四足行走機構(gòu)說明書

1、機械創(chuàng)新設(shè)計課程設(shè)計2014-2015第2學(xué)期姓名：何燕飛、鄭義、陳斌、周鵬、陳海云班級：機越一班指導(dǎo)教師：李軍方軼琉成績：日期：2015年6月4日仿生四足行走機器人行走機構(gòu)的研究摘要馬相對于其它四足哺乳動物來說，軀體較大，四肢骨骼堅實有力，其運行步態(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)運動方式，根據(jù)馬步態(tài)設(shè)計的仿馬四足行走機構(gòu)為解決：在凹凸不平的路況上搶險救災(zāi)物資和裝備的運輸問題上將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。本課題以馬為研究對象，對具有障礙路況行走步態(tài)方式進行了研究。馬型四足行走機器人的運動學(xué)方程是一組非線性方程，沒有通用的解法

2、，通常很難求得運動學(xué)方程解的解析表達(dá)式。采用幾何解法，把空間幾何問題分解成若干個平面幾何問題，這樣，不用建立運動學(xué)方程，而直接應(yīng)用平面幾何的方法進行運動軌跡規(guī)劃，給出各個關(guān)節(jié)角給定量的計算方法。本課題在分析總結(jié)了馬的生理特性、運動步法和步態(tài)特點的基礎(chǔ)上，從結(jié)構(gòu)仿生角度出發(fā)，研究了行走機構(gòu)的設(shè)計方案、運動原理、運動特點，確定了仿馬四足行走機構(gòu)，并應(yīng)用CATIA軟件建立了單腿和整機的三維模型。關(guān)鍵詞：馬型四足行走機構(gòu)、腿部結(jié)構(gòu)、運動軌跡規(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)計的目的61.2 設(shè)計的意義61.3 設(shè)計應(yīng)達(dá)到的技術(shù)要求71.4 簡述本課題在國內(nèi)（外）發(fā)展概況及存在的問題71.4.1 國外仿生四足機器人71.4.2 國內(nèi)仿生四足機器人81.5 本設(shè)計的指導(dǎo)思想91.6 闡述本設(shè)計應(yīng)解決的主要問題91.7 本設(shè)計采用的研究（計算）手段方式方法101.8 本設(shè)計的技術(shù)路線：11第2章122.1 設(shè)計方案論證122.1.1 行走機構(gòu)的運動原理122.1.2 方案設(shè)計122.2 機構(gòu)的創(chuàng)新點162.3 四足行走機構(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 重心偏移對靜態(tài)穩(wěn)定性的影響172.5 四足機器人的步態(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 理論計算212.6.1 動力學(xué)分析212.6.2 足端軌跡分析221.6.3.水平電機和豎直電機運動方程的設(shè)計23第3章結(jié)論及展望253.1 主要結(jié)論253.2 未來展望25謝辭：263.3 獻(xiàn)26第1章1.1 設(shè)計的目的隨著科學(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)家對各類生物體的研究也越來越重視。隨著自然環(huán)境的變遷，自然界中的動物不斷演化，形成了動物體各自獨特的生理結(jié)構(gòu)和運動方式。通過對各種動物

9、整體結(jié)構(gòu)、運動和控制方式的研究，仿制出各種類似動物運動方式的行走機構(gòu)。但仿制的機構(gòu)與生物體實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，尤其對陸地行走動物進行了全面的研究，包括：局部模仿、整體生理結(jié)構(gòu)和控制機能的研究，均取得了優(yōu)異的效果。具有驅(qū)動輪的輪式交通工具對路面狀況的依賴性較大，在前進中遇到有障礙的路面或者坡地時則難以通行；但是具有四足的哺乳動物，諸如牛、馬、羊則通過驅(qū)動腿部來帶動物體輕而易舉地前進，而且對路況沒有太多的限制，可以適用于各種搶險救災(zāi)的不平整路況的物資和裝備運輸。并且，這些年各國領(lǐng)導(dǎo)人對環(huán)保工作也非常重視,而各類輪式交通工具所導(dǎo)致的廢氣排放和交通事故等問題

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

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

12、走，且能實現(xiàn)任意方向行走和原地轉(zhuǎn)彎。具有四足的哺乳動物最普通的運動行為是能夠以較高的速度跨過凸凹不平的地面，并突然啟動或者停止。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)計四足機器人的四足行走機構(gòu)的步態(tài)。3 .具有一定的承載能力，在本小組的設(shè)計中，該四足機構(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)定簡單。1.4 簡述本課題在國內(nèi)（外）發(fā)展概況及存在的問題1.4.1 國外仿生四足機器人1968年美國Mosher研發(fā)的“WalkingTruck”四足步行機（圖1-1）主要通過液壓伺服馬達(dá)系統(tǒng)來驅(qū)動四條腿動作，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)控制沒能得到實質(zhì)性的體現(xiàn)，只能靠人操作來移動機械裝置。圖1-1四足步行機圖1-2KUNO-I機器人1976年，日本東京工業(yè)大學(xué)廣獺茂男研發(fā)的四足機器人一KUMO-I四足機器人（圖1-2）,它有點像一只蜘蛛，但僅有四條腿，從機械工程角度考慮，腿量越少，機構(gòu)越簡單，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，波士頓動力學(xué)工程公司（BoronDynamics）開發(fā)了BigDog四足機器人（圖1-3）,它通過汽油機驅(qū)動的液壓系統(tǒng)帶動關(guān)節(jié)的四肢運動，可以攀越35o的斜坡，并能夠為士

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

15、，足端安裝壓力傳感器，每條腿有3個自由度，通過電機驅(qū)動實現(xiàn)了基本四足步態(tài)、多足基本步態(tài)、全方位步行運動，適應(yīng)地表能力強17。華中科技大學(xué)于2004年自主開發(fā)了“4+2”多足步行機器人（圖1-6）,該機器人的主要特征是具有腿臂融合的開鏈?zhǔn)綑C構(gòu)。所謂“4+2”是指該機器人最多可用六條腿在復(fù)雜步行區(qū)域內(nèi)進行穩(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器人。該步行機構(gòu)不僅具有非常優(yōu)秀的步行移動功能，更可以借助機械手臂等末端執(zhí)行工具完成指定的任務(wù)，實現(xiàn)其多功能性。圖1-5QW-I型四足機器人圖1-6“4+2”多足步行機器人151.5 本設(shè)計的指導(dǎo)思想根據(jù)馬的平地運動特性，對仿馬四足行走機構(gòu)的設(shè)

16、計應(yīng)考慮以下幾個方面：1 .仿馬四足行走機構(gòu)的步行足著地時，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)動機箱與承載貨物的重心前移。2 .在行走機構(gòu)運動時，步行足應(yīng)具備“蹬地一抬起一邁步一著地”的動作。3 .為保證行走機構(gòu)運動的穩(wěn)定性，步行足的著地時間要多于懸空時間，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 .各個運動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,增加哦機構(gòu)運動的穩(wěn)定性。5,確保行走機構(gòu)能勻速平穩(wěn)的運動而不翻到，且整機能平衡的停止。由于足與地面之間的是間歇性的面接觸，故振動與平衡成為行走機構(gòu)設(shè)計時需要考慮的問題。行走機構(gòu)在靜

17、止和運動過程中，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)計的機構(gòu)必須保證運動過程中機箱和貨物的重心在同一的水平線上，以達(dá)到貨物在運輸過程中的平穩(wěn)性。1.6 闡述本設(shè)計應(yīng)解決的主要問題一、機構(gòu)運動軌跡設(shè)計：運動軌跡設(shè)計是指在足端的運動軌跡確定的情況下，反推腿的各部分構(gòu)件的運動軌跡，從而得到兩個電機的運動方程，四條腿中一條腿的運動軌跡確定，其余三條腿的運動軌跡就是周期性問題符合步態(tài)的軌跡。二、機構(gòu)的各部分尺寸設(shè)計：根據(jù)實際的要求設(shè)計基本的機器人四足行走機構(gòu)的基本尺寸，在與機構(gòu)運動軌跡設(shè)計相結(jié)合，修改相應(yīng)的尺寸參數(shù)。三、機構(gòu)的穩(wěn)定性：首先是四足行走機構(gòu)能夠承受機箱和貨物的重量，接著是在運

18、動過程中能夠保證機構(gòu)的穩(wěn)定行走，最后是能夠在行走過程中平穩(wěn)地停止和平穩(wěn)地啟動。四、機構(gòu)的可行性：機構(gòu)的設(shè)計符合動力學(xué)原理，機構(gòu)的運行在理論上達(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)濟因素和當(dāng)今制造技術(shù)，可是實現(xiàn)機構(gòu)在現(xiàn)實生活中的運用。1.7 本設(shè)計采用的研究（計算）手段方式方法本設(shè)計以馬型四足行走機構(gòu)為研究對象，是一種仿生機器人行走機構(gòu)的設(shè)計，綜合本小組的資源，所以有以下的研究方法：1 .研究馬等四足動物的的骨骼組成和運動原理，結(jié)合所學(xué)的機械原理等課程，設(shè)計仿生四足機器人行走機構(gòu)的機構(gòu)機構(gòu)運動簡圖。2 .由于它的運動學(xué)方程是一組非線性方程，沒有通用的解法，通常很難求得運動學(xué)方程解的解

19、析表達(dá)式。采用幾何解法，把空間幾何問題分解成若干個平面幾何問題，這樣,不用建立運動學(xué)方程，而直接應(yīng)用平面幾何的方法進行運動軌跡規(guī)劃，找到機構(gòu)的極限位置和運動過程中的一些點的位置，利用描點連線的方式得到機構(gòu)的運動軌跡。3 .根據(jù)足端的運動軌跡，和平行四邊形的約束，求解出水平和豎直電機的運動方程，關(guān)節(jié)角的運動大致范圍。4 .最后對運動學(xué)正、逆問題以及工作空間進行了計算機仿真以及實驗研究，通過實驗驗證該結(jié)構(gòu)的正確可行性。1.8本設(shè)計的技術(shù)路線:2.1 設(shè)計方案論證2.1.1 行走機構(gòu)的運動原理根據(jù)馬的平地運動特性和其自身結(jié)構(gòu)特點，從機械結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮，以滑塊、連桿和四桿機構(gòu)為原理，確定兩個滑塊平行四邊

20、形機構(gòu)作為仿馬四足行走機構(gòu)的基礎(chǔ)，且由電機帶動滑塊移動從而帶動整個機構(gòu)實現(xiàn)平穩(wěn)行走功能。2.1.2 方案設(shè)計因此根據(jù)滑塊和連桿機構(gòu)原理，確定了兩個四連桿機構(gòu)作為仿馬四足行走機構(gòu)-VIV3圖2-1前后腿機構(gòu)運動原理示意圖圖2-2機構(gòu)三維圖單腿機構(gòu)的三維圖，主要通過兩個電動機的水平和豎直運動帶動步行足向前移動表2-1mmAD70CE70AC280CF280FN30L250特點：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，可以實現(xiàn)腿部跨越以及馬身的重心前移。3.足趾關(guān)節(jié)為被動關(guān)節(jié)，可以在馬腿落地時有效地起到緩沖作用

21、。4 .有兩個平行四邊形機構(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)件的形狀簡單，加工制造容易且精度高；7.運動形式多樣，且傳遞運動的距離較遠(yuǎn)。萬案一：依照四桿機構(gòu)和其他多桿機構(gòu)，建立八連桿機構(gòu)模型并對其進行分析。由于腿部機構(gòu)的設(shè)計是無法完全滿足實際所有條件，因此根據(jù)曲柄連桿機構(gòu)原理，確定了八連,主要通過曲柄的旋轉(zhuǎn)運動帶2-2。桿機構(gòu)作為仿山羊坡地行走機構(gòu)的單腿機構(gòu)（圖2-2）動步行足向前移動。其中八連桿單腿腿部機構(gòu)尺寸見表015圖2-3參數(shù)八連桿機構(gòu)尺寸參數(shù)八連桿機構(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:1.該機構(gòu)應(yīng)用了多重四桿機構(gòu)，有8個桿件，運動規(guī)律復(fù)雜，可達(dá)到仿生目的2,由于各桿件裝配過于復(fù)雜，組合運動不易達(dá)到圓滑，容易出現(xiàn)死點、不受控制等錯誤以及各桿件的相互摩擦碰撞，難以實現(xiàn)已設(shè)定的運動軌跡。從仿生學(xué)的角度出發(fā)，將行走機構(gòu)稱為“腿”。腿的設(shè)計采用六桿閉鏈機構(gòu)，即曲柄搖桿機構(gòu)去控制大小腿實現(xiàn)運動。給定腿的

23、足端的運動軌跡，然后對驅(qū)動機構(gòu)和行走機構(gòu)的結(jié)合點處的軌跡進行擬合，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。根據(jù)對稱原則，四條腿選擇同樣的設(shè)計。如圖2-3所示，將單條腿分解為驅(qū)動機構(gòu)和腿機構(gòu)兩部分。其中，驅(qū)動機構(gòu)為四桿組，腿行走機構(gòu)為BC和CE組成的二桿組。AB、BO2、O1O2和AO1組成的O1點和O2點和O3為固定支點。/jFVjWX,10即,、/。3CA/DVEE圖2-4特點：該機構(gòu)應(yīng)用了曲柄搖桿機構(gòu)，曲柄AO1為原動件時，BO2為遙桿機構(gòu)可做往復(fù)運動，B點可得到設(shè)想的運動軌跡。該機構(gòu)自由度為1,結(jié)構(gòu)簡單，運動規(guī)律單一，可是整個機構(gòu)達(dá)到運動爬行的目的。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于簡單，第一種方案使馬型四足行走機器人更加平穩(wěn)，且其可乘載負(fù)荷更重，更使用了平行四邊形四桿機構(gòu)、阻尼壓縮桿和組合電機聯(lián)合運用的特點，更令機器人可行性提升。所以，我們小組選擇使用第一種方案。2.2 機構(gòu)的創(chuàng)新點根據(jù)以上的機構(gòu)運動原理示意圖和三維結(jié)構(gòu)圖，不難發(fā)現(xiàn)本機構(gòu)設(shè)計有以下的創(chuàng)新點：1 .本結(jié)構(gòu)的一條腿有兩個電機做為原動件，可以組合變化，具有較好的靈活設(shè)計性，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程中，機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箱的平穩(wěn)性。3 .本結(jié)構(gòu)有兩個平行四邊形連桿機構(gòu)組成，一個作為主動件，帶動機構(gòu)的

25、行走運動，另一個在接觸地面時起緩沖減震和反饋地面路況，迫使機構(gòu)做出相應(yīng)動作，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)動副連接而成的連桿機構(gòu)之間是面接觸，這種連桿機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)特定種運動規(guī)律和運動軌跡曲線。8 .在動力學(xué)分析時，有兩個平行四邊形機構(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 .該四足行走機構(gòu)高度小于700mm腿

26、的重心較低，即使受機箱重量的影響，整個結(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 四足行走機構(gòu)穩(wěn)定性分析近年來，移動機器人中輪式和履帶式移動方式已獲得廣泛應(yīng)用。但相比較而言，足式機器人具有輪式和履帶式機器人所沒有的優(yōu)點，它可以相對較易地跨過比較大的障礙，并且機器人的足所具有的大量的自由度可以使機器人的運動更加靈活，對凹凸不平的地形的適應(yīng)能力更強。其中四足步行機器人由于其比二足步行機器人承載能力強、穩(wěn)定性好，同時又比六足、八足步行機器人的結(jié)構(gòu)簡單，更加受到各國研究人員的重視，已成為機器人學(xué)中一個引人注目的研究領(lǐng)域。步態(tài)是研究步行機器人的一個很重要的參數(shù)，步態(tài)規(guī)劃的好壞直接影響到機器

27、人步行過程中的平穩(wěn)性、關(guān)節(jié)所需驅(qū)動轉(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器人的靜態(tài)穩(wěn)定性，根據(jù)機器人在步行過程中重心產(chǎn)生的偏移量對靜態(tài)穩(wěn)定性的影響，對原有的基于靜態(tài)平衡的機器人步態(tài)生成方法作了一定程度的改進，并繪制了時序圖使讀者能夠更加直觀地了解到機器人的整個移動過程。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器人在行走的時候，機體相對地面始終作向前運動，重心始終在移動。四條

28、腿輪流抬跨，相對機體也作向前運動，不斷改變立足點位置，只要機器人重心的垂直投影始終被它交替變化的立足點所組成的三角形所包圍，則機器人是靜態(tài)穩(wěn)定的。機體的運動和腿相對機體的運動必須在任何時刻保證協(xié)調(diào)一致，才能使機器人重心的垂直投影始終落在三足支撐點構(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)，實現(xiàn)穩(wěn)定行走。2.4.2 重心偏移對靜態(tài)穩(wěn)定性的影響在實際情況中，機器人的重心并不是時刻都保持在機器人的幾何中心處，所以要考慮重心偏移對靜態(tài)穩(wěn)定性所造成的影響。當(dāng)初始步態(tài)時，機器人的重心偏移處在極限位置，計算此時的影響即可。已知4個足趾相對軀體的位置，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：，為腿重心相對機身坐標(biāo)系原點的偏移；ml為腿的質(zhì)量；m為機身的質(zhì)量。由于機器人的腿部結(jié)構(gòu)一般都采用平面連桿機構(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)動關(guān)節(jié)的質(zhì)量和長度，利用工程力學(xué)中求重心的組合法來求得機器人腿部重心在機身坐標(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度2s二，三L上一工.：分別為腿部各連桿重心在機身坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。可得出機器人一條腿的重心在機身坐標(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，即可使腿擺動對重心的影響較小。同樣，減小ml的值，也可使重心的偏移減小。實際上重心的偏移主要由ml的質(zhì)量引起。一般來說，在自然界的四足動物中，軀體的質(zhì)量遠(yuǎn)大于腿的質(zhì)量。但是對機器人來說，各腿的質(zhì)量和軀體質(zhì)量幾乎相等，所以重心偏移較大，進而對靜態(tài)穩(wěn)定性影響較大。運用上述式子，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)計的機構(gòu)腿主要有連桿機構(gòu)構(gòu)成，其重量小于機箱的重量，減輕了重心的偏移。而且我們的四足行走機構(gòu)尺寸小于700mm,可以降低重心，促進平穩(wěn)行走。2.5 四足機器人的步態(tài)規(guī)劃2.5.1 步態(tài)的概念步態(tài)是指在運動過程中，步行者（人、動物或機器）的肢體在時間和空間上的一

31、種協(xié)調(diào)關(guān)系，是移動腿有規(guī)律的重復(fù)順序和方式，也就是指步行機器人各腿動作順序和方式的規(guī)律，正是由于這一運動過程實現(xiàn)了機器人的步行運動。步態(tài)是研究步行機構(gòu)的一個非常重要的參數(shù)，是確保步行機構(gòu)穩(wěn)定運行的重要因素。四足步行機器人的步行運動由兩種步態(tài)方式，靜態(tài)步態(tài)和動態(tài)步態(tài)。靜態(tài)步態(tài)是指機器人在步行過程中始終滿足靜力學(xué)條件，即機器人重心始終落在支持地面幾只腳所圍成的多邊形內(nèi)。動態(tài)步態(tài)是機器人在行走過程中重心有時會落在支持地面幾只腳所圍成的多邊形外的運動步態(tài)，動態(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力。當(dāng)前對四足步行機器人步態(tài)的研究還主要集中在對靜態(tài)步態(tài)的研究，然而，多足機

32、器人之所以存在很好的應(yīng)用價值，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機器人的關(guān)鍵之處。因此，怎樣設(shè)計多足移動機器人的腿腳能適應(yīng)復(fù)雜地面環(huán)境的運動才是步態(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)劃及時序分析步態(tài)規(guī)劃是步行機器人研究必不可少的內(nèi)容，對于機構(gòu)的運動特性及動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)分類方法是根據(jù)占空系數(shù)p的取值范圍來分類，通常情況下，占空系數(shù)日越小，機器人的運動速度越快。移動步行機器人步態(tài)描述的相關(guān)參數(shù)有

33、：支撐相：步行機器人腿部著地的狀態(tài)。擺動相：步行機器人腿由地面抬起，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行步態(tài)運動狀況研究，得出馬通用的一個正常步態(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）。馬軀體的前進運動實質(zhì)上是其重心的不斷移動。當(dāng)馬起步時，頭部略低前伸，身體前傾，使后肢蹬地產(chǎn)生的驅(qū)動力沿脊椎傳傳導(dǎo)至前方，重心逐漸移至前肢。當(dāng)前肢前伸邁步時，對角線后肢產(chǎn)生的驅(qū)動力則正對著前進方向，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，同時脊椎產(chǎn)生的振動力轉(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承受重量，而單獨右前肢不能完全支撐重心，此刻為了使身體及時恢復(fù)平衡，左前肢和右后肢也迅速參與運動。這種以體力消耗最低，卻使馬持續(xù)耐久地運動而不疲勞的步態(tài)是一種經(jīng)濟步態(tài)。隨著后肢肌肉收縮形成的伸屈運動，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)地作向前邁步運動。在運動中，馬為了保持步態(tài)的穩(wěn)定性，大部分時間采取三條腿與地面接觸，只是在交換腿運動時，出現(xiàn)短暫的兩腿支撐，并且在運動過程中，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左前肢抬起懸空圖2-5d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器人的靜態(tài)步態(tài)在低速行走時相對穩(wěn)定性較好，具有負(fù)載能力大的特點，有更好的實用性，因此得到了廣泛的研究和應(yīng)用。四足機器人具有對稱性，若以直線行走步態(tài)為研究對象，需作如下假設(shè)：(1)四足機器人向前行走時，四條腿是沿著兩側(cè)的兩條平行線前進。(2)由于機器人腿部質(zhì)量相對于軀干質(zhì)量而言比較小，因此忽略邁腿過程中腿的移動引起機器人重心位置的改變。(3)四條腿的絕對跨距相等。(4)由于機器人的兩邊重量分布比較對稱，因此在機器人軀干作前后調(diào)整的時候，近似的

36、認(rèn)為機器人的重心只在前后方向上移動。(2)結(jié)果分析機器人靜態(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。已知四足機器人在行走中的三個支撐足在平面內(nèi)的投影點坐標(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點到三邊的最短距離，即穩(wěn)定裕度。從邁腿過程穩(wěn)定裕度的變化分析中可以看出，機器人的每條腿在動作開始或結(jié)束時都會有穩(wěn)定裕度瞬間為0的時刻，此時機器人處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，但是隨著機體重心的前移，穩(wěn)定裕度又變化為大于。，在運動過程中，能夠保證機器人的重心在支撐足構(gòu)成的三角形內(nèi)，因此從

37、整個步態(tài)周期來看，該機器人的運動是穩(wěn)定的。2.5.5 步態(tài)的選擇仿生學(xué)中四足動物的步態(tài)多種多樣，就仿馬而言就有：行走步態(tài)、對角小跑步態(tài)、蹄踹步態(tài)等，我們小組設(shè)計的四足行走機構(gòu)根據(jù)中心要求，選擇最為平穩(wěn)地行走步態(tài)，在行走過程中，它有一條腿踏空，三條腿支撐，只要使整個裝置的重心位于三條支撐腿構(gòu)成的三角形形心附近，就可以保證整個機構(gòu)在行走過程中的穩(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，四腿的足端運動軌跡一樣，只是周期的起始點不同，構(gòu)成蹬地、抬腿、邁步、著地的動作，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 理論計算2

38、.6.1 動力學(xué)分析有機構(gòu)運動原理簡圖受力分析得: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，支持機構(gòu)的直立。與之相比外膝肘式的結(jié)構(gòu)則，因為平行四邊形易變形的特點而發(fā)生一定的彎曲。2.6.2 足端軌跡分析機器人跨越段軌跡規(guī)劃采用復(fù)合擺線軌跡規(guī)劃法，該方法可以保證足運動軌跡連續(xù)平滑，以此保證運動的穩(wěn)定性。建立如圖2.3所示的坐標(biāo)系，假定x軸方向為抬腿點與落地點連線的方向,y軸方向為豎直向上，原點取抬腿點。對跨越段軌跡的x軸和y軸方向分別進行規(guī)劃，首先進行x軸方向規(guī)劃。19圖2-7足端的運動軌跡跨越段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;T表示跨越段周期;t表示軌跡的采樣時間。在控制系統(tǒng)中,S可按照障礙物實際情況進行設(shè)定,T可按照行走速度要求進行設(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)，將機器人足在y軸方向的運動過程分為抬腿和落腿兩個等時間段的過程，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?。O5T4?。┦街?H表示跨高，且也可在控制系統(tǒng)中，根據(jù)障礙物實際情況進行設(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)機構(gòu)

40、的足端水平位移和豎直位移，利用描點連線可以得到機構(gòu)的足端的水平和豎直位移曲線運動軌跡圖：采樣時間（1/T）采樣時間（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,水平電機和豎直電機運動方程的設(shè)計腿部運動周期表:設(shè)計（后腿）ABBCCA設(shè)計（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周期時間00.75T0.75TT周期時間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和豎直電機的位移時間方程:型上-華）蛇打“&r訂汀從而可以得到水平電機和豎直電機的位移曲線:由一條

41、腿的水平電機和豎直電機的位移運動方程，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位置，可以求得四腿的水平電機和豎直電機的運動位移方程，從而可以求得電機的速度方程。第3章結(jié)論及展望3.1 主要結(jié)論動物步態(tài)研究近年來成為人們結(jié)構(gòu)仿生研究的熱點，是其他學(xué)科領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)。動物步態(tài)研究的關(guān)鍵是對動物生理結(jié)構(gòu)的研究。本課題對馬其運動方式進行分析，并通過上網(wǎng)搜索馬在平地的運動過程，對馬行走時的運動步法及步態(tài)特點進行了分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計仿真了仿馬四足行走機構(gòu)，對未來仿生機器人技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用有著重要理論意義。本課題對馬步態(tài)研究得出以下結(jié)論：1 .通過上網(wǎng)搜索馬在平地的運動過程，得到馬

42、在平面運動所需的試驗數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析處理，得到：馬在平地運動過程中，相應(yīng)的周期步態(tài)特性參數(shù)及各腿腿部運動角度變化曲線和規(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)的變化主要是通過調(diào)整各腿的負(fù)荷因數(shù)和重心位置而實現(xiàn)的。2 .基于馬身體結(jié)構(gòu)和步態(tài)運動方式，利用我們所學(xué)的機械原理等課程知識和仿馬的結(jié)構(gòu),設(shè)計出雙電機的仿馬四足行走機構(gòu),利用autoCAD軟件設(shè)計出機構(gòu)運動原理簡圖，利用CATIA軟件設(shè)計出機構(gòu)的單腿三維圖，并得到他的三視圖等。3.2 未來展望1 .將CATIA軟件建立的三維模型，導(dǎo)入到ADAMS軟件環(huán)境下進行三維動態(tài)運動仿真，得到的虛擬條件下的運動學(xué)數(shù)據(jù)曲線，與試驗數(shù)據(jù)曲線吻合，由此驗證了虛擬樣機模型的正確性。2 .由已知的四桿機構(gòu)基本尺寸、足端運動軌跡及其水平、豎直位移曲線，會利用電腦軟件程序算出機構(gòu)各部分的運動軌跡，從而得到兩電機的運動方程。3 .由于時間的倉促，我們的結(jié)構(gòu)還有很多不足的地方還沒來得及優(yōu)化，希望未來我們有機會優(yōu)化并實現(xiàn)我們機構(gòu)。通過對各個參數(shù)進行精確的計算，得到準(zhǔn)確的結(jié)論。謝