I摘 要機器人的研究和制造水平逐漸成為一個國家或者地區(qū)綜合科技實力的標志。如何實現(xiàn)機器人在復雜環(huán)境中順利工作一直是研究人員關注的焦點。國內(nèi)外工程技術人員一直致力于研究機器人的動態(tài)步行，如何降低結構自由度并簡化控制一直是研究的難點。本課題從仿生學原理出發(fā)設計了一種能實現(xiàn)動態(tài)步行的新型四足步行機器人。本文對多足機器人的技術現(xiàn)狀和特點進行了綜合分析，確定了本課題的研究目標和預期結果。通過對馬的對角小跑步態(tài)分析，完成了對四足步行機器人步態(tài)的分析與原理方案的設計，主要包括步行機構的原理方案和轉(zhuǎn)彎機構的原理方案?；谏鲜龅脑矸桨?，對步行機器人的結構進行了設計，主要內(nèi)容有總體裝配圖設計、腿部結構設計、轉(zhuǎn)彎結構設計。在機構設計完成的基礎上，對齒輪軸、直齒圓錐齒輪、軸承等關鍵零件進行了校核計算。 本次設計完成的四足步行機器人在行走機構設計的基礎上加入減震裝置，對機器人的研究應用有一定的參考意義。關鍵詞：四足機器人；仿馬步態(tài)；轉(zhuǎn)彎機構；減震裝置IIABSTRACTThe research level of robot and manufacturing has become a symbol of a country or a region's comprehensive scientific and technological strength. The robot how to realize to working in the complex environment has become the focus of researchers. All engineering and technical personnel in the world, has been committed to research dynamic walking robots, how to reduce the degree of freedom of the structure and simplifies the control has been the difficulty of the study. This topic depart from the principle of bionics and design a new type of dynamic quadruped walking robot.This paper analyzes the technical status and characteristics of multi-legged robots, identified the topic of research objectives and expected results. Through the horse trotting gait analysis, analysis of quadruped walking robot gait and design the principles of the program, including the principles of the program and turn the principles of agency programs walking institutions.Based on the above principle scheme, the structure of walking robots were designed, the main contents are the general assembly drawing design, structural design of the legs, turning structural design. On the basis of mechanism design is completed, check and calculate the gear shaft, straight bevel gears, bearings and other key parts. Finally using Pro/E software to make animation for the action process of robot.The innovative design of quadruped walking robot walking mechanism and the application of shock absorber have certain reference significance to study on the robot application.Keywords: imitation horse gait; quadruped walking robot; turning mechanism;shock absorberIII目 錄摘要 .IABSTRACT II第 1 章 緒論.11.1 課題研究的目的和意義 11.2 國內(nèi)外關于四足步行機器人的發(fā)展現(xiàn)狀 21.2.1 國外關于四足步行機器人的發(fā)展現(xiàn)狀.21.2.2 國內(nèi)關于四足步行機器人的發(fā)展現(xiàn)狀.31.3 本設計的研究目標及完成的主要工作內(nèi)容、預期結果 51.3.1 研究目標.51.3.2 設計完成的主要工作內(nèi)容.51.3.3 本設計的預期結果.6第 2 章 機器人的步態(tài)分析與方案確定.82.1 四足步行機器人的步態(tài)分析與規(guī)劃 82.1.1 四足步行機器人的步態(tài)分析.82.1.2 四足步行機器人行走的步態(tài)規(guī)劃.92.1.3 四足步行機器人轉(zhuǎn)彎步態(tài)規(guī)劃.92.2 四足機器人步行機構的原理設計 102.2.1 大腿連桿組的設計.102.2.2 小腿連桿組的設計.11IV2.2.3 腳底面的設計.122.3 四足步行機器人總體方案的確定 132.3.1 設計的基本原則及目標要求.132.3.2 四足步行機器人的方案設計.132.3.3 設計方案的選擇和確定.172.4 本章小結 19第 3 章 四足步行機器人的結構設計.203.1 四足步行機器人腿部結構設計 203.2 四足步行機器人轉(zhuǎn)彎結構設計 203.3 四足步行機器人減震裝置的應用.213.3.1 減振器的工作原理.213.3.2 減振器的工作原理圖.223.4 四足步行機器人整體結構方案.233.5 本章小結 24第 4 章 重要機構部件的參數(shù)計算與校核.254.1 電機的計算與型號選取 254.2 直齒圓錐齒輪傳動設計與強度校核 274.3 轉(zhuǎn)彎機構傳動軸的強度校核計算 304.3.1 電機輸出端轉(zhuǎn)軸的強度校核304.3.2 傳動軸的強度校核計算344.4 軸承的壽命校核計算 37Ⅱ4.4.1 電機輸出端轉(zhuǎn)軸軸承的壽命校核計算.374.4.2 轉(zhuǎn)彎機構傳動軸軸承的壽命校核計算.374.5 轉(zhuǎn)彎機構錐齒輪軸平鍵的校核計算.384.6 轉(zhuǎn)彎機構與腿部機體連接螺栓的校核計算.384.7 本章小結.40結論.42參考文獻.43致謝.45第 1 章 緒論1第 1 章 緒論1.1 課題研究的目的和意義機器人技術是目前世界各國科研人員公認的的高新技術，它集合了機械設計、計算機與信息處理技術、自動化、傳感器應用技術和人工智能技術等多門學科的最新研究成果，可以說機器人技術是當之無愧的機電一體化技術的綜合體，所以研究人員對該領域的研究也是最活躍的。在不久的將來，科研人員對該技術的深入研究將直接推動機器人在生產(chǎn)生活中的推廣和應用。目前各國研究的移動式機器人主要包括輪式機器人、足式機器人和履帶式的機器人。無論哪種形式的機器人都可以平穩(wěn)的通過波紋比較小的地面。但是當?shù)孛娌y比較大的時候，就會使輪式機器人的能量損耗現(xiàn)象加重，尤其需要指出的是輪式機器人在比較軟的并且波紋浮動比較大的路面上根本無法正常工作。相比之下，履帶式的機器人可以在比較軟的并且波紋浮動比較大的路面上移動，但機動性會降低而且這種機器人的機身也會出現(xiàn)明顯的振動使得運動不平穩(wěn)?，F(xiàn)在研制的足式機器人正好彌補了那兩種移動機構的缺陷，研究人員從動物身上得到靈感設計了很多仿生足式機器人。該機器人對路況要求相對較低，僅需要有足夠的離散立足點就可以實現(xiàn)穩(wěn)定行走，但是這類機器人一般涉及較復雜的控制系統(tǒng)和一些復雜的新興科技，所以相關的技術還有待補充和完善。足式機器人按照足的數(shù)量可以劃分為分為雙足機器人和多足機器人。自然界中多足動物比較常見，在自然選擇的結構中存在下來，有其顯著的優(yōu)勢。所以，多足人的研究較多，另外多足機器人的穩(wěn)定性相對較好，承載能力強，控制容易實現(xiàn)。多足機器人的足數(shù)目前有四、六、八等。其中，足數(shù)為四的機器人與其他足數(shù)的機器人相比，具有明顯的優(yōu)勢，例如對運動的控制形式和靈活能力，對環(huán)境的判別能力和適應能力；另外四足步行機器人不僅有很好的靜態(tài)穩(wěn)定性，而且還有超強的動態(tài)步行能力，所以研究人員一直很重視四足機器人的研究和發(fā)展。本課題所設計的連桿式四足步行機器人可以承載一定的重量，由于設計的獨特性使得機器人的上機體保持平動，再加上減震裝置的減震效果，使得該機器人可以作為2良好的運輸工具。在后期再加上視覺搭載系統(tǒng)和傳感器，便可以實現(xiàn)機器人對周圍環(huán)境的識別功能。1.2 國內(nèi)外關于四足步行機器人的發(fā)展現(xiàn)狀近年來，機器人技術迅猛發(fā)展，該技術的發(fā)展和創(chuàng)新可以算是本世紀最重要的科研成果之一。一直到 1960 年以后才出現(xiàn)真正意義上的四足機器人。早在 1965 年的時候 Hildobran 拍下了四足哺乳動物在不同運動狀態(tài)下的照片，這為之后研究動物各種步態(tài)的具體過程打下良好的基礎 [1]。南斯拉夫的科學家 Tomovi 曾在機器人的行走過程中用到了有限狀態(tài)理論，并且明確的指出機器人在行走的時候腿部要么做支撐相要么做擺動相 [2]。McGhee 于 1968 年用步態(tài)矩陣去研究四足步行機器人的步態(tài) [3]，并且給出了腿的跨距 E、占空系數(shù) β、相位 等重要的概念，隨后他和其他學者 一起對四足步i?行機器人的對稱步態(tài)進行了研究，并把步態(tài)公式和步態(tài)矩陣有機結合在了一起 [4]。1985年中國臺灣的李祖天等人給出了對稱步態(tài)變量之間的數(shù)學表達式以及穩(wěn)定裕度的計算方法 [5]。四足步行機器人的應用前景十分廣闊，然而它的步態(tài)規(guī)劃和控制系統(tǒng)的簡化一直是研究的瓶頸。如何實現(xiàn)機器人的機構設計與步態(tài)的統(tǒng)一，是目前各國學者一直討論研究的熱點問題。1.2.1 國外關于四足步行機器人的發(fā)展現(xiàn)狀從機器人誕生到現(xiàn)在，機器技術已經(jīng)從最初的示教再現(xiàn)演變?yōu)槿滦偷闹悄軝C器人，該技術的應用也逐漸變得廣泛。尤其是進入 20 世紀 80 年代之后，世界各國開始紛紛設計和生產(chǎn)機器人產(chǎn)品和相關的附屬工具、零部件以及成熟的技術。很多科技公司也嘗試著把機器人變成具有使用價值的產(chǎn)品，并將這些產(chǎn)品推銷給大學或者研究部門來幫助科研人員相互學習，從而很好的創(chuàng)造了這樣一個互助互惠的平臺。這也就使得多足步行機器人的發(fā)展方向越來越多元化。日本東京工業(yè)大學研制的 TITAN 系列 [6~10] 是最具有代表性的四足步行機器人，如下圖 1.1 所示的是目前已經(jīng)成功推出的 TITAN-IX 機型，該機器人能夠完成掃雷排雷的作業(yè)。到了 20 世紀 90 年代，人們又對四足步行機器人進行了更深層次的研究，這次研究更加重視高自主性。例如微型機器人“Spider-bot” ，它是由美國 NASA 研制的，可以像蜘蛛一樣正常爬行于許多不規(guī)則的表面，該機器人的研究人員表示準備將其用于未來的太空探測 [11]，如圖 1.2 所示。在 2006 年初 Cornell 大學研制成功的機器人第 1 章 緒論3Cornell Ranger[12]是利用電機直接來驅(qū)動踝關節(jié)運動，隨后又研制出了輪足結合的月球步行機器人 ATHLETE[13](圖 1.3 )和用于軍用作戰(zhàn)運輸?shù)牟叫袡C器人 BigDog[14](圖 1.4 )。圖 1.1 四足機器人 TITAN-IX 圖 1.2 四足機器人 “Spider-bot”圖 1.3 四足步行機器人 ATHLETE 圖 1.4 美國的大狗 Bigdog另外，還有一些國家的研究人員也取得了顯著的研究成果。例如，2005 年的時候，韓國慶北大學設計的一種新型機器人 ELIRO-Ⅱ模仿蜥蜴的運動機理 [15,16] ，可以在光滑的墻壁上爬行。被廣泛應用于商業(yè)生產(chǎn)的步行機器人中最成功的是 Lynxmotion 公司研制的 [17]，該機器人的步行機構采用一個平面四桿縮放機構，而且每個機械腿都只具有二個自由度卻成功實現(xiàn)了機器人的前進、后退、左右轉(zhuǎn)彎，另外該機器人最具創(chuàng)新的地方就是它的記憶體有一半是留給客戶去自由支配的。41.2.2 國內(nèi)關于四足步行機器人的發(fā)展現(xiàn)狀我國開始研究機器人比較晚，但是不可否認的是我國的機器人技術進步還是比較快的，已經(jīng)取得不錯的成績的領域有工業(yè)機器人、特種機器人和水下機器人等等。針對四足步行機器人，上海交通大學機器人研究所研制的二種四足步行機器人比較典型，如圖1.5所示。（a ）圖所示的是利用平面四桿機構作為腿部機構的四足步行機器人，該機器人可以完成跨越障礙和爬樓梯等多種高難度動作，這個機器人還能實現(xiàn)對周圍環(huán)境的識別和相應步態(tài)的調(diào)整；（b）圖所示的能夠?qū)崿F(xiàn)對角動態(tài)步行的四足機器人的步行機構是開環(huán)關節(jié)連桿機構, 在該機器人的每個足底均使用壓電薄膜式力傳感器來進行信息反饋。(a)四連桿爬行機器人 (b) 多關節(jié)四足機器人圖 1.5 由上海交通大學自主研發(fā)的兩種四足步行機器人另外，圖1.6所展示的是清華大學機器人研制成功的兩種四足機器人。下圖(a)所展示的四足步行機器人起名為 QW-1，這是由清華大學機器人實驗室最先推出的一個機器人，研究人員把平面四桿縮放機構作為該機器人的步行機構，機器人的全方位感應是通過腳底的壓力傳感器來實現(xiàn)的；圖(b)所示為清華大學相繼推出的仿蛙機器人，它的步行機構是開環(huán)連桿機構，該機器人可以實現(xiàn)上下坡和越障，即使在復雜的地面上仍然具有穩(wěn)定的自主行走能力。第 1 章 緒論5(a) QW-1 (b) 仿蛙機器人圖 1.6 由清華大學自主研發(fā)的機器人在2004年, 圖1.7所示的是由華中科技大學自主研發(fā)的具有手臂融合機構的“4 ＋2”步行機器人 [18,19]。該步行機器人正常行走的時候才用六條腿協(xié)調(diào)運動，當需要進行工作任務的時候就會抬起前兩條腿來變成機械手進行工作，另外四條腿則保持協(xié)調(diào)運動或者起到支撐架的作用。其外形尺寸為1240 mm×920 mm×550 mm。該機器人即能行走又能完成機械手功能的這一設計思想充分體現(xiàn)了機器人的多運動形式和多功能性。華中科技大學、哈爾濱工程大學、哈爾濱工業(yè)大學等高校也一直設計和研究四足步行機器人。例如哈工大研究人員巧妙的采用蝸輪蝸桿傳動作為四足機器人的步行機構，如圖 1.8 所示。圖 1.7 手腳融合型機器人 圖 1.8 渦輪蝸桿傳動型機器人1.3 本設計的研究目標及完成的主要工作內(nèi)容、預期結果1.3.1 研究目標本課題為主要用于在一定波形路面上行走的新型四足步行機器人的結構設計及仿真。首先應該對現(xiàn)有的四足步行機器人的運動原理和結構形式進行了解和分析，其次明確本次的設計任務，并采用合理的方法來完成四足步行機器人總體方案的設計。最后對機器人重要部位進行創(chuàng)新設計從而更好地滿足機器人的功能要求。首先，現(xiàn)在國內(nèi)外研制的四足步行機器人的結構一般相對簡單，但是控制系統(tǒng)復雜，并且研究靜態(tài)步行的機器人較多，很少有對動態(tài)步行的研究。所以本設計的目的6在于簡化結構的同時也相應的簡化控制系統(tǒng)的設計，增加該類步行機器人的功能多樣性，使得其適應性更強，成本更低，更加適用于市場推廣。另外，本設計的一大特色是采用模塊化設計思想。本設計中機器人的腿部結構可根據(jù)工況的變化而更換。比如，采用可在水平地面上的穩(wěn)定行走的摩擦系數(shù)較大的輪式足結構；用連桿結構，可實現(xiàn)在多障礙場合進行輕松越障的行走工作，其實現(xiàn)形式就是在小腿部位換裝不同結構的腳部結構。在本次設計中只采用一種結構，即通過設計一種合理的曲線來保證機器人行走時的腰部始終在同一水平線上的腳底形狀。1.3.2 設計完成的主要工作內(nèi)容1、四足步行機器人總體方案的確定與相關參數(shù)的確定（1）對目前現(xiàn)有的四足步行機器人查閱了相關的資料，全面地了解國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀。先初步對四足步行機器人的總體方案進行確定，其任務主要包括步行機器人的整體結構、轉(zhuǎn)彎機構的部分結構及步行機構的部分結構的方案設計，并簡單敘述了最佳方案選擇的全過程。（2）確定四足步行機器人總體方案的重要參數(shù)，主要包括機器人總體的結構尺寸、步行機構的尺寸、轉(zhuǎn)彎機構的尺寸，各個驅(qū)動部分電機的選擇，相關零部件參數(shù)的選擇和校核計算等等；2、四足步行機器人結構的設計（1）總體結構的設計，規(guī)劃本課題設計的步行機器人的行走及轉(zhuǎn)彎步態(tài)，設計機器人四條腿的協(xié)調(diào)運動等等；（2）步行機構的設計，主要包括傳動裝置、小腿部分結構的設計，闡述機構工作原理，確定傳動方案；（3）轉(zhuǎn)彎機構的設計，主要包括轉(zhuǎn)動機構傳動裝置的設計，闡述工作原理，確定傳動方案。3、四足步行機器人主要零部件的校核與相關零件和元器件的選擇（1）進行相關零部件和元器件的選擇，包括電機選型、滾動軸承型號等；（2）直齒圓錐齒輪的尺寸參數(shù)的確定和強度校核的計算；第 1 章 緒論7（3）傳動軸材料的選擇、結構尺寸的設計及強度的校核計算；（4）軸承強度的校核與壽命的計算；（5）螺栓組強度和使用壽命的相關校核。4、四足步行機器人的工程圖繪制按照機械制圖的規(guī)范和要求來繪制四足步行機器人的總體裝配圖、步行機構的部件圖和相關零件的零件圖，用手工及計算機出圖。1.3.3 本設計的預期結果本設計要求最終能夠?qū)崿F(xiàn)的預期目標主要是：確定總體方案，選擇適合的電機型號，完成步行機器人的總體結構設計，使步行機構和轉(zhuǎn)彎機構能夠相互配合運動，從而讓四足步行機器人實現(xiàn)小跑步態(tài)運動和避障等功能。要求該四足機器人的步行機構能夠?qū)崿F(xiàn)機器人四條腿的協(xié)調(diào)運動，保證四條腿及轉(zhuǎn)彎機構能夠在抬起的時候不會使機器人整體傾覆，并要求在運動過程中始終保證機器人的相對穩(wěn)定性。四足步行機器人的四個步行機構分別采用一個電機驅(qū)動一個機械腿的形式是為了保證機器人在運動過程中控制更加方便可靠和使得相互之間耦合關系減弱而加上去的，該機器人每條腿的結構相似，四條腿之間相互配合運動，進而保證四足步行機器人相對穩(wěn)定的運動。本課題設計的四足步行機器人的腳部機構不僅要盡量保證在支撐時與地面始終接觸，還要要求支撐腿在支撐過程中配合擺動腿進行蹬地運動，保證步行機器人在行走時的協(xié)調(diào)運動。8第 2 章 機器人的步態(tài)分析與方案確定2.1 四足步行機器人的步態(tài)分析與規(guī)劃2.1.1 四足步行機器人的步態(tài)分析從發(fā)展機器人技術之前，科學家就已經(jīng)在努力研究動物和昆蟲的行走方式，動物的步態(tài)實現(xiàn)形式一直是生物學家的研究難題 [20~23]。近幾年從事機器人技術的研究人員一直在努力構造動物副本的步行行走姿態(tài)—多足步行機器人。根據(jù)步行機器人結構的特殊性，開發(fā)出來了不同于動物行走步態(tài)的奇特行走姿態(tài)，從而實現(xiàn)機器人的功能。步態(tài)規(guī)劃對四足步行機器人來說非常重要。在進行四足步行機器人結構設計之前，應該先合理的規(guī)劃步行機器人的步態(tài)才能得出合理的機構設計。根據(jù)真實馬的行走方式，設計出步行機器人的直線行走與轉(zhuǎn)彎時各個部位間的相互運動的關系。為了能夠更好的規(guī)劃四足步行機器人的行走方式，本文首先研究了現(xiàn)實生活中馬行走時的步態(tài)。首先，給出步態(tài)的定義：指步行機構中各個腿的動作順序和方式的規(guī)律 [26]。人們通常把步態(tài)劃分為對稱的和非對稱的。如果四個腿中存在地時間相等的雙腿，則被稱為對稱步態(tài)比如行走（walk） 、溜蹄（ pace）和對角小跑（trot） [24]；雙腿著地時間不相等的，就是非對稱步態(tài)比如奔跑（gallop ） 。有的研究文獻中，把慢跑（canter ）歸為非對稱步態(tài) [25]。本文將詳細介紹一下馬的對角小跑步態(tài)。四足動物最常使用的對角小跑步態(tài)是一種中等速度的步態(tài)，當它們由行走向奔跑變換步態(tài)的時候就會用對角小跑步態(tài)來提高行走速度。馬在小跑時斜對角的兩條腿同步動作。簡單地說，當對角的兩條腿同時作為支撐相時，另外兩條腿作為擺動相。支撐相的兩條腿著地點的連線在機器人機體的下方，可以說這種步態(tài)也是相對穩(wěn)定的動態(tài)步行方式。對于某些兩棲動物來說，由于它們的神經(jīng)系統(tǒng)簡單而無法控制穩(wěn)定性相對較低的非對稱步態(tài)，只能采用對角小跑步態(tài)來提高速度，所以這種步態(tài)成為它們躲避敵人或者捕食獵物時的最佳動作。如圖 2.1 所示，馬在小跑時，大部分時間是對角的兩條腿作為支撐相，另外兩條腿則作為擺動相， ，并且四條腿或者三條腿在相當短暫的時間內(nèi)能夠同時起到支撐作用。第 1 章 緒論9這種步態(tài)的移動速度中等。研究表明，正常情況下成年的馬在完成一個步態(tài)周期所用的時間大約是 1 秒左右。第 2 章 四足步行機器人的總體方案確定11圖 2.1 馬在小跑時的示意圖2.1.2 四足步行機器人行走的步態(tài)規(guī)劃圖 2.2 所展示的是機器人小跑時的原理分析圖。123412341234圖 2.2 機器人小跑運動分析圖如圖 2.2 所示，機器人在小跑運動時四條腿的具體動作過程為：（1）初始位姿如圖 2.2 第一個圖，四條腿同時作為支撐相站立在地面上；（2）開始邁步的時候，右前腿 3 和左后腿 1 往前邁步，同時左前腿 2 和右后腿 4往后蹬地從而實現(xiàn)第一個跨步；（3）當右前腿 3 和左后腿 1 再次著地的同時，左前腿 2 和右后腿 4 開始往前邁步，并且右前腿 3 和左后腿 1 往后蹬地；（4）四個腿成對依次完成邁步動作，形成一個步態(tài)周期。2.1.3 四足步行機器人轉(zhuǎn)彎步態(tài)規(guī)劃為了實現(xiàn)四足步行機器人的轉(zhuǎn)彎，設計出用錐齒輪傳動的系統(tǒng)安裝在腿部機體上12[17]，四個電機依次轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)彎，如圖 2.3 所示的是四足步行機器人的轉(zhuǎn)彎步態(tài)過程，具體的過程可以描述為：（1）左前腿 3 和右后腿 1 在往前邁步的時候轉(zhuǎn)過一定的角度；（2）當右前腿 4 和左后腿 2 往前邁步的時候也轉(zhuǎn)過相同的角度；（3）當避開障礙后，右前腿 4 和左后腿 2 在往前邁步的時候電機反轉(zhuǎn)相同的角度，左前腿 3 和右后腿 1 在邁步的時候也反轉(zhuǎn)相同的角度；（4）這樣在一個步態(tài)周期內(nèi)就可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，快速方便。1234 1234 1234圖 2.3 四足機器人的轉(zhuǎn)彎示意圖2.2 四足機器人步行機構的原理設計步行機構設計至關重要。它的主要作用是實現(xiàn)機器人在路面上的行走，所以說該機構設計的好壞是評價整個步行機器人的結構性能和運動靈活性的重要標準。本課題設計的機器人在設計時用到了聯(lián)動的平面六連桿機構。連桿機構不僅有可靠性高，運動準確，對裝配誤差不敏感，可以實現(xiàn)復雜的運動規(guī)律的優(yōu)點，而且連桿機構制造簡單，成本低，這符合設計一種適合市場推廣的產(chǎn)品的思路。本次設計的四足機器人實現(xiàn)腿部各個關節(jié)聯(lián)動的方式是通過連桿間的相互連接運動，由單個動力源驅(qū)動，雙腿聯(lián)動，減少了控制環(huán)節(jié)，進一步降低了成本。連桿的設計是設計本機構的關鍵，其中各連桿的尺寸是設計的主要內(nèi)容，該機構的連桿大致可以分成兩個四連桿機構，即大腿連桿組和小腿連桿組，可以對齊分別進行設計。設計連桿的方法有很多，本文采用作圖法和解析法相結合的方法，具體設計方法如下。第 2 章 四足步行機器人的總體方案確定132.2.1 大腿連桿組的設計圖 2.4 所展示的是機器人大腿部分的四連桿機構—曲柄搖桿。由機架（連桿 1） ，大腿（連桿 2） ，大腿連桿（連桿 3） ，曲柄（連桿 4）構成。根據(jù)結構的需要確定連桿 1 為固定連桿，長度為 L1，搖桿 2 長度為 L2，應用兩個極限位置可得曲柄 4(L4)與連桿 3(L3)的關系。于是得到各連桿的尺寸。并且得到機器人左右腿的兩個曲柄的相位差始終為 15°，由于雙腿聯(lián)動，即一條腿到達最前的位置時另一條腿已經(jīng)到達最后的位置，所以只要讓左腿和右腿的曲柄機構成 150°-15°=135°夾角即可。1 5 °4L1L3 2L1d2圖 2.3 大腿連桿組計算2.2.2 小腿連桿組的設計小腿連桿為雙搖桿機構，由大腿連桿（連桿 3） ，大腿（連桿 2） ，連桿 6，連桿 7構成。應用兩個極限位置，將連桿 5 旋轉(zhuǎn)到相同位置可以繪制出如 2.5 所示的圖形，應用余弦定理可以很容易的計算出, 或者在 CAD 軟件中直接測量。對三角形 ΔABC 和 ΔA′B′C′應用余弦定理：2 2848417cos()LdL?????332聯(lián)立，解得各連桿尺寸。141 0 3 °AA′D ′DCB大腿小腿6L7L851 2 2 ° 1 0 3 °圖 2.4 小腿連桿組計算 圖 2.5 腳底曲線設計2.2.3 腳底面的設計正常動物行走時腰部并不是始終在同一條水平線上，運動時腰部會有一定的起伏，顯然對四足機器人剛性連接的機體上下運動是不方便的，所以通過設計合理的腳底曲線來保證機器人行走時的腰部始終在同一水平線上。腳底與地面的配合的要求并不是非常精確，故采用描點法設計腳底曲線。其設計方法是：在水平的地面上畫一系列點，運動仿真后以這些點在小腿上畫軌跡曲線，這些軌跡曲線的包絡線的一部分就是我們所需要的腳底曲線，如圖 2.6 所示。至此，腿部行走機構各個連桿尺寸和位置的設計計算完成。結構原理圖如圖 2.7所示。第 2 章 四足步行機器人的總體方案確定15圖 2.7 步行機構本體簡圖根據(jù)圖 2.7 步行機構簡圖，電機直接帶動曲柄旋轉(zhuǎn)，曲柄作整周運動來實現(xiàn)大腿的擺動，曲柄帶動的連桿作為搖桿再帶動小腿的擺動，從而實現(xiàn)向前邁步和向后蹬地的連續(xù)動作。此步行機器人結構能模仿馬在對角小跑時的步態(tài)。其工作原理為：電機組件（7）順時針轉(zhuǎn)動（主視圖）從而帶動曲柄（6）轉(zhuǎn)過一定角度 a，這樣就會帶動大腿和小腿相對擺動一定的角度，當曲柄被動整周轉(zhuǎn)動時，小腿就會實現(xiàn)往前邁步和王后蹬地的循環(huán)動作，從初始位姿的與地面接觸到抬腿，從抬腿到與地面接觸，再到往后蹬地這幾個過程轉(zhuǎn)過的角度是相等的，所以換腿的時間也是相等的，所以該設計的機器人在運動的時候符合小跑步態(tài)時四條腿分布時序表，如圖 2.8 所示。定義小跑步態(tài)的占空系數(shù) ,根據(jù)小跑步態(tài)獨特的特點和對時序分析參數(shù)的定義，設定0.5??。定義一個跨步周期是根據(jù)任意一條腿相鄰兩次落地的時間差。由于fhpT對角小跑步態(tài)比較獨特，每條腿在同一時間內(nèi)的跨步周期中依次完成著地及抬起動作，而且對角腿的著地和抬起時間和其它兩條腿在下個周期中的著地和抬起時間位于同一個跨步周期。16時間 t / s腿序號i4321T1t15t2t16t13t17t14t8圖 2.8 小跑步態(tài)跨步周期時序表2.3 四足步行機器人總體方案的確定2.3.1 設計的基本原則及目標要求本設計的基本原則是在對馬的小跑步態(tài)進行運動仿生的基礎上，實現(xiàn)機構的行走和轉(zhuǎn)彎運動，保證步行機器人運動的平穩(wěn)性，同時還要保證步行機器人的各個模塊易于拆卸維護，在滿足機器人能適應具有一定波動的路面的基礎上，形成一個在地面上靈活運動的四足步行機器人。本設計的目標要求是以四足哺乳動物-馬的運動步態(tài)作為基本原理，進行四足步行機器人的基本機械結構設計，主要包括步行機構和轉(zhuǎn)彎機構的設計，并在盡量減少附加動力和簡化外部控制的基礎上，使各個機構實現(xiàn)四足步行機器人的對角步態(tài)式的行走及轉(zhuǎn)彎運動，并且通過控制電機轉(zhuǎn)動相位差來保證設計的可行性。在保證步行機器人實現(xiàn)預定功能，運動平穩(wěn)及方便維修的基礎上，要做到盡量減少不必要的機構設計，使機構設計得到簡化的同時又能很好的滿足機器人的使用要求。2.3.2 四足步行機器人的方案設計1、四足步行機器人足數(shù)的方案設計步行機器人最重要的結構就是步行機構，所以對步行機構的合理設計是對機器人第 2 章 四足步行機器人的總體方案確定17設計成功與否的重要標志 [26]。目前所設計的機器人腿部數(shù)量越來越多。通過研究發(fā)現(xiàn)足數(shù)為偶數(shù)時容易產(chǎn)生相對穩(wěn)定的步態(tài)。一般來說足數(shù)越多承載能力就會越大，而足數(shù)越少其運動就會相對的越靈活?？偨Y對足數(shù)選擇的主要影響因素主要包括：機器人運動穩(wěn)定性的要求，機構冗余性要求(就是當步行機器人的腿部受到一定的損壞時還可以正常行走)，能量損耗情況，生產(chǎn)并制造機器人的成本，機器人的重量，旋轉(zhuǎn)關節(jié)所需控制的復雜程度和機器人為了實現(xiàn)相應任務所需安裝傳感器的復雜程度。如果步行機器人的性能要求及對工作條件的要求不一樣則在確定步行機器人足的數(shù)目時的側(cè)重點也就會不一樣。表 2.1 所列出的是機器人足數(shù)不同對應的幾個不同性能對比分析。表 2.1 步行機器人的足數(shù)與性能評價分析表足數(shù) 2 3 4 6 8靜態(tài)穩(wěn)定行走的能力 無 無 中等 良好 優(yōu)秀動態(tài)穩(wěn)定行走的能力 較差 中等 優(yōu)秀 良好 良好用自由度衡量的機械結構復雜程度優(yōu)秀 中等 良好 較差 較差通過分析比較可以得出的結論：四足步行機器人相對于其他步行機器人來說其機械結構相對簡單，而且四足機器人動態(tài)行走能力是最好的，故可以實現(xiàn)馬的小跑步態(tài)。綜和上述分析，本文最終選用四足步行機器人。2、四足步行機器人步行機構的方案設計本文所研究的對象是四足步行機器人，根據(jù)現(xiàn)有的技術方案，有很多種執(zhí)行方式可供選擇。國內(nèi)外的一些四足機器人的步行機構大多采用開鏈式、閉鏈式以及其他形式的結構等。閉鏈式的步行機構有較好的承載力、剛性和較小的功耗，腿部末端在機體上部有較大的運動空間，從而給機構帶來死點。研究人員有時會應用動物的四肢結構來設計步行機器人的步行結構。所以多是關節(jié)式的步行機構，這種機構結構簡單而18緊湊，足端相對運動空間大，運動時就算出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)也能很快恢復最初的姿態(tài)。它的缺點是四個腿的耦合運動導致協(xié)調(diào)控制變得復雜難實現(xiàn)，另外機器人的承載能力也會下降。由于本次設計的機器人是開鏈式的，所以本文僅簡單分析以下兩種開鏈式步行機構。（1）二自由度的腿部開鏈式連桿機構圖 2.9（左）所展示的是具有兩個自由度的腿部的模型。該開環(huán)式腿的組成有小腿、大腿和髖關節(jié)。兩個自由度分別是：一個是大小腿組成的為了實現(xiàn)腿抬起和下落的平面連桿機構；另一個是為了實現(xiàn)腿的前后擺動的連接關節(jié)—髖關節(jié)。右圖中的圓柱為髖關節(jié)，大腿長度是 ，小腿長度是 。小腿在 A 點繞軸轉(zhuǎn)動。1L2LZ 軸Y 軸X 軸αβγpqB圖 2.9 二自由度的開鏈式步行機構當機構處于某個位置，大腿關節(jié)轉(zhuǎn)動角設為 ，小腿桿轉(zhuǎn)角設為 ，p ,q 分別表??示為桿長在 oxy 平面內(nèi)的投影和髖關節(jié)距離地面的高度。則可以得出足端 B 點的運動軌跡方程，式（2-1）中負號表示沿 Z 軸的負方向。（2-1）cosinbxptzq???????????12cosinpLq????（2）三自由度的腿部開鏈式連桿機構如圖 2.10（左）所示為三自由度的開鏈式連桿機構的示意圖。三個自由度分別是：髖關節(jié)—繞 Z 軸轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)半徑設為 ；大腿關節(jié)—繞著與大小腿運動所成平面垂直1L第 2 章 四足步行機器人的總體方案確定19軸旋轉(zhuǎn)，桿長設為 ；小腿關節(jié)—繞 Y 軸旋轉(zhuǎn)，桿長設為 。2L 3LZ 軸Y 軸X 軸pqCOABαβγΦ12L3圖 2.10 三自由度的開鏈式步行機構圖 2.10（右）所展示的是機構處于某位置，小腿桿轉(zhuǎn)角設為 ，大腿關節(jié)轉(zhuǎn)角設?為 和髖關節(jié)夾角設為 ，則得出式（2-2）所示的足端 C 點的軌跡方程。??（2-2）cosinbxptzq??????????式中： ????12332cosinisi90sipLqL????????????從上式中可以得出結論是：在 X-Z 平面內(nèi)足端運動曲線類似橢圓，機器人髖關節(jié)再轉(zhuǎn)動就會使得足端的運動空間變成三維。所要設計的四足步行機器人，它的工作對象設定為一定較小波動和有較大障礙的地面，要求承載能力大、運動平穩(wěn)、振動小、速度適中、適應能力強，并且要求結構設計簡單，這樣控制系統(tǒng)就會相對簡單，從整體上降低設計和生產(chǎn)成本。在本設計中采用具有兩自由度的開鏈式腿結構。表 2.2 是對幾種具體的腿部結構形式的分析比較。表 2.2 不同腿部結構形式分析表20優(yōu)點 缺點單關節(jié)直接驅(qū)動式 結構簡單，轉(zhuǎn)彎容易，易實現(xiàn)運動仿生 電機數(shù)量多，控制復雜，平面連桿式 運動形式多，傳動壓力小，磨損輕，制作簡 單，成本高慣性力難平衡，設計復雜，積累誤差輪足一體式 承載能力大，具有很強的適應能力 對路面要求高，應用范圍窄蝸輪蝸桿式承載能力大，運動平穩(wěn)，控制簡便，適應能力強運動速度慢，結構笨重，運動局限性大通過分析比較，決定采用平面連桿式結構，大腿和小腿采用聯(lián)動方式，從而將減少驅(qū)動元件，也就會使得控制系統(tǒng)簡化。3、四足機器人轉(zhuǎn)彎機構的方案設計轉(zhuǎn)彎機構是機器人的重要部分之一，主要功能是使機器人能實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運動，從而成功避開較大的障礙物。在進行步行機器人的結構設計時要盡量減少自由度而且簡化控制。初步確定機器人的驅(qū)動源都采用電機。轉(zhuǎn)彎機構的電機分布方案有如下兩種：（a）雙電機分布式轉(zhuǎn)彎機構這種雙電機分布式轉(zhuǎn)彎機構的主要工作原理是把兩個一樣的空心杯直流伺服電機分別安裝在對角的兩個腿部，一個電機控制兩個轉(zhuǎn)動關節(jié)，而在轉(zhuǎn)彎機構的中間用同步帶傳動，但是這種布局會增加機器人機體的整體尺寸，也會使重心不在機體幾何中心，這不符合小跑步態(tài)的重心要求。（b）四電機分布式轉(zhuǎn)彎機構四電機分布式轉(zhuǎn)彎機構的主要工作原理是每個腿部機構都單獨由一個伺服電機來實現(xiàn)驅(qū)動，這樣轉(zhuǎn)彎機構會更加的靈活，相互之間不會產(chǎn)生運動干涉，也很好的控制了整體尺寸。轉(zhuǎn)彎機構中最常見的傳動方案有：第 2 章 四足步行機器人的總體方案確定21（a）帶傳動：一般來說帶傳動具有良好的彈性，而且傳動比較平穩(wěn)，噪聲小而且有很好的吸振和緩沖的作用；帶傳動會使機構簡單化，制造、安裝及維護都比較方便；一般使用于大中心距的傳動；外形輪廓尺寸大且效率低。（b）齒輪傳動：傳動比準確，效率高，傳動功率和速度范圍廣，工作可靠，結構緊湊；但是齒輪制造成本相對較高，精度低的時候噪聲大。（c）蝸桿傳動：能夠?qū)崿F(xiàn)大的傳動比，并且工作較平穩(wěn)；當蝸桿的導程角≤3.5°～ 6°時傳動具有自鎖性，傳動效率較低，制造成本較高。（d）螺旋傳動：傳動精度高，但是加工精度也高，成本較高，主要將旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動，將轉(zhuǎn)矩變成推力。2.3.3 設計方案的選擇和確定1、方案評選的基本原則根據(jù)以下準則進行機器人最終方案的確定（a）整個運動系統(tǒng)的工作流程要能夠充分體現(xiàn)高效化和自動化；（b）各個部分的機構部件設計在達到高可靠性和易裝拆維護的基礎上的同時，還要實現(xiàn)運動的相對平穩(wěn)性和靈活性；（c）對工作環(huán)境適應性要強，而且應用范圍要廣；（d）在模仿生物運動機理的基礎上，盡量用簡單的機械結構來實現(xiàn)多種功能。在設計四足步行機器人的整體結構的過程中應該一直貫徹這樣的設計思想：設計不僅要保證機器人的運動穩(wěn)定性和可靠性，而且在此基礎上要做到使各個機構的零部件能夠保證機械傳動銜接的合理性，并且最大限度的降低機器人在機械傳動系統(tǒng)中所加入的外加動力源的數(shù)量。2、步行機構的方案評價和確定第一種兩個自由度的開鏈式步行機器人是通過連桿平面運動和髖關節(jié)轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)直線行走和轉(zhuǎn)彎避障的運動。第二種三自由度開鏈式步行機器人雖然動作靈活，使步22行機器人適應于更廣的范圍與領域，但是足端運動軌跡較為復雜，再加上髖關節(jié)的轉(zhuǎn)動，使得足端運動是一個空間軌跡，在控制各個關節(jié)的轉(zhuǎn)動角度和時間時較為復雜。但第一種機器人和第二種機器人的結構形式都很具有參考價值。根據(jù)課題的相關要求和通過比較各種腿部具體結構，最終決定四足機器人的步行結構采用平面四連桿機構。設計一種新穎的四足步行機器人，并確定機構設計方案使得該機器人滿足本應具有的性能。3、四足步行機器人轉(zhuǎn)彎機構方案評價和確定（1）電機分布方案的確定四電機分布的轉(zhuǎn)彎機構相對于兩電機分布的轉(zhuǎn)彎機構方案，雖然多出了兩個電機，但是能更好的實現(xiàn)四足步行機器人的轉(zhuǎn)彎姿態(tài)，更能體現(xiàn)四足步行機器人的運動平穩(wěn)性及可控性，所以選擇四電機驅(qū)動轉(zhuǎn)彎機構。（2）傳動方案的確定考慮到步行機器人的轉(zhuǎn)彎運動是通過相交軸傳動來實現(xiàn)的，并且要求結構要緊湊、高效率和低成本，最終決定采用錐齒輪傳動方案來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎機構的傳動。4、總體原理方案的確定在本課題的四足步行機器人的設計基礎上，由于采用平面連桿機構實現(xiàn)直線行走和轉(zhuǎn)彎避障的思想，由此確定在設計中主要存在如下兩個設計難點：步行機構和轉(zhuǎn)彎機構。首先，對于步行結構來說已確定為電機驅(qū)動。具體采用曲柄搖桿機構和雙搖桿機構實現(xiàn)大腿和小腿的聯(lián)動。一個電機驅(qū)動一個步行機構，不僅使得電機的數(shù)量大大減少，關節(jié)自由度數(shù)降低，而且運動形式單一，從而使得該機器人方便控制，而且這樣的設計也使機器人結構更加緊湊。其次，針對機身部分的結構設計來說，將轉(zhuǎn)體結構設計在機體上從而增加腰部回轉(zhuǎn)關節(jié)，這樣的設計較容易，驅(qū)動較少，易于實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)體。但是，腰部回轉(zhuǎn)關節(jié)的加入，不僅會降低機器人的承載能力，而且在實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運動時，腿的相互協(xié)調(diào)非常困難，尤其是針對本設計采用的小跑步態(tài)。將轉(zhuǎn)彎機構設計在腿與機體的連接部位，雖然增加了驅(qū)動數(shù)量但是運動實現(xiàn)形式簡單化，所以最終確定采用四電機分布的轉(zhuǎn)彎機構。第 2 章 四足步行機器人的總體方案確定232.4 本章小結本章主要對機器人的步態(tài)進行了重點研究，同時完成了四足步行機器人系統(tǒng)方案的提出和論證及最終方案的確定。采用平面四連桿機構和齒輪傳動的轉(zhuǎn)彎機構的結構系統(tǒng)設計方案，在最大程度上滿足了四足步行機器人系統(tǒng)設計的基本原則，最大程度的簡化結構。這符合四足步行機器人設計的目的及基本原則，同時也充分的體現(xiàn)了創(chuàng)新型設計的要求，為下一章節(jié)具體的結構設計做了準備。24第 3 章 四足步行機器人的結構設計3.1 四足步行機器人腿部結構設計本課題設計的機器人腿部結構設計的重點是行走機構，采用聯(lián)動的平面六連桿機構。由單個動力源驅(qū)動，雙腿聯(lián)動，控制系統(tǒng)得到簡化,具體結構見圖 3.1。123456781-腳部 2-減震裝置 3-大腿桿件 4-小腿桿件 5-大腿連桿 6-曲柄 7-電機組件 8-軸承端蓋 圖 3.1 步行機構的結構詳圖3.2 四足步行機器人轉(zhuǎn)彎結構設計本設計中的步行機器人轉(zhuǎn)彎機構不僅是機器人腿部和機體的連接機構，而且直接利用電機驅(qū)動直齒圓錐齒輪進而帶動傳動軸轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)彎運動。本設計的機器人轉(zhuǎn)彎機構利用四個直流空心杯伺服調(diào)速電機相互配合完成機器人的轉(zhuǎn)彎動作，同時四個電機相配合也增加了機器人的限制度，可以達到僅使用電機就能智能控制步行機器人進行正常的工作。本設計中的機器人轉(zhuǎn)彎機構是在機器人的步行機構的基礎上添加齒輪傳動來實現(xiàn)的，具體結構形式如圖 3.2 所示。