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1、 本科生毕业论文（设计）题 目：凸轮控制式四足机器人的系统设计 专业代码：机械设计制造及其自动化（080301） 作者姓名： 桑春蕾 学 号： 2006204214 单 位： 聊城大学汽车与交通工程学院 指导教师： 孙群 2009 年 6月 5日原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得聊城大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的相应责任。学位论文作者签名：日期指 导 教 师 签 名：
2、 日期 聊城大学本科毕业论文摘 要 四足机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，转弯机构研究不足。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动式行走机构，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计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
3、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；凸轮驱动；控制系统；三维设计AbstractQuadruped robot as one of biomimetic robots, has been extensively studied. Travel agencies and institutions is a quadruped robot turning the key, At the present, servo motor is installed in the leg joints of the most travel agencies, increasing th
4、e weight of the robot and the difficulty of the control system strategy . And most of the robot is a rigid body as a whole, and the research of the turning institutions is not fully studied . For this purpose, the project will take four-legged robot whole body as a flexible rigid body, and three-dim
5、ensional modeling software Pro/E4.0 is used for designing quadruped robot mechanical systems, a new travel agency based on cam control drive is proposed , a kind of leg mechanism and control of the corresponding cam drive mechanism is designed, and a flexible turning institution is preliminary desig
6、ned. Based on this work, the control system of the robot was designed. Especially, control systems of the stepped mechanism and the wheel mechanism were analyzed detailed.Key words: quadruped robot; stepped mechanism; cam drive; control system ;three dimensional design;目 录1.引言11.1机器人及其相关技术的发展11.2国内外
7、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机器人系统结构概述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行走机构的研究133.4 行走机构的设计计算193.5 转弯机构的设计243.6 腱机构283.7 机器人的外形设计283.8 驱动系统的设计294.控制系统的硬件设计354.1传感器354.2 控制器364.3控制系统395.控制系统的软件设计425.1 行走系统软件设计425.2转弯控制系统软件设
8、计43总结47参考文献49致谢51iv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机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，将人类从繁重而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的专利
9、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,标志着第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11是近代机器人发展的重大事件的时间表。时间事件1954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
10、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
11、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动稳定性，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
12、。20世纪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。19811984年Hirose教授研制成功脚部装有传感和信号处理系统的TITAN-III。它的脚底部由形状记忆合金组成，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- 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分别进行驱动。2000-2003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13所示。它的每个关
13、节安装了一个光电码盘、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在的障碍，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14所示。它能以不同步态在恶劣的地形上攀爬，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
14、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”国内四足机器人研制工作从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。 图1-5 JTUWMIII 图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JTUWMIII，如1-5所示。该机器人采用开式链腿机构，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，实现了对角线动态行走。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，可以自主应付复杂的地形条件，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
