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1、. . .六足式步行机器人运动机理与步态分析毕业论文目录摘 要IabstractII1 绪 论11.1国外机器人的研究现状11.2机器人的主要研究问题31.3机器人的发展趋势51.4本课题所研究的主要容62 机械机构设计62.1机构分析62.2 设计方法122.3四连杆机构的设计132.4四个钣金零件设计282.5 躯体部分机构设计332.6 机构设计总结34参考文献35致谢37附 录一50附录二61.参考资料.1 绪 论1.1国外机器人的研究现状1.1.1机器人的定义机器人是上个世纪人类最伟大的发明之一，而从机器人的角度来讲，21世纪将是一个自治机器人的世纪。随着机器人的工作环境和工作任务的
2、复杂化，要求机器人具有更高的灵活性、可靠性、准确性、稳定性和更强的适应性。机器人技术是研究机器人工程技术的学问。关于机器人各国有不同的定义，其中一种定义得方法是“机器人是可通过感觉与智能进行作业的并具有与人或动物相似的外观和机能的机械”。上述的定义是强调“可进行作业”的性质。而机器人的感觉机能和移动即能只不过是进行作业是必要的辅助技能而已。这里所说的作业并不是单一的简单工作，而是能够进行多种动作的作业。即具有通用性（或柔性）工作能力。例如，数控机床加工工件的能力虽然很强，但是它不能进行其它的作业，所以不能称它为机器人，此外数控机床的外观也很少有与生物相似之处。按照上述的定义，机器人具有以下几个
3、特点：一是有人类的功能，比如说作业功能、感知功能、行走功能，能完成各种动作；另一个特点是根据人的编程能自动工作，由于它通过编程才能改变它的工作、动作，工作的对象和一些要求。一般来说我们认为机器人是计算机控制的可以编程的目前能够完成某种工作或可以移动的自动化机械。虽然机器人的模型是动物或人，但是企图给机器人赋予人类那样的高度机能是不可能的。例如，在需要高级的认识与判断的地方，还必须有人的帮助，就是非常高级的机器人也还必须进行人机对话才行。1.1.2国外机器人的研究现状概述移动机器人近年来朝着智能化、多样化和集成化方向发展。未来的移动机器人应该具有行动决策和规划，以及自动执行规划能力，集人工智能、
4、智能控制、信息处理、检测与转换等专业技术为一体的系统。自然界生物的运动行为和某些机能已成为机器人学者进行机器人设计，实现其灵活控制的思考源泉，导致各类仿生机器人不断涌现。仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状或某些机能的机器人系统。仿生机器人的类型很多。其中步行机器人成为机器人研究的一个热点，步行是人类或有腿动物的独特的运行方式，是自然界中最为灵活的移动形式。步行机器人是以模拟这种方式来实现自身运动的一类特殊的机器人，它具有良好的地形活动性，可以相对较易的跨过较大的障碍（如沟，坎等）。并且机器人的本质具有的大量的自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凹凸不平的地形的适应能力更强，由于立足点是离
5、散的，距地面的接触面积较小，可以在可达到的地面上选择最优支承点，即使在表面极度不规则的情况下，通过严格选择足的支撑点，也能够行走自如。现今国外得到业认同的轮腿混合式移动机器人主要是火星/月球漫游车，有的在研发中，有的己经发射成功。前苏联Lunokhod月球探测车美国JPL的Sojourner火星探测车。 该机器人采用六轮摇臂悬吊式结构，即有6个独立悬挂的驱动轮，传动比为2000:1，因而能在各种复杂的地形中行驶，特别是软沙地。此外该机器人的四个角轮具有独立驱动和控制能力。本机器人是真正意义上的六轮腿式移动机器人。日本本田公司和大阪大学联合推出的P2和P9型放人步行机器人代表了当今世界的最高水平
6、。美国的MIT Leglab 有两个小组在从事仿人步行机器人的研究，已完成的项目包括一个重22kg的平面型机器人。Keisuke Arikawn 等研究的TITAN-VII型四足机器人能够以稳定的方式在不平的地面行走，可以以非接触方式绕过地面上的障碍，能够向任何方向运动，同时腿的自由度可以用于工作。俄罗斯罗伊斯公司在为英国核潜艇建造并保养压力水反应堆时应用了蛇形机器人，它将用于太空的探索，其是由简单的低自由度组件组成的高柔性、高冗余性的蛇形机器人。1999年日本研制的宠物狗AIBOERS-110具有18个关节，每个关节由伺服电机驱动以保持柔性运动。CWRU的仿生机器人试验室研究了基于蟋蟀运动机
7、能的机器人，其共有六条腿，后两条腿较长，有两个关节，各腿的运动通过压缩空气来驱动，它可以在一定围行走和跳跃，能够适应粗糙地带和障碍。国一些研究院所，如北航、北科大、国防科大、东南大学、自动化所和哈工大等进行了仿生机器人的研究。工业大学月球车：轮腿式结构是现今最流行的行星探测车结构，虽然与国外的水平还有不小的差距，但国家政府在这方面也加大了投入力量，现在一些高等院校和科研机构相继开展了有关轮腿式机器人方面的研究工作，也取得了一定的成果。 工业大学调动各院系的优势，共同成立了研究“月球车”的课题组，其中包括航天学院、机电学院等，研究的侧重点各有不同。其中，航天学院的研究侧重点是月球车的导航、控制系
8、统；机电学院的研究侧重于车体的研究。研究经费以自筹为主，具体研究情况仍处于状态。2003年12月，工业大学展示了近期研制的三款月球车原理样车，分别为“六轮摇臂转向架式”、 “两轮并列式”和“行星轮式”。1.2机器人的主要研究问题1.2.1建模问题 仿生机器人的运动具有高度的灵活性和适应性，其一般都是冗余度或超冗余度机器人，结构复杂。运动学和动力学模型与常规机器人有和大差别，且复杂度更大，为此，演练建模问题，实现机构的可控化是研究仿生机器人的关键问题之一。1.2.2控制优化问题机器人的自由度较多，机构越复杂，必将导致控制系统的复杂化，复杂巨系统的实现不能全靠子系统的堆积。要做到“整体大于组分之和
9、” ，同时要研究高优化的控制算法才能使系统具有实时处理能力。1.2.3信息融合问题 在仿生机器人的设计开发中，为实现对不同物体和未知环境的感知，都装备有一定量的传感器，多传感器的信息融合技术是实现其具有一定智能的关键。信息融合技术把分布在不同位置的多个同类或不同类的传感器所提供的局部环境的不完整的信息加以综合，消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾，从而提高系统决策、规划、反应的快速性和正确性。1.2.4机构设计问题合理的机构设计是仿生机器人实现的基础。生物的形态经过千百万年的变化，其结构特征极具合理性，而要用机械来完全仿制生物体几乎是不可能的，只有在充分研究生物肌体结构和运动特性的基础上提
10、取其精髓进行简化，才能开发全方位关节机构和简单关节组成高灵活性的机器人机构。1.2.5微传感器和微驱动问题卫星仿生机器人有些已不是传统常规机器人的按比例缩小，它的开发涉及到电磁、机械、热、光、化学、生物等学科。对于微型仿生机器人的制造，需要解决一些工程上的问题。如动力源、驱动方式、传感集成控制以及同外界的通讯等，实现微传感和微驱动的一个关键问题是机电光一体结合的微加工技术。同时，在设计时必须考虑到尺寸效应、新材料、新工艺等问题。1.3机器人的发展趋势先进制造技术的发展对仿生机器人的研究正起着积极的促进作用，随着先进制造技术的发展，工业机器人也从当初的上下料功能向高度柔性、高效率的精密装配工能转
11、化。因此，开发面对先进制造环境的仿人机械臂及灵巧手有大量的理论与实践工作要做。目前运行的绝大多数机器人都是固定的，它们只能固定在某一位置上进行操作。因而其应用围和功能受到限制。近年来，对移动机器人的研究受到越来越多的重视，使机器人能够移动到固定式机器人无法达到的预定目标，完成设定的操作任务。移动机器人中绝大多数是仿生机器人，包括步行机器人和爬行机器人等。仿生移动式机器人在工业、农业和国防上具有广泛的应用前景，它们能用于卫星探测、军事侦察、危险的废料处理以及农业生产中。为了开拓机器人新市场，向非制造业扩展是机器人发展的一个重要方向。在非制造业中的治疗、娱乐和社会福利等方面的仿生机器人有很好的发展
12、前景。如用于外科手术的多指收、仿生机器人玩具、老年人或卧床不起病人护理机器人和人工肢等。科学家预言，21世纪的尖端技术之一是微型机器人。仿生机器人可用于小型管道进行检测作业，可进入人体肠道进行检查和实施治疗而不伤害人体，也可以进入狭小的复杂环境进行作业。因此，机器人的小型化和微型化是一个发展趋势。1.4本课题所研究的主要容本文所设计的六足机器人，是以契贝谢夫直线四杆机构作为行走机构，通过减速步进电机带动四杆机构的旋转运动来完成连杆曲线轨迹，行走采用了三角步态，（即六足分为两组，身体一侧的前、后足及对侧的中足各作为一组，组成一个稳定的三角支撑，实现昆虫的快速运动。本文所设计的六足机器人具有6个支
13、撑足，模仿了昆虫的行走步态，能够在平地上前进、后退、左右转弯，在遇到障碍时能自行避开。）分成两组运动，实现身体的稳定前移，利用伸出臂电机的旋转，来改变机器人前进的方向，步进电机通过单片机系统进行控制，从机驱动步进电机，主机通过串行通信协调各个单片机，主从机的配合就能实现步进机器人走直线，转弯等设计要求。设计过程中，尽量选择了可以实现的方式。因为不仅要求设计步行机器人，我们还要在现有的条件下实现，而且时间很短，要设计性能良好的机器人也不太可能，不过我们是通过动手实践，自己设计，自己制作，自己调试完成的，会珍惜这样的机会，尽可能的锻炼自己。设计的关键问题是机器人的运动，决定这个的因素是多方面的，比
14、如我们设计的钣金件都是手工划线，手工制作的，精度很难保证等。2 机械机构设计2.1机构分析2.1.1整体结构设计图2.1.1所示为六足机器人系统结构简图。该机构结构较为简单，由躯干部分及六足、拉杆和直流电机组成。该机器人共有六条腿，每条腿上装有两台步进电动机，一个步进电动机旋转带动四连杆机构，实现基本的走直线匀速运动；另一个电机安装在伸出的臂上，带动整个腿的模块的旋转，完成在一定围的摆动，这两个电机的配合协调，就能够实现整个机器人的较复杂的运动。 图2.1.1 设计机器人系统结构图2.1.2步态的原理及设计步行机构的行走方式分为静态行走和动态行走两类。静态行走方式是指步行机构在行走过程中始终有
15、三只以上的足同时着地；动态行走方式是指除此以外的其他行走方式。更准确的说，静态行走时指步行机构在行走过程中，其重心总是处于稳定支撑平面。支撑平面是指支撑足之间所组成的多边形。为获得较好的稳定性，本文设计将六足分为两组，身体一侧的前足、后足及一侧的中间足做为一组，形成一个稳定的三角支撑。两组足交替地摆动和支撑，实现机构的移动。理论上而言，六足可供选择的步态较多，但也应该遵守一般的准则：所选步态应符合动物的行走习惯。经验和理论分析表明，动物的行走方式是自然界中最合理的，这些行走方式是自然界中最合理的，这些行走方式不仅能使步态机构平衡，而且能使所消耗的能量减少到最低程度。所选步态应使控制尽可能简单。
16、和动物行走不同，步行机构的行走必须加以人为的控制，如果所选步态存在控制上的困难甚至难以实现，显然意义是不大的。综合考虑这两条准则以及机构的整体构成，对机构的行走步态作以下规划。.前进时的步态行走 六足机构前进时的行走步态如图2.1.2所示。六足机构开始运动时，左侧的2号腿和右侧的4、6号腿抬起准备向前摆动，另外3条腿1、3、5处于支撑状态，支撑机器人本体确保机器人的原有重心位置处于3条支撑腿所构成的三角形，使机器人处于稳定状态不至于摔倒（见图2.1.2(a)）,摆动腿2、4、6向前跨步（见图2.1.2（b），支撑腿1、3、5一面支撑机器人本体，一面在驱动电机和四杆机构的作用下驱动机器人本体，使机器人机体向前运动了半个步长S（见图2.1.2（c）
