四條

28、腿輪流抬跨，相對(duì)機(jī)體也作向前運(yùn)動(dòng)，不斷改變立足點(diǎn)位置，只要機(jī)器人重心的垂直投影始終被它交替變化的立足點(diǎn)所組成的三角形所包圍，則機(jī)器人是靜態(tài)穩(wěn)定的。機(jī)體的運(yùn)動(dòng)和腿相對(duì)機(jī)體的運(yùn)動(dòng)必須在任何時(shí)刻保證協(xié)調(diào)一致，才能使機(jī)器人重心的垂直投影始終落在三足支撐點(diǎn)構(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走。2.4.2 重心偏移對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定性的影響在實(shí)際情況中，機(jī)器人的重心并不是時(shí)刻都保持在機(jī)器人的幾何中心處，所以要考慮重心偏移對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定性所造成的影響。當(dāng)初始步態(tài)時(shí)，機(jī)器人的重心偏移處在極限位置，計(jì)算此時(shí)的影響即可。已知4個(gè)足趾相對(duì)軀體的位置，可先求出各腿的重心偏移，然后再由如下公式：'二一十一，*小"iI

29、x小十即可求出重心的偏移量！，其中：，為腿重心相對(duì)機(jī)身坐標(biāo)系原點(diǎn)的偏移；ml為腿的質(zhì)量；m為機(jī)身的質(zhì)量。由于機(jī)器人的腿部結(jié)構(gòu)一般都采用平面連桿機(jī)構(gòu)且使用相同的材料制成，可以把它們看作是均質(zhì)等截面的細(xì)線，忽略驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的質(zhì)量和長(zhǎng)度，利用工程力學(xué)中求重心的組合法來(lái)求得機(jī)器人腿部重心在機(jī)身坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，公式如下：17式中：na分別為腿部各連桿的長(zhǎng)度2s二，三L上一工.：分別為腿部各連桿重心在機(jī)身坐標(biāo)系中的坐標(biāo)?？傻贸鰴C(jī)器人一條腿的重心在機(jī)身坐標(biāo)系中的坐標(biāo)Jr，二。再根據(jù)公式便可求出O可得出結(jié)論:值越小，則重心偏移就越小。要使''二"、上的值減小，則應(yīng)使腿根部的質(zhì)量大，足趾處

30、的質(zhì)量小，即可使腿擺動(dòng)對(duì)重心的影響較小。同樣，減小ml的值，也可使重心的偏移減小。實(shí)際上重心的偏移主要由ml的質(zhì)量引起。一般來(lái)說(shuō)，在自然界的四足動(dòng)物中，軀體的質(zhì)量遠(yuǎn)大于腿的質(zhì)量。但是對(duì)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，各腿的質(zhì)量和軀體質(zhì)量幾乎相等，所以重心偏移較大，進(jìn)而對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定性影響較大。運(yùn)用上述式子，可以得出重心的偏移程度，和避免重心偏移的方法。我們小組設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)腿主要有連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成，其重量小于機(jī)箱的重量，減輕了重心的偏移。而且我們的四足行走機(jī)構(gòu)尺寸小于700mm,可以降低重心，促進(jìn)平穩(wěn)行走。2.5 四足機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃2.5.1 步態(tài)的概念步態(tài)是指在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，步行者（人、動(dòng)物或機(jī)器）的肢體在時(shí)間和空間上的一

31、種協(xié)調(diào)關(guān)系，是移動(dòng)腿有規(guī)律的重復(fù)順序和方式，也就是指步行機(jī)器人各腿動(dòng)作順序和方式的規(guī)律，正是由于這一運(yùn)動(dòng)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的步行運(yùn)動(dòng)。步態(tài)是研究步行機(jī)構(gòu)的一個(gè)非常重要的參數(shù)，是確保步行機(jī)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。四足步行機(jī)器人的步行運(yùn)動(dòng)由兩種步態(tài)方式，靜態(tài)步態(tài)和動(dòng)態(tài)步態(tài)。靜態(tài)步態(tài)是指機(jī)器人在步行過(guò)程中始終滿(mǎn)足靜力學(xué)條件，即機(jī)器人重心始終落在支持地面幾只腳所圍成的多邊形內(nèi)。動(dòng)態(tài)步態(tài)是機(jī)器人在行走過(guò)程中重心有時(shí)會(huì)落在支持地面幾只腳所圍成的多邊形外的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，動(dòng)態(tài)步態(tài)正是利用這種重心超出多邊形面積外而向前產(chǎn)生傾倒的分力作為步行的動(dòng)力。當(dāng)前對(duì)四足步行機(jī)器人步態(tài)的研究還主要集中在對(duì)靜態(tài)步態(tài)的研究，然而，多足機(jī)

32、器人之所以存在很好的應(yīng)用價(jià)值，就在于它能適應(yīng)非結(jié)構(gòu)環(huán)境，可以在崎嶇的路面上行走，這是它優(yōu)于履帶式和輪式移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵之處。因此，怎樣設(shè)計(jì)多足移動(dòng)機(jī)器人的腿腳能適應(yīng)復(fù)雜地面環(huán)境的運(yùn)動(dòng)才是步態(tài)生成與控制的目標(biāo)13'1,目前眾多研究人員仍在為此目標(biāo)而努力研究，我們現(xiàn)在的研究目標(biāo)也是：研究在凹凸不平的路況下可以跨越障礙平穩(wěn)地行走。2.5.2 步態(tài)規(guī)劃及時(shí)序分析步態(tài)規(guī)劃是步行機(jī)器人研究必不可少的內(nèi)容，對(duì)于機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性及動(dòng)力特性都有直接的影響。目前，大多數(shù)學(xué)者公認(rèn)的步態(tài)分類(lèi)方法是根據(jù)占空系數(shù)p的取值范圍來(lái)分類(lèi)，通常情況下，占空系數(shù)日越小，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度越快。移動(dòng)步行機(jī)器人步態(tài)描述的相關(guān)參數(shù)有

33、：支撐相：步行機(jī)器人腿部著地的狀態(tài)。擺動(dòng)相：步行機(jī)器人腿由地面抬起，腿部處于空中的狀態(tài)。步態(tài)具有一定的周期性：本小組選取馬的某一周期進(jìn)行步態(tài)運(yùn)動(dòng)狀況研究，得出馬通用的一個(gè)正常步態(tài)周期內(nèi)的抬腿順序：左前肢一右后肢一右前肢一左后肢或右前肢一左后肢一左前肢一右后肢，馬行走時(shí)的抬腿順序（如圖2-4所示：其中a、b、c、d圖分別表示右前肢抬起懸空、左后肢抬起懸空、左前肢抬起懸空和右后肢抬起懸空）。馬軀體的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì)上是其重心的不斷移動(dòng)。當(dāng)馬起步時(shí)，頭部略低前伸，身體前傾，使后肢蹬地產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力沿脊椎傳傳導(dǎo)至前方，重心逐漸移至前肢。當(dāng)前肢前伸邁步時(shí)，對(duì)角線后肢產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力則正對(duì)著前進(jìn)方向，例如，左后肢蹬

34、地產(chǎn)生的反作用力沿脊椎傳至前方，促使軀體前傾，重心前移，同時(shí)脊椎產(chǎn)生的振動(dòng)力轉(zhuǎn)化為肩胛骨上的壓力，這種壓力傳至與肩胛骨相連的右前肢，致使右前肢必須前伸邁步來(lái)承受重量，而單獨(dú)右前肢不能完全支撐重心，此刻為了使身體及時(shí)恢復(fù)平衡，左前肢和右后肢也迅速參與運(yùn)動(dòng)。這種以體力消耗最低，卻使馬持續(xù)耐久地運(yùn)動(dòng)而不疲勞的步態(tài)是一種經(jīng)濟(jì)步態(tài)。隨著后肢肌肉收縮形成的伸屈運(yùn)動(dòng)，促使后肢踏出。而前肢為了減輕承受的壓力和負(fù)重不得不邁步。以此方式，馬不斷反復(fù)地作向前邁步運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)中，馬為了保持步態(tài)的穩(wěn)定性，大部分時(shí)間采取三條腿與地面接觸，只是在交換腿運(yùn)動(dòng)時(shí)，出現(xiàn)短暫的兩腿支撐，并且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，軀體重心始終落于此三足不斷

35、組成的三角形區(qū)域內(nèi)。15a右前肢抬起懸空b左后肢抬起懸空c左前肢抬起懸空?qǐng)D2-5d右后肢抬起懸空2.5.3 步態(tài)的穩(wěn)定性分析2.5.4 穩(wěn)定性分析由于四足機(jī)器人的靜態(tài)步態(tài)在低速行走時(shí)相對(duì)穩(wěn)定性較好，具有負(fù)載能力大的特點(diǎn)，有更好的實(shí)用性，因此得到了廣泛的研究和應(yīng)用。四足機(jī)器人具有對(duì)稱(chēng)性，若以直線行走步態(tài)為研究對(duì)象，需作如下假設(shè)：(1)四足機(jī)器人向前行走時(shí)，四條腿是沿著兩側(cè)的兩條平行線前進(jìn)。(2)由于機(jī)器人腿部質(zhì)量相對(duì)于軀干質(zhì)量而言比較小，因此忽略邁腿過(guò)程中腿的移動(dòng)引起機(jī)器人重心位置的改變。(3)四條腿的絕對(duì)跨距相等。(4)由于機(jī)器人的兩邊重量分布比較對(duì)稱(chēng)，因此在機(jī)器人軀干作前后調(diào)整的時(shí)候，近似的

36、認(rèn)為機(jī)器人的重心只在前后方向上移動(dòng)。(2)結(jié)果分析機(jī)器人靜態(tài)穩(wěn)定的充分必要條件是：穩(wěn)定裕度dmln>0,但一般為了提高其穩(wěn)定性,dmin越大越好。已知四足機(jī)器人在行走中的三個(gè)支撐足在平面內(nèi)的投影點(diǎn)坐標(biāo)A1(xl,yl)、A2(XZ,yZ)、A3(x3,y3)和重心在支撐面三角形內(nèi)的投影坐標(biāo)G(x4,y4),則可以求得G點(diǎn)到三邊的最短距離，即穩(wěn)定裕度。從邁腿過(guò)程穩(wěn)定裕度的變化分析中可以看出，機(jī)器人的每條腿在動(dòng)作開(kāi)始或結(jié)束時(shí)都會(huì)有穩(wěn)定裕度瞬間為0的時(shí)刻，此時(shí)機(jī)器人處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，但是隨著機(jī)體重心的前移，穩(wěn)定裕度又變化為大于。，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，能夠保證機(jī)器人的重心在支撐足構(gòu)成的三角形內(nèi)，因此從

37、整個(gè)步態(tài)周期來(lái)看，該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是穩(wěn)定的。2.5.5 步態(tài)的選擇仿生學(xué)中四足動(dòng)物的步態(tài)多種多樣，就仿馬而言就有：行走步態(tài)、對(duì)角小跑步態(tài)、蹄踹步態(tài)等，我們小組設(shè)計(jì)的四足行走機(jī)構(gòu)根據(jù)中心要求，選擇最為平穩(wěn)地行走步態(tài)，在行走過(guò)程中，它有一條腿踏空，三條腿支撐，只要使整個(gè)裝置的重心位于三條支撐腿構(gòu)成的三角形形心附近，就可以保證整個(gè)機(jī)構(gòu)在行走過(guò)程中的穩(wěn)定性。行走步態(tài)：它是一條腿行走，三條腿協(xié)作。在我們小組的構(gòu)思是，四腿的足端運(yùn)動(dòng)軌跡一樣，只是周期的起始點(diǎn)不同，構(gòu)成蹬地、抬腿、邁步、著地的動(dòng)作，并且也可以腿的初始相距位置不同，以便構(gòu)成支撐三角形的形狀和位置，是三角形形心與裝置重心跟接近。2.6 理論計(jì)算2

38、.6.1 動(dòng)力學(xué)分析有機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理簡(jiǎn)圖受力分析得:圖2-6整體受力圖可知內(nèi)膝肘式的兩力FR1和FR2在水平方向的分力可以相互抵消，只剩下豎直方向的支持力，支持機(jī)構(gòu)的直立。與之相比外膝肘式的結(jié)構(gòu)則，因?yàn)槠叫兴倪呅我鬃冃蔚奶攸c(diǎn)而發(fā)生一定的彎曲。2.6.2 足端軌跡分析機(jī)器人跨越段軌跡規(guī)劃采用復(fù)合擺線軌跡規(guī)劃法，該方法可以保證足運(yùn)動(dòng)軌跡連續(xù)平滑，以此保證運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。建立如圖2.3所示的坐標(biāo)系，假定x軸方向?yàn)樘赛c(diǎn)與落地點(diǎn)連線的方向,y軸方向?yàn)樨Q直向上，原點(diǎn)取抬腿點(diǎn)。對(duì)跨越段軌跡的x軸和y軸方向分別進(jìn)行規(guī)劃，首先進(jìn)行x軸方向規(guī)劃。19圖2-7足端的運(yùn)動(dòng)軌跡跨越段X軸方向上，足端的軌跡函數(shù)為x(t)=

39、S廳-赤in.19式中,S表示步長(zhǎng);T表示跨越段周期;t表示軌跡的采樣時(shí)間。在控制系統(tǒng)中,S可按照障礙物實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定,T可按照行走速度要求進(jìn)行設(shè)定根據(jù)x軸方向軌跡函數(shù)構(gòu)造y軸方向的軌跡函數(shù)，將機(jī)器人足在y軸方向的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分為抬腿和落腿兩個(gè)等時(shí)間段的過(guò)程，因此，用分段函數(shù)表示：，2t14邪19-ysinJ（0</5T）/、2,0.5T）14W-0,571）、1一之/in丁）、fO5T4丁）式中,H表示跨高，且也可在控制系統(tǒng)中，根據(jù)障礙物實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定。本小組設(shè)定兩組基本尺寸：S1=210mm,H1=160mn<高步）；S2=210mm,H2=50mM低步）。以高步為例，根據(jù)機(jī)構(gòu)

40、的足端水平位移和豎直位移，利用描點(diǎn)連線可以得到機(jī)構(gòu)的足端的水平和豎直位移曲線運(yùn)動(dòng)軌跡圖：采樣時(shí)間（1/T）采樣時(shí)間（1廳）,方向（b）v方向圖2-8足端的水平和豎直位移軌跡圖1.6.3,水平電機(jī)和豎直電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程的設(shè)計(jì)腿部運(yùn)動(dòng)周期表:設(shè)計(jì)（后腿）ABBCCA設(shè)計(jì)（前腿）ABBCCA水平（X方向）T-水平（X方向）<豎直（y方向）it1豎直（y方向）一1一t4周期時(shí)間00.75T0.75TT周期時(shí)間00.75T0.75T0.9T0.9TT步態(tài)蹬地抬腿著地步態(tài)蹬地抬腿著地得到單腿水平電機(jī)和豎直電機(jī)的位移時(shí)間方程:型上-華）蛇打“&r訂汀從而可以得到水平電機(jī)和豎直電機(jī)的位移曲線:由一條

41、腿的水平電機(jī)和豎直電機(jī)的位移運(yùn)動(dòng)方程，根據(jù)步態(tài)的分析，周期性的變化，穩(wěn)定性的條件，重心的位置與四腿的相對(duì)位置，可以求得四腿的水平電機(jī)和豎直電機(jī)的運(yùn)動(dòng)位移方程，從而可以求得電機(jī)的速度方程。第3章結(jié)論及展望3.1 主要結(jié)論動(dòng)物步態(tài)研究近年來(lái)成為人們結(jié)構(gòu)仿生研究的熱點(diǎn)，是其他學(xué)科領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)。動(dòng)物步態(tài)研究的關(guān)鍵是對(duì)動(dòng)物生理結(jié)構(gòu)的研究。本課題對(duì)馬其運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行分析，并通過(guò)上網(wǎng)搜索馬在平地的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，對(duì)馬行走時(shí)的運(yùn)動(dòng)步法及步態(tài)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)仿真了仿馬四足行走機(jī)構(gòu)，對(duì)未來(lái)仿生機(jī)器人技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用有著重要理論意義。本課題對(duì)馬步態(tài)研究得出以下結(jié)論：1 .通過(guò)上網(wǎng)搜索馬在平地的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，得到馬

42、在平面運(yùn)動(dòng)所需的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到：馬在平地運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，相應(yīng)的周期步態(tài)特性參數(shù)及各腿腿部運(yùn)動(dòng)角度變化曲線和規(guī)律性。發(fā)現(xiàn)：平地上，馬各腿的支撐狀態(tài)（各腿的支撐時(shí)間及抬、落腿的先后順序）和懸空狀態(tài)各不相同，馬的行走步態(tài)的變化主要是通過(guò)調(diào)整各腿的負(fù)荷因數(shù)和重心位置而實(shí)現(xiàn)的。2 .基于馬身體結(jié)構(gòu)和步態(tài)運(yùn)動(dòng)方式，利用我們所學(xué)的機(jī)械原理等課程知識(shí)和仿馬的結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)出雙電機(jī)的仿馬四足行走機(jī)構(gòu),利用autoCAD軟件設(shè)計(jì)出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理簡(jiǎn)圖，利用CATIA軟件設(shè)計(jì)出機(jī)構(gòu)的單腿三維圖，并得到他的三視圖等。3.2 未來(lái)展望1 .將CATIA軟件建立的三維模型，導(dǎo)入到ADAMS軟件環(huán)境下進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)仿真，得到的虛擬條件下的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)曲線，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線吻合，由此驗(yàn)證了虛擬樣機(jī)模型的正確性。2 .由已知的四桿機(jī)構(gòu)基本尺寸、足端運(yùn)動(dòng)軌跡及其水平、豎直位移曲線，會(huì)利用電腦軟件程序算出機(jī)構(gòu)各部分的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而得到兩電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程。3 .由于時(shí)間的倉(cāng)促，我們的結(jié)構(gòu)還有很多不足的地方還沒(méi)來(lái)得及優(yōu)化，希望未來(lái)我們有機(jī)會(huì)優(yōu)化并實(shí)現(xiàn)我們機(jī)構(gòu)。通過(guò)對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行精確的計(jì)算，得到準(zhǔn)確的結(jié)論。謝