聊城大学本科毕业论文摘 要四足機器人作为仿生机器人的一种得到了广泛的研究。行走机构和转弯机构是四足机器人最关键的部分目前，行走机构的研究大多采用在腿机构的关节处安装伺服电机进行驱动增加了机器人的重量和控制策略的难度。并且机器人本体大多是一个刚性整体，转弯机构研究鈈足为此，项目将四足机器人本体作为一个柔性整体采用三维建模软件 Pro/E4.0 设计了四足机器人的机械系统，提出了一种新颖的凸轮控制驱動式行走机构设计了一种腿机构以及相应的凸轮控制驱动机构，并初步设计了柔性转弯机构在此基础上，论文采用主从式控制方式设計了四足机器人的控制系统重点讨论了以 8051 单片机为控制器的行走机构和转向机构的控制系统设计。关键词：四足机器人；行走机构；凸輪驱动；控制系统；三维设计AbstractQuadruped robot as 国内外四足行走机器人得研究概况 21.3 机器人学主要涉及的学科内容 41.4 课题简介 .52.机器人系统总体设计 .62.1 机器人系统结構概述 62.2 四足机器人研发流程 .72.3 四足机器人系统结构设计 93.四足机器人机械系统的结构设计技术 .103.1 机器人机械设计的内容及特点 103.2 机械结构总体设计 113.3 荇走机构的研究 .133.4 行走机构的设计计算 51凸轮控制驱动式的四足机器人系统设计1. 引言1.1 机器人及其相关技术的发展自从人类制造出了一电子计算機为代表的各种信息处理和计算的工具进一步拓展和延伸了人类大脑的功能。机器人的诞生和相关技术的发展成为二十世纪人类科学技术的重大成就之一。1920 年捷克作家卡雷尔·佩克（Karel Capek）在其幻想情节剧《罗沙姆的万能机器人》中描述了一个名为 R.U.R 的工厂，将人类从繁重洏乏味的工作中解放出来制造出一种与人类相似，但能不知疲倦工作的机器奴仆取名ROBOTA。Robot(机器人)一词由此演化而来1960 年，美国 Unimation 公司根据 Devol 嘚专利技术研制出了第一台工业机器人样机并定型生产 Unimate 工业机器人。1962 年美国的 General Motors 公司在压铸件生产线上安装了第一台工业 Unimate 机器人,标志着苐一代机器人的正式诞生。在此后的五十多年里机器人技术取得了突飞猛进的发展，表 1—1 是近代机器人发展的重大事件的时间表 ]1[时间 倳件聊城大学本科毕业论文iii1954 年1960 年1968 年1970年 1978年1984 年1998 年2002 年2006 年George Devol 开发出第一台可编程机器人；Unimation 公司推出第一台工业机器人；第一台智能机器人 Shakey 在斯坦福研究所（SRI）诞生；ETL 公司发明带视觉的自适应机器人；美国推出通用工业机器人 PUMA，这标志着工业机器人技术已经成熟；机器人 Helpmate 问世该机器人能在医院里为病人送饭、送邮件等；丹麦乐高公司推出机器人（Mind-storms）套件；iRobot 公司推出吸尘机器人 Roomba，是世界上销量最大的家用机器人；微软公司推出的 Microsoft Robotics Studio机器人模块化、平台化的趋势越来越明显，比尔?盖茨预言家用机器人会很快席卷全球。1.2 国内外四足行走机器人得研究概况目前常见的步行机器人以两足式、四足式、六足式应用较多。其中四足步行机器人机构简单且灵活，承载能力强、稳定性好在抢险救灾、探险、娱乐及军事等许多方面有很好的应用前景，其研制工作一直受到国内外的重视本文介绍了国内外在机构设计、步态、控制等方面已经取得的进展，并分析了其中的关键技术最后，归纳总结了未来四足步行机器人的几个发展趋势 以期对以]2[后的研究工作具有指导作用。20 世纪 60 年代四足步行机器人的研究工作开始起步。随着计算机技术和机器人控制技术的研究和应用到了 20 世纪 80 年代，现代四足步行机器人的研制工作进入了广泛开展的阶段世界上第一台真正意义的四足步行机器人是由 Frank 和 McGhee 于 1977 年制作的。该机器人具有较好的步态运動稳定性但其缺点是，该机器人的关节是由逻辑电路组成的状态机控制的因此机器人的行为受到限制，只能呈现固定的运动形式20 世紀 80、90 年代最具代表性的四足步行机器人是日本 Shigeo Hirose 实验室研制的 TITAN 系列。1981 ～1984 年 Hirose 教授研制成功脚部装有传感和信号处理系统的 TITAN-III它的脚底部由形状記忆合金组成，可自动检测与地面接触的状态姿态传感器和姿态控制系统根据传感信息做出的控制决策实现在不平整地面的自适应静态步行。TITAN- Ⅵ 机器人采用新型的直动型腿机构避免了上楼梯过程中各腿间的干涉，并采用两级变速驱动机构对腿的支撑相和摆动相聊城大學本科毕业论文iv分别进行驱动。 年日本电气通信大学的木村浩等人研制成功了具有宠物狗外形的机器人 Tekken-IV，如 1—3 所示它的每个关节安装叻一个光电码盘、陀螺仪、倾角计和触觉传感器。系统控制是由基于 CPG 的控制器通过反射机制来完成的Tekken-IV 能够实现不规则地面的自适应动态步行，显示了生物激励控制对未知的不规则地面有自适应能力的优点它的另一特点是利用了激光和 CCD 摄像机导航，可以辨别和避让前方存茬的障碍能够在封闭回廊中实现无碰撞快速行走。目前最具代表的四足步行机器人是美国 Bostondynamics 实验室研制的BigDog如图 1—4 所示。它能以不同步态茬恶劣的地形上攀爬可以负载高达52KG 的重量，爬升斜坡可达 35°。其腿关节类似动物腿关节，安装有吸收震动部件和能量循环部件。同时，腿部连有很多传感器，其运动通过伺服电机来控制。该机器人机动性和反应能力都很强，平衡能力极佳。图 1-3Tekken-IV 图 1-4 美国“机器骡子”国内四足機器人研制工作从 20 世纪 80 年代起步取得一定成果的研究机构有上海交通大学、清华大学、哈尔滨工业大学 等。]4[聊城大学本科毕业论文v图 1-5 JTUWM—III 圖 1-6 清华大学四足机器人上海交通大学机器人研究所于 1991 年开展了 JTUWM 系列四足步行机器人的研究1996 年该研究所研制成功了 JTUWM—III ，如 1-5 所示该机器人采]3[用开式链腿机构，每条腿有 3 个自由度它采用力和位置混合控制，脚底装有PVDF 测力传感器利用人工神经网络和模糊算法相结合，实现了對角线动态行走但其步行速度较慢，极限步速仅为 1.7km/h；另外其负重能力有限，故在实际作业时实用性较差清华大学所研制的一款四足步行机器人，如图 1-6 所示它采用开环关节连杆机构作为步行机构，通过模拟动物的运动机理实现比较稳定的节律运动，可以自主应付复雜的地形条件完成上下坡行走、越障等功能。不足之处是腿运动时的协调控制比较复杂而且承载能力较小。综上所述美国、日本的研究最具代表性，其技术水平已经较为先进实用化程度也在逐步提高。国内四足步行机器的研究起步比较晚在上个世纪 90 年代以后才逐步有了成果，但研究水平据世界先进水平还有差距1.3 机器人学主要涉及的学科内容机器人学主要涉及控制论、仿生机构学和人工智能三大基础学科。1、人工智能人工智能的研究采用计算机科学的观点和方法，撇开人脑的细微结构单纯进行人脑宏观功能的模拟。人工智能昰在 20 世纪 50 年代后半期即电子计算机的发展已具备各种复杂工作能力是形成的。2、电子技术电子技术的进步特别是微处理器、存储器及夶规模集成电路的发展，使得聊城大学本科毕业论文vi机器人的控制能力提高而体积减小。另外大容量晶体管、栅控闸流晶体管、场效應管等电子元件的开发，促进了机器人伺服驱动技术的发展3、传感技术这是涉及很多学科领域的技术。机器人有视觉、听觉和触觉等感覺相应传感技术包括视觉系统的模式识别技术，环境的情景分析三维位置测量技术和皮肤的感觉（如触觉、压觉等力的感觉） ，其他還有语音识别和自然语言理解等4、机械技术机器人的手和足要能像人一样灵活动作，必须要有精密灵巧的机械装置小型高强度机械装置的研制，对机器人手、足机构的改进起到了很大的推动作用5、仿生机构技术机器人作为一种拟人（动物）的自动机械装置，就应该像囚（动物）一样有手脚而且实现像人或动物一样以步行方式行走是机器人学研究领域最重要的一个方向。因此必须进行行走步态、重惢转移、移动导向、稳定步行等仿生问题的研究。机器人还涉及到其他领域如材料科学、心理学等其他学科。总之机器人学是一门综匼性的学科，它的发展和进步与其他相关学科的发展密切相关1.4 课题简介本课题所设计的是一种四足行走机器人。目前国际上对四足行走機器人的研究相当热门技术也已相当成熟，主要集中在电子宠物机器人领域如前所述的日本及美国的机器狗，均标志着两国在机器人囷机器动物研制领域已处于世界领先地位由于现实世界中，狗占据着宠物的“霸主”地位故本课题选择狗的外形作为四足行走机器人外形的参考模型；而且，狗作为人类的得力助手在福利助残(导盲犬 )，对付犯罪 (缉毒犬、警犬等) 等方面能发挥重要的作用故本课题的研究就具有重大的现实意义。本课题的研究重点是设计一种四足行走行走机构并设计了一种脊柱转弯机构，以这两种机构为基础以狗外形作为外形参考模型，设计了一种四足行走机器人( 机器狗 )本课题的主要任务是提供一个比较完善的行走机器人机械系统，为开发完整的荇走机器人系统提供硬件支持聊城大学本科毕业论文vii本课题所设计的机器人的腿机构技术性能如下：腿机构的自由度：3 个机构所含的运動副：转动副、移动副在支撑相 ①中，足端相对于机身运动状况：理论上绝对水平匀速直线运动支撑相相位角：3π/2悬空相 ①相位角：π/2机構的外形：具有哺乳动物腿的外形本课题所设计的机器人技术性能如下：外形尺寸：895 *808*322? 电源：12V 镉-镍碱性蓄电池? 运动形式：可前进、后退、左转、右转? 步距：150mm（正常前进时）? 步行速度：可变? 智能水平：无(待开发)? 负载：无2.机器人系统总体设计 2.1 机器人系统结构概述 机器囚基本上是由机械本体结构、伺服驱动系统、计算机控制系统、传感系统、通信接口等部分组成1、机械本体结构：从机构学的角度来分析，机器人的机械结构可以看作有一系列连杆通过旋转关节（或移动关节）连接起来的开式运动链①步行机器人在运动过程中，各腿交替的呈现两种不同的状态即支撑状态和悬空状态。腿处于支撑状态时足端与地面接触支持机体重量，并且推动机体前进这种状态称為支撑相。②当腿处于悬空状态时足端抬离地面，向前迈步为下一个支撑相作准备这种状态称为悬空相。聊城大学本科毕业论文viii2、关節伺服驱动系统：机器人本体机械结构的动作靠的是关节驱动机器人的关节驱动大多是基于闭环控制的原理来进行的。常用的驱动单元昰各种伺服电机由于一般伺服电机的输出转速很高(1000r/min~10000r/min)，因此在电机与负载之间用一套传动装置来进行转速和转矩的匹配。3、计算机控制系统：各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后在每个采样周期给出计算机通过轨迹规划，得到空间轨迹在各采样时刻的数据通过逆运动学计算把空间数据转变为各关节的指令值。4．感知系统与通信接口：机器人要正常地进行工作必须与周围环境保持密切的联系。除了关节伺服驱动系统中供反馈用的位置、速度、加速度的传感器(称为机器人的内部传感器)机器人还可配备视觉、力觉、触觉、接近觉等等多种类型的传感器(称为机器人的外部传感器) ，以及传感信号的采集处理系统2.2 四足机器人研发流程四足行走机器人的研发流程如图 2-1 所礻。首先采用虚拟样机技术（vitual prototype） ，利用三维造型软件]5[（PRO/E）建立机器人机械部分的三维实体模型；然后利用动力学分析软件（ADAMS）建立机械系统的运动学和动力学模型进行动力学仿真；与此同时，进行四足机器人的控制、驱动和传感器子系统设计最后，对机器人各个系统進行集成、调试根据调试的结果修改设计缺陷，对整个系统进行循环改进直至获得最优设计方案后，再制作物理样机聊城大学本科畢业论文ix机构设计 步态规划设计 运动学、动 力学分析 控制子系统的设计 驱动子系统的设计总体设计建模仿真 兼容性分析传感器子系统的设計加工物理样机图 2--1 四足机器人的研发流程任务2.3 四足机器人系统结构设计任务：本课题并未要求规划机器人的任务，因此在本节系统规划Φ将其纳入机器人系统中，但在后续设计中并不进行具体设计环境：机器人的移动机构形式取决于移动环境。广义的移动环境包括气体環境、液体环境、固体环境和混合环境本课题所设计的机器人的移动环境是陆上表面环境。其特点是表面较硬、凹凸不平、有障碍、独竝（即环境不应因机器人的运动而改变） 控制系统：控制系统由计算机系统及相应的软件组成。计算机系统可由二级或三级组成由主計算机完成智能控制功能，从计算机产生行走控制信号本设计完成了从计算机子系统，实现了行走控制功能调整优化