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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 absorber Ⅱ 目 錄 摘要 I ABSTRACT II 第1章 緒論 1 1.1 課題研究的目的和意義 1 1.2 國內外關于四足步行機器人的發(fā)展現狀 2 1.2.1 國外關于四足步行機器人的發(fā)展現狀 2 1.2.2 國內關于四足步行機器人的發(fā)展現狀 3 1.3 本設計的研究目標及完成的主要工作內容、預期結果 5 1.3.1 研究目標 5 1.3.2 設計完成的主要工作內容 5 1.3.3 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 8 2.1 四足步行機器人的步態(tài)分析與規(guī)劃 8 2.1.1 四足步行機器人的步態(tài)分析 8 2.1.2 四足步行機器人行走的步態(tài)規(guī)劃 9 2.1.3 四足步行機器人轉彎步態(tài)規(guī)劃 9 2.2 四足機器人步行機構的原理設計 10 2.2.1 大腿連桿組的設計 10 2.2.2 小腿連桿組的設計 11 2.2.3 腳底面的設計 12 2.3 四足步行機器人總體方案的確定 13 2.3.1 設計的基本原則及目標要求 13 2.3.2 四足步行機器人的方案設計 13 2.3.3 設計方案的選擇和確定 17 2.4 本章小結 19 第3章 四足步行機器人的結構設計 20 3.1 四足步行機器人腿部結構設計 20 3.2 四足步行機器人轉彎結構設計 20 3.3四足步行機器人減震裝置的應用 21 3.3.1 減振器的工作原理 21 3.3.2 減振器的工作原理圖 22 3.4四足步行機器人整體結構方案 23 3.5 本章小結 24 第4章 重要機構部件的參數計算與校核 25 4.1 電機的計算與型號選取 25 4.2 直齒圓錐齒輪傳動設計與強度校核 27 4.3 轉彎機構傳動軸的強度校核計算 30 4.3.1電機輸出端轉軸的強度校核 30 4.3.2傳動軸的強度校核計算 34 4.4 軸承的壽命校核計算 37 4.4.1 電機輸出端轉軸軸承的壽命校核計算 37 4.4.2 轉彎機構傳動軸軸承的壽命校核計算 38 4.5轉彎機構錐齒輪軸平鍵的校核計算 38 4.6轉彎機構與腿部機體連接螺栓的校核計算 39 4.7本章小結 40 第5章 四足步行機器人的三維建模與運動仿真 41 5.1 概述 41 5.2 三維建模軟件的介紹 41 5.3 三維建模工作的主要內容 42 5.4 本章小結 45 結論 46 參考文獻 47 攻讀學士學位期間發(fā)表的論文和取得的科研成果 49 致謝 50 第1章 緒論 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。但是當地面波紋比較大的時候，就會使輪式機器人的能量損耗現象加重，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明顯的振動使得運動不平穩(wěn)。現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。多足機器人的足數目前有四、六、八等。其中，足數為四的機器人與其他足數的機器人相比，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，便可以實現機器人對周圍環(huán)境的識別功能。 1.2 國內外關于四足步行機器人的發(fā)展現狀 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β、相位等重要的概念，隨后他和其他學者 一起對四足步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)展現狀 從機器人誕生到現在，機器技術已經從最初的示教再現演變?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機器人產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品，并將這些產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Cornell Ranger[12]是利用電機直接來驅動踝關節(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)運輸的步行機器人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了機器人的前進、后退、左右轉彎，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。 1.2.2 國內關于四足步行機器人的發(fā)展現狀 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對周圍環(huán)境的識別和相應步態(tài)的調整；（b）圖所示的能夠實現對角動態(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。 (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了機器人的多運動形式和多功能性。華中科技大學、xxx工程大學、xxx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，現在國內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)定行走的摩擦系數較大的輪式足結構；用連桿結構，可實現在多障礙場合進行輕松越障的行走工作，其實現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容 1、四足步行機器人總體方案的確定與相關參數的確定 （1）對目前現有的四足步行機器人查閱了相關的資料，全面地了解國內外的發(fā)展現狀。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，主要包括機器人總體的結構尺寸、步行機構的尺寸、轉彎機構的尺寸，各個驅動部分電機的選擇，相關零部件參數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彎步態(tài)，設計機器人四條腿的協(xié)調運動等等； （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）轉彎機構的設計，主要包括轉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的確定和強度校核的計算； （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。 5、四足步行機器人的三維建模與仿真 通過三維模型的建立，可以避免機器人裝配時存在的干涉和尺寸不合適等問題，并且做了運動動畫，生動形象的了解該四足步行機器人運動過程。并與現有的同類步行機器人進行比較分析，從中找出本機器人的不足之處，并再次進行優(yōu)化達到提高本機器人性能的目的，從而滿足本設計所要求的目標，得到具備高靈活性、高效率的四足步行機器人的本體結構設計，從而實現小跑步態(tài)。 1.3.3 本設計的預期結果 本設計要求最終能夠實現的預期目標主要是：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，使步行機構和轉彎機構能夠相互配合運動，從而讓四足步行機器人實現小跑步態(tài)運動和避障等功能。 要求該四足機器人的步行機構能夠實現機器人四條腿的協(xié)調運動，保證四條腿及轉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)調運動。 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，科學家就已經在努力研究動物和昆蟲的行走方式，動物的步態(tài)實現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。根據真實馬的行走方式，設計出步行機器人的直線行走與轉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能夠同時起到支撐作用。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。 21 第2章 四足步行機器人的總體方案確定 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。 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 四足步行機器人轉彎步態(tài)規(guī)劃 為了實現四足步行機器人的轉彎，設計出用錐齒輪傳動的系統(tǒng)安裝在腿部機體上[17]，四個電機依次轉動來實現機器人的轉彎，如圖 2.3 所示的是四足步行機器人的轉彎步態(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相同的角度，左前腿3和右后腿1在邁步的時候也反轉相同的角度； （4）這樣在一個步態(tài)周期內就可以實現轉彎，快速方便。 圖2.3四足機器人的轉彎示意圖 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品的思路。本次設計的四足機器人實現腿部各個關節(jié)聯動的方式是通過連桿間的相互連接運動，由單個動力源驅動，雙腿聯動，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。 2.2.1 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°，由于雙腿聯動，即一條腿到達最前的位置時另一條腿已經到達最后的位置，所以只要讓左腿和右腿的曲柄機構成150°-15°=135°夾角即可。 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： 聯立，解得各連桿尺寸。 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。 圖2.7　步行機構本體簡圖 根據圖2.7步行機構簡圖，電機直接帶動曲柄旋轉，曲柄作整周運動來實現大腿的擺動，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）順時針轉動（主視圖）從而帶動曲柄（6）轉過一定角度a，這樣就會帶動大腿和小腿相對擺動一定的角度，當曲柄被動整周轉動時，小腿就會實現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,根據小跑步態(tài)獨特的特點和對時序分析參數的定義，設定。定義一個跨步周期是根據任意一條腿相鄰兩次落地的時間差。由于對角小跑步態(tài)比較獨特，每條腿在同一時間內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。 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，實現機構的行走和轉彎運動，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，使各個機構實現四足步行機器人的對角步態(tài)式的行走及轉彎運動，并且通過控制電機轉動相位差來保證設計的可行性。 在保證步行機器人實現預定功能，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設計成功與否的重要標志[26]。 目前所設計的機器人腿部數量越來越多。通過研究發(fā)現足數為偶數時容易產生相對穩(wěn)定的步態(tài)。一般來說足數越多承載能力就會越大，而足數越少其運動就會相對的越靈活?？偨Y對足數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，生產并制造機器人的成本，機器人的重量，旋轉關節(jié)所需控制的復雜程度和機器人為了實現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目時的側重點也就會不一樣。表 2.1 所列出的是機器人足數不同對應的幾個不同性能對比分析。 表 2.1 步行機器人的足數與性能評價分析表 足數 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，根據現有的技術方案，有很多種執(zhí)行方式可供選擇。國內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緊湊，足端相對運動空間大，運動時就算出現失穩(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)調控制變得復雜難實現，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三維模型。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腿抬起和下落的平面連桿機構；另一個是為了實現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 點繞軸轉動。 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)轉動角設為，小腿桿轉角設為，p ,q分別表示為桿長在oxy平面內的投影和髖關節(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） （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三維模型示意圖。三個自由度分別是：髖關節(jié)—繞 Z軸轉動，旋轉半徑設為；大腿關節(jié)—繞著與大小腿運動所成平面垂直軸旋轉，桿長設為 ；小腿關節(jié)—繞Y軸旋轉，桿長設為 。 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，小腿桿轉角設為，大腿關節(jié)轉角設為和髖關節(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） 式中： 從上式中可以得出結論是：在 X-Z 平面內足端運動曲線類似橢圓，機器人髖關節(jié)再轉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 優(yōu)點 缺點 單關節(jié)直接驅動式 結構簡單，轉彎容易，易實現運動仿生 電機數量多，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，大腿和小腿采用聯動方式，從而將減少驅動元件，也就會使得控制系統(tǒng)簡化。 3、四足機器人轉彎機構的方案設計 轉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轉彎運動，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動源都采用電機。 轉彎機構的電機分布方案有如下兩種： （a）雙電機分布式轉彎機構 這種雙電機分布式轉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動關節(jié)，而在轉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）四電機分布式轉彎機構 四電機分布式轉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驅動，這樣轉彎機構會更加的靈活，相互之間不會產生運動干涉，也很好的控制了整體尺寸。 轉彎機構中最常見的傳動方案有： （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：能夠實現大的傳動比，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，主要將旋轉運動變成直線運動，將轉矩變成推力。 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)轉動來實現直線行走和轉彎避障的運動。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)的轉動，使得足端運動是一個空間軌跡，在控制各個關節(jié)的轉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 四電機分布的轉彎機構相對于兩電機分布的轉彎機構方案，雖然多出了兩個電機，但是能更好的實現四足步行機器人的轉彎姿態(tài)，更能體現四足步行機器人的運動平穩(wěn)性及可控性，所以選擇四電機驅動轉彎機構。 （2）傳動方案的確定 考慮到步行機器人的轉彎運動是通過相交軸傳動來實現的，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轉彎機構的傳動。 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直線行走和轉彎避障的思想，由此確定在設計中主要存在如下兩個設計難點：步行機構和轉彎機構。首先，對于步行結構來說已確定為電機驅動。具體采用曲柄搖桿機構和雙搖桿機構實現大腿和小腿的聯動。一個電機驅動一個步行機構，不僅使得電機的數量大大減少，關節(jié)自由度數降低，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，將轉體結構設計在機體上從而增加腰部回轉關節(jié)，這樣的設計較容易，驅動較少，易于實現機器人的轉體。但是，腰部回轉關節(jié)的加入，不僅會降低機器人的承載能力，而且在實現轉彎運動時，腿的相互協(xié)調非常困難，尤其是針對本設計采用的小跑步態(tài)。將轉彎機構設計在腿與機體的連接部位，雖然增加了驅動數量但是運動實現形式簡單化，所以最終確定采用四電機分布的轉彎機構。 2.4 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。 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，采用聯動的平面六連桿機構。由單個動力源驅動，雙腿聯動，控制系統(tǒng)得到簡化,具體結構見圖3.1。 1-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 四足步行機器人轉彎結構設計 本設計中的步行機器人轉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動直齒圓錐齒輪進而帶動傳動軸轉動來實現機器人的轉彎運動。 本設計的機器人轉彎機構利用四個直流空心杯伺服調速電機相互配合完成機器人的轉彎動作，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的，具體結構形式如圖 3.2 所示。 四足步行機器人轉彎機構的工作原理如下：當機器人在比較平整的路面想走時，僅由腿部電機驅動曲柄運動，實現機器人的行走；當機器人遇到較大的障礙物無法跨越的時候，在抬腿過程中相應擺動相的腿部轉體電機驅動錐齒輪轉動，從而由傳動軸帶動機 第3章 四足步行機器人的結構設計 器人的腿進行轉彎運動，四個腿依次轉動相應的角度，當避開障礙物的時候，電機再依次反轉相應的角度使得機器人復位，然后繼續(xù)向前直線行走。 1-法蘭盤 2-圓柱銷 3-滾動軸承 4-軸套1 5-大齒輪軸 6-悶蓋 7-軸套2 8-角接觸球軸承 9-小錐齒輪 10-凸緣聯軸器 11-電機座 12-減速器 13-電機 14-編碼器 圖 3.2　轉彎機構 3.3四足步行機器人減震裝置的應用 3.3.1 減振器的工作原理 減振器的兩個組成部分是彈簧及阻尼器，其中彈簧用來承受機器人的重量，阻尼器則是對機器人的振動起緩解作用。阻尼器的種類有很多，其中最常用的阻尼器有電磁阻尼器、空氣阻尼器和液壓阻尼器，本課題中步行機器人的減振系統(tǒng)使用的就是液壓阻尼器。彈簧受到壓力就會收縮壓力消失就會回彈，這樣會使得機器人機體發(fā)生更加嚴重的跳動。所以說如果沒有阻尼器，機器人就算加上彈簧來減振在運動過程中仍會產生振動，這不僅對機體損害很大，降低重要零部件的壽命，而且會在運輸過程中對所運物品造成損壞；有了阻尼器的阻尼作用會使彈簧變形過程進行的相對緩慢，使得本來多次的彈跳變形減弱，這就達到了減振的目的。 液壓阻尼器減緩沖擊是利用油孔中的油液在流動時所產生的阻力。內油缸被活塞分割成兩部分。當外部的減振彈簧被壓縮時活塞被動向下運動，活塞下部的空間就會減小使得油液被擠壓通過閥門向上流動；反之向下流動。但是無論油液怎樣流動，都必須通過活塞上的閥孔，這樣就會受到一定的阻力迫使活塞的運行速度變緩，一部分的沖擊力量被油液吸收從而減緩了。 減振器具體的減振過程分析：當減振器受彈簧壓力被壓縮的時候，液壓缸處于壓縮行程而使得活塞下行，迫使流通閥打開，這時油缸下面的油液就會因為壓力的原因通過流通閥而向上流動，如果繼續(xù)壓縮使得壓力達到設定值就會觸發(fā)壓縮閥，該閥的作用是幫助油缸下面來不及向上流動的油液通過壓縮閥流動到外油缸的存儲空間。當減震器在彈簧的作用下被動恢復原狀的時候，液壓缸又處于了伸張行程，就是活塞向上運動使得伸張閥打開，這時油缸里的油液通過伸張閥向下流動，活塞繼續(xù)向上運動使得油壓達到設定值就會使補償閥打開，原先流到外部油缸的油液又會流回內部油缸。 3.3.2 減振器的工作原理圖 如下圖 3.3所展示的是減振器內部的詳細結構圖。 1-外缸體 2-內缸體 3-回復補償閥 4-壓縮補償閥 5-擋板 6-彈簧1 7-環(huán)1 8-螺帽 9-回復閥體 10-活塞 11-壓縮閥體 12-彈簧 13-支撐套 14-環(huán)2 15-彈簧2 16-環(huán)3 17-橡膠墊 18-密封圈 19-上蓋 20-減震彈簧 21-活塞桿 圖3.3　減振器的內部結構圖 從圖中可以清晰的看到減振器內部結構圖，對減振器在工作過程中油液的流動了解的更加清楚，這對機器人的減震系統(tǒng)有很好的了解。本機器人的減震裝置是在現有的減震器中選擇的型號尺寸。在今后的學習研究中，需要更加進一步的去研究減震裝置，這樣才能更好的應用于機械系統(tǒng)中。 3.4四足步行機器人整體結構方案 在四足步行機器人的腿部結構和轉彎結構都設計完成的基礎上，需要對機器人的總體布局進行最終的確定。具體內容包括：四條腿的相對位置關系，步行腿和機體的連接關系以及機體的具體結構形式。下面給出四足機器人的具體結構圖。 圖3.4　腿的位置布局圖 圖3.5　腿和機體連接結構圖 圖3.6　前后腿的結構圖 圖3.7　左右腿機體結構圖 從圖中可以清晰的看到每個腿的位置以及步行機構和轉彎機構以及機器人機體三部分的具體連接形式。這對機器人結構設計來說至關重要。至此，設計出了機器人的整體結構。 3.5 本章小結 本章主要對四足步行機器人進行了本體結構設計的分析，其中主要包括步行機器人步行機構的結構設計、步行機器人轉彎機構的結構設計，對減振裝置做了簡要分析，最重要的是對步行機器人的四條腿的布置情況進行了優(yōu)化設計。在完成各機構的結構設計之后讓我更加清晰的認識到整個四足步行機器人。 47 第4章 重要機構部件的參數計算與校核 第4章 重要機構部件的參數計算與校核 4.1 電機的計算與型號選取 1、步行機構的電機選擇 根據馬的真實小跑步態(tài)的分析，步行機器人在行走時需要把大腿和小腿抬起，所以只用計算腿抬起時需要的最大力矩即可。 初步估計四足步行機器人的總體質量為80kg。在該步行機構的設計中只需要電機帶動曲柄作整周運動就可實現機器人的行走，大體估算需抬起部分的質量大約是20kg，所以這部分受力圖如圖 4.1 所示。 1-編碼器 2-步行機構電機 3-減速器 4-電機座 5-聯軸器 6-機體 圖4.1 行走機構的受力分析圖 所以電機能帶動曲柄轉動的最小力矩為： （4-1） 式（4-1）中，——行走機構的電機需要輸出的轉矩； ——行走機構所需要的力矩； ——行走機構的估算質量； ——步行機構的質心與輸出軸估算的距離； 其中，估算為20kg，估算為150mm，故通過式（4-1）計算得到 ==300000 為了使步行機器人運動平穩(wěn)所以選取減速器級數為3級，估算減速比為114.00，所以需要電機的輸出額定轉矩為： 從直流空心杯伺服電機的選取表中選取的電機型號為BCL-48.68.48.45.B.C.01。這類電機的基本參數為：額定轉速是3250rpm，額定轉矩是3000，堵轉轉矩可達9930，電機重量為420g，最大輸出功率為114W。 根據選取的伺服電機選擇直流空心杯伺服減速器型號為APG36，選擇傳動比為114.00。選取的編碼器為MME30-04-1024-B，重量達4g，輸出相為ABZ兩相，輸出波形為方波。 2、轉彎機構的電機選擇 根據機器人的結構特點，設定機器人在機械腿抬起后轉彎電機啟動完成轉彎，初步設定轉彎需要克服的力與重力相等，則轉彎電機可以與步行機構處用的電機型號相同。如圖 4.2所展示的是轉彎部分的受力分析圖。 1-齒輪軸 2-聯軸器 3-減速器 4-電機座 5-電機 6-編碼器 圖4.2 轉彎機構受力圖 根據式4-1算出所需力矩。其中估算為20kg，為100mm。 ==200000 為了使步行機器人運動