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XXXX大學
本科生畢業(yè)設計（論文）
四足機器人設計
學生姓名：______________
學 號：______________
班 級: ______________
專 業(yè)：______________
指導教師：______________
2015年4月
目錄
目錄 2
摘 要 3
Abstract 4
第一章 緒 論 5
1.1 課題研究背景 5
1.2 國外研究現狀 6
1.3 國內研究現狀 7
1.4課題的目的和意義 9
1.5課題設計任務 10
第二章 四足機器人運動學及動力學分析 11
3.1四足機器人運動學分析 11
2.2機器人動力學分析 14
第三章 四足機器人的結構設計 19
3.1總體結構的設計 19
3.1.1 機器人自由度選擇 19
3.1.2機器人本體結構設計 21
3.1.3驅動方式選擇 21
3.1.4傳動方式選擇 22
3.1.5 設計參數 23
3.2四足機器人傳動結構的設計 23
3.2.1典型的腿部結構 23
3.2.2 腿部主體結構設計 24
3.3 四足機器人支撐機構的設計 26
第五章 結 論 29
參考文獻 30
致 謝 32
摘 要
多足步行機器人是上世紀中葉提出的一種新型的機器人，憑借其在軍事偵察、科學探索、災難營救、生活娛樂等方面廣泛的應用前景，使得這種機器人在幾十年的發(fā)展中，成為國內外諸多科研團隊的研究對象。四足機器人在復雜、未知的自然環(huán)境中的適應能力明顯大于輪式和履帶式移動機器人，它僅需要有限的支撐點就可以進行作業(yè)，而且在近年來的研究中四足機器人向著小型化、智能化、仿生等發(fā)面發(fā)展。
本文設計了一種四足機器人。通過運動學、動力學、步態(tài)及穩(wěn)定性分析不斷優(yōu)化機械模型，在結構上機器人腿部采用膝肘式對稱分布，零件布置做到仿生最大化。驅動及傳動系統(tǒng)采用液壓系統(tǒng)，為機器人提供良好的功率質量比。此外，在腳踝處設計彈性環(huán)節(jié)，以降低機器人行走過程中遇到的沖擊。
關鍵詞：機器人，運動學，結構設計
Abstract
第一章 緒 論
1.1 課題研究背景
上個世紀末本世紀初，多機器人的研究進入一個空前繁榮的發(fā)展階段。目前，國際上機器人市場大概有80億至100億，其中工業(yè)機器人占的比重最大。2025年，整個機器人市場將達到500億，服務機器人從原來的300多萬臺增加到1200多萬臺，特種機器人(如：排爆機器人、醫(yī)療機器人等)的呼聲也越來越高。另外，微軟等IT企業(yè)，豐田、奔馳等汽車公司，甚至還有家具、衛(wèi)生潔具企業(yè)都紛紛參與機器人的研制。
而在機器人研究領域中，足式機器人又是一個極其重要的分支。有專家表示：模仿生物的身體結構和功能，從事生物特點工作的仿生機器人有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工業(yè)機器人，成為未來機器人領域的發(fā)展方向。而四足仿生機器人是多足仿生機器人領域中相當有意義的一個分支。四足仿生機器人充分結合了仿生學和機器人學的先進技術，模仿了四足哺乳動物的生物功能和骨骼結構，具有很多傳統(tǒng)輪式和履帶式機器人所不具備的優(yōu)良性能。足式機器人的運動軌跡是由離散的點所組成，相比于輪式和履帶式移動機器人有更廣泛的應用范圍，能夠在山地、瓦礫堆、河流等支撐點不固定且不規(guī)則的場合中有很好的適應性。由于它可以在非結構環(huán)境中完成運輸任務，如山地運輸、臺階搬運等，所以多足步行機器人是一個很好的移動運輸載體。通過近年來學者通過仿生學的研究和改進，多足步行機器人不僅是單一的運輸載體，更多的可充當一種作業(yè)功能裝備。自然界中大多數多足爬行動物和哺乳動物在漫長的進化過程中，演變具備了自己完善的適應大自然環(huán)境的生理結構。這種仿照生物學研究的多足式步行機器人，必然具備很好的結構體系和環(huán)境適應能力，能夠發(fā)揮更大的作用。通過建立四足機器人模型，利用電機驅動模擬四足哺乳的動力單元，用液壓缸模擬肌肉，用鋼架模擬骨骼，用各種傳感器模擬感受器官等，最終從行走及作業(yè)過程中得到生物學結構和生理學特性，從而可以闡釋一些未知的生物學知識。如美國Fred Delcomyn等人就很好的闡述了生物學家和機器人工程師合作的機制。因此，生物學與機器人工程師們的合作研究將進入一個繁榮的階段。
1.2 國外研究現狀
美國和日本多年來引領國際機器人的發(fā)展方向，代表著國際上機器人領域的最高科技水平。目前，日本除了比較關注特種機器人和服務機器人以外，還注重中間件的研制。然而，近年來日本基本上在做模仿性的工作，突破性技術比較少。而美國在機器人領域的技術開發(fā)方面，一直保持著世界領先地位。再有，美國主要做高附加值的產業(yè)，比如軍用機器人，目前世界銷售的9000臺軍用機器人之中，有60%來自美國。比如：圖1-1所示的美國最近研制成功的BigDog軍用機器人，能負重100公斤，行進速度跟人相當，每小時達到五公里，還能適應各種地形，即使是在側面受到沖擊時也能保持很好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。
圖1.1 bigdog機器人
日本電信大學的Kimura和他的團隊基于生物激勵原理研究了四足機器人的動態(tài)行走和奔跑。2000年研制的Patrush機器人，每條腿有三個由伺服驅動關節(jié)，帶有2個微動開關，可實現上下坡、越障壁障，其行走策略采用基于生物激勵原理的神經震蕩器。2003年Kimura研制的Tekken-Ⅱ采用與Patrush相同的控制算法。機器人重4.3kg， 16個自由度，可完成行走、小跑、踱步、跑動等運動模式，可以在12°的斜面上完成上下坡和跨越4cm高的障礙。日本東京大學的Miura和Shimoyama于1984年開始研制了Collie系列四足機器人，其中Collie-Ⅱ為最新型號，它重7kg，每條腿有五個關節(jié)可以實現平地pace和trot兩種基本步態(tài)，還可以進行相互的轉換，并且通過實驗得出結論：當能量消耗小時采用trot步態(tài)；當側重于速度時，采用pace步態(tài)。
日本東北大學的Emura通過倒立擺模型分析機器人的對角小跑步態(tài)。他把支撐腿看作是擺，機體和擺動腿看作是反應輪，并把倒立擺的控制方法應用到了四足機器人的對角小跑控制中。
歐洲一直以來也在四足機器人領域進行著探索。德國的Ilg Winfried團隊多年來致力于研究復雜性的足式機器人的行走策略，并且延伸到對足式哺乳動物的運動研究，開發(fā)了基于振蕩器的步態(tài)生成器，基于腿部軌跡學習的行走策略等多種研究方法。BISAM是他們研制的試驗平臺（如圖1-2 ），它重23kg，高70cm，不同的是它的身體有4個部分通過5個旋轉鉸鏈連接而成，這種結構使得機器人擁有更大的靈活性，每條腿有三個自由度，由直流電機驅動，采用姿態(tài)反應控制方法。
圖1-2 BISAM 機器人
瑞士KTH大學的四足機器人Warp1于1998年研制成功，目的是研究四足步行機器人在復雜環(huán)境下自主行走，實現靜態(tài)和動態(tài)行走。Warp1每條腿三個自由度，髖部兩個，膝關節(jié)一個，每個自由度由一個電機驅動的旋轉關節(jié)和齒輪、傳送帶組成。另外，它還裝有3個陀螺儀、2個傾角儀和3軸的加速度計。西班牙 CSIC研究所的I A I研究中心研制的機器人Silo4,主要用于基礎性研究及教學工作。機器人每條腿有 3個自由度, 為減少驅動腿尺寸和重量, 驅動電機平行放置。這種結構形式便于機器人防水, 防爆設計, 也便于兩個電機同時控制一個關節(jié)的運動, 可以實現類似哺乳動物型行走和昆蟲型行走, 穩(wěn)定性高、能耗低。
1.3 國內研究現狀
國內, 對多足步行機器人的研究則起步于上世紀90年代初起步的, 近些年來取得了較大的發(fā)展。多個研究所和高效都先后開展了多足步行機器人技術的研究。
在國內，國家863機器人技術主題自成立以來一直重視機器人技術在產業(yè)中的推廣和應用,長期以來推進機器人技術以提升傳統(tǒng)產業(yè),利用機器人技術發(fā)展高新產業(yè)。目前,政府正在使用各種辦法加大中國裝備制造業(yè)在市場中占據的份額,并提供優(yōu)惠措施鼓勵更多企業(yè)使用機器人及技術以提升技術水平。國內越來越多的企業(yè)在生產中采用了工業(yè)機器人,各種機器人生產廠家的銷售量都有大幅度的提高。根據我國海關統(tǒng)計,最近4年來許多企業(yè)在華的銷售量甚至是前面十幾年銷售量的幾倍,年平均增長率超過40%。2001年我國工業(yè)機器人海關進出口數量不過是3774臺,國內生產數量約700臺左右。2004年市場規(guī)模已經增長到萬臺左右,數量和金額相對于2001年都增長了兩倍。2004年國產工業(yè)機器人數量突破了1400臺,產值突破8億元人民幣。進口機器人數量超過9000臺,其中多功能機器人約1700臺,簡易機器人7500臺,進口額約25億美元。德國CLOOS公司在華焊接機器人銷售量2000年以前為47臺,2000年以后已經突破121臺,銷售量翻了近3倍?？梢灶A見,中國的工業(yè)機器人產業(yè)不久后將會作為一種在國民經濟中占據重要地位的產業(yè)而存在。
1991年，上海交通大學研制的JTUWM-II四足機器人通過鑒定，成為我國第一臺多功能的四足步行機器人 [25]。在其上研究了轉彎步態(tài)控制的實現途徑，實現了適合于實際控制的重心沿多折線行走的轉彎步態(tài)，實現了對角線動態(tài)步行，并在足底設置了壓電薄膜式力傳感器實現了機器人反饋控制。
2003清華大學基于哺乳動物的運動機理研制了四足機器人Biosbot[27]。整個機器人包含八個主動自由度，驅動采用直流伺服電機，重約5.7kg，大小400×320×300mm。機器人控制策略采用生物神經系統(tǒng)及控制機理中的仿生CPG模型。Biosbot實現了不同形態(tài)、多種步態(tài)、步態(tài)轉換、上下坡、越障、轉彎等功能，在實驗中取得了很好的行走效果。
圖1-3 Biosbot機器人
2001年華中科技大學開始進行具有腿/臂融合、可重構的多足步行機器人研究，并且研制了“4+2”多足步行機器人和MiniQuad多足步行機器人，針對多足步行運動學，多足步行穩(wěn)定性，多足步態(tài)生成和導向控制做了深入研究。MiniQuad能夠實現不同構型步行機器人的變換，如四足、六足；可以實現全方位的步行運動而且可以將步行足變換成能夠完成樣品捕捉、采集和搬運的動作的機械臂。
四足機器人是主動機械裝置，每個關節(jié)可單獨傳動對機器人的運動做貢獻，同時又對機器人運動施加約束。腿部不同布置對于機器人運動特性都是不一樣的。從控制理論的觀點來看，機器人系統(tǒng)是個復雜的動力學耦合系統(tǒng)，其數學模型具有顯著的非線性和復雜性，而動力學問題又是實現高精度控制與機械設計的基礎。四足步行機器人是一個靜不穩(wěn)定系統(tǒng)，只有提供以合適的速度才可以達到本身的平衡，即動態(tài)平衡。
1.4課題的目的和意義
本次設計的目的是大學即將結束時充分的運用所學到的機械方面的知識，加強自己對所學知識的一種融會貫通，畢業(yè)前的一種自我評估鍛煉。設計出一款比較實用的四足機器人。
設計意義
（1）在設計四足機器人的過程中，學會查閱資料，鍛煉自己的動手動腦能力，開拓自己的創(chuàng)新思維能力，學會理論聯(lián)系實踐，充分發(fā)揮了機械設計的專業(yè)知識的運用。
（2）對機構的設計和研究有了比較深的理解和運用，汲取前人的經驗教訓。
（3）設計出了一種實用的四足機器人，學會理論和實踐之間的結合能力。
1.5課題設計任務
根據畢業(yè)論文要求設計出一款行進速度不低于0.5m/s，能越過障礙高度不低于0.3m的四足機器人，并詳細重點對其支撐結構和機械傳動機構進行設計分析。
第二章 四足機器人運動學及動力學分析
對于四足機器人而言，每條腿都對機器人的運動做貢獻，同時又對機器人運動施加約束。腿部不同布置對于機器人運動特性都是不一樣的。四足機器人是一個靜不穩(wěn)定系統(tǒng)，只有提供以合適的速度才可以達到本身的平衡，即動態(tài)平衡。
3.1四足機器人運動學分析
四足機器人的基本結構如圖2.1所示。整個機器人由機體和四條腿組成，機體為箱型剛體，主要用于布置控制系統(tǒng)。四條腿結構相同，共有三個轉動關節(jié)，是腿部具有三個自由度。側擺關節(jié)產生垂直身體的自由度，髖關節(jié)和膝關節(jié)則產生前進方向自由度。由此能同時滿足空間三個方向的自由度要求。
圖2-1 四足機器人結構示意圖
從圖2-1看到，可以把機器人的腿看作是一系列由關節(jié)連結起來的連桿構成的。我們將為四足機器人的每一連桿建立一個坐標系，并用齊次變換來描述這些坐標系間的相對位置和姿態(tài)。建立機體坐標系(X0,Y0,Z0)，其原點為機體質心的初始位置，定義X0 軸的正向為機體前進方向，Z0 軸正向與重力方向相反，右手規(guī)則確定Y0 軸坐標系。(X1,Y1,Z1)的原點O 在機體坐標系中的位置為(a，b，c )。
圖2-2 坐標系
A01=00011a0b-10000c01在髖部、大腿、小腿建立坐標系如圖2-2所示，并在足端建立(X,Y,Z)坐標系。
計算可得各坐標系之間的轉換矩陣為
A34=c3-s3s3c30l3c30l3s300001001A23=c2-s2s2c20l2c20l2s200001001A12=c10s10s1l1c1-c1l1s101000001
矩陣中si和ci分別代表sinθi和cosθi。
T04=R0X0Y00Z01一般四足機器人在行走是足端相對于機體的運動軌跡是可以確定的，設足端位置矩陣為
T04=A01A12A23A34=s23c23s1c23-s1s230l3s23+l2s2+a-c1l3s1c23+l2s1c2+l1s1+b-c1c23-c1s2300-s1-l3c1c23-l2c1c2-l1c1+c01且易知足端向機體坐標系轉換為
由此可以得出
討論運動學正問題可以對已完成運動學設計的機器人逐個地判斷運動要求是否滿足和為運動學逆問題討論做準備。討論運動學逆問題可以驗證機器人能否使其足端達到需要的位姿，另外在機器人實行位姿控制和軌跡規(guī)劃中，即在已知足端要達到的空間位姿的情況下，求出關節(jié)變量以驅動各關節(jié)的功率，使足端的位姿得到滿足。
現在己知足端位姿及各桿結構參數，
2.2機器人動力學分析
四足仿生機器人腿部結構如下圖所示，桿 1 在垂直于行進方向的 yoz 面內擺動，T1 、T2 、T3 為腿部桿件的轉矩， m1、m2 、m3 為腿部各關節(jié)腿的質量，d1、d 2 、d 3 分別為腿部桿長度，q 是廣義坐標，g 為重力加速度。
圖3-3 四足機器人腿部結構簡圖
其中，q 表示動能和勢能的廣義坐標，q 的倒數為相應的廣義速度，Fi 為廣義力。若 q 是直線坐標，則相應的 F 為力；若 q 為角度坐標， F 為力矩。在這里，q 為角度坐標，因此得到 F 為力矩。
所以，可得關節(jié)一的力矩
四足步行機器人進行了正向和逆向運動學分析、動力學分析，在簡化機構模型上建立了運動學和動力學模型。根據模型可以得到各個腿、各個關節(jié)腿對機器人運動的影響，也可以作為此后機器人運動時的運動正確性的驗證條件。
第三章 四足機器人的結構設計
四足步行機器人是一個多支鏈、驅動冗余的系統(tǒng)，每條腿上至少有三個關節(jié)驅動，總共有十二個驅動，要多于機器人的自由度數。因此，四足步行機器人具有良好的穩(wěn)定性和靈活性，這是輪式和履帶式移動機器人所不具備的。
從機構學的角度來分析，機器人的機械結構可以看作有一系列連桿通過旋轉關節(jié)（或移動關節(jié)）連接起來的開式運動鏈。開鏈結構使得機器人的運動分析和靜力分析復雜化，兩相鄰連桿坐標系之間的位姿關系、手臂末端操作器的位姿與各關節(jié)變量之間的關系、末端操作器上的受力和各關節(jié)力矩（或力）之間的關系等，均不是一般機構分析方法能解決得了的，而要建立一套針對空間開鏈機構的特殊的運動學、靜力學分析方法。末端的位置、速度、加速度和各關節(jié)力矩（或力）之間的關系是動力分析的主要內容，在開鏈結構中，每個關節(jié)的運動受到其他關節(jié)運動的影響，作用在每個關節(jié)上的重力負載和慣性負載隨著手臂的形位變化，在高速情況下，還存在不容忽視的離心力的影響，因此，嚴格地講，機器人是一個多輸入多輸出的非線性的強耦合的位置時變的動力學系統(tǒng)，動力學分析十分復雜，即使經過一定程度的簡化，也區(qū)別于一般的機構分析方法。
3.1總體結構的設計
3.1.1 機器人自由度選擇
通常步行四足機器人的步行方式采用walk或trot步態(tài)。walk步態(tài)中，四足機器人的三條腿處于支撐相，而一條腿處于擺動相，然后輪換抬腿邁步。抬起的腿從軀體上看是開鏈結構，相當于串聯(lián)機械臂，而處于支撐相的三條腿構成并聯(lián)多閉環(huán)的多自由度機構。trot步態(tài)中，機器人的對角腿處于支撐相，同樣為并聯(lián)機構，另兩個對角腿處于擺動相，為串聯(lián)關節(jié)式機械臂結構。
圖3-1 四足步行機器人簡化模型
四足步行機器人在正常行走環(huán)境條件下，各個支撐腿與地面接觸時存在摩擦但不打滑，因此可以簡化為點接觸，相當于機構學上的三自由度球面副，再加上踝關節(jié)和膝關節(jié)分別有一個自由度，功能是在前后平面上的擺動，髖關節(jié)兩個自由度（膝關節(jié)、髖關節(jié)都為單自由度，轉動副），故每條支撐腿有7 個自由度， 擺動腿4 個自由度，而軀體可以視為可以自由移動和旋轉的，因此具有6個自由度。
設四足步行機器人任一時刻處于支撐相的腿數為 n（n<4），此時模型為具有
n 個分支的空間多閉環(huán)并聯(lián)機構，其自由度計算公式為
式中：p：運動副數量，p=4
f i ：第 i 個運動副具有的自由度數量
L：獨立封閉環(huán)數量 L=n-1
li ：第 i 個獨立封閉環(huán)所具有的封閉約束條件數， li =6
f p ：消極自由度數，為 0
F1和 l0 ：分別為局部自由度數和重復約束數，均為 0
對于四足機器人，上式為
F = 3n + 3n - (n -1) ′ 6 = 3′ 4 + 3′ 4 - (4 -1) ′ 6 = 6
足見四足步行機器人具有足夠的靈活度，并可以呈現需要的姿態(tài)。
3.1.2機器人本體結構設計
為了便于后續(xù)加工以及控制元器件安放，四足機器人的機體采用箱式剛體結構。通過對自然界四足哺乳動物的觀察，其腿的分布往往是前后平行對稱分布，足部在前后一定范圍內擺動。為了行走穩(wěn)定，仿生機器人在行走過程中，機體重心的投影必須落在支撐足所構成的幾何圖形的形心上，如圖 3.6 所示。因此，機體設計應該是對稱的，且有一定的穩(wěn)定余量。因為四足動物在運動過程中處于靜不平衡而動平衡的狀態(tài)，因此須對穩(wěn)定性進行進一步分析。
圖 3-2 足部位置示意圖
3.1.3驅動方式選擇
目前，機器人常采用液壓驅動、形狀記憶合金、電機驅動等幾種方式作為驅動。電機驅動是采用電力設備，調節(jié)一系列參數來實現傳遞動力和控制的一種驅動方式。目前電機驅動在機器人設計中占有相當的比例，其以能量傳遞方便，信號傳遞迅速，標準程度高，易于實現自動化而成為機器人驅動的主流選擇。但是作為四足步行機器人，電機驅動承載能力弱、長時間工作精度降低、反應執(zhí)行速度慢，因此不適合作為驅動方式。
形狀記憶合金是一種特殊的合金，一旦使它記憶了任何形狀，即使產生變形，但當加熱到某一適當溫度時，它就能恢復到變形前的形狀。利用這種驅動器的技術即為形狀記憶合金驅動技術。形狀記憶合金有三個特點：變形量大；變位方向自由度大；變位可急劇發(fā)生。因此，它具有位移較大、功率重量比高、變位迅速、方向自由的特點。這種驅動方式比較適合小負載、高速度、高精度場合，而且造價昂貴，故也不適合作為四足步行機器人的驅動方式。
液壓驅動系統(tǒng)以液體為工作介質，通過驅動裝置將機械能轉化為液壓的壓力能，通過管路、液壓控制及調節(jié)裝置等，借助執(zhí)行裝置，將液體的壓力能轉換為機械能，驅動負載實現直線或回轉運動。在同等功率情況下，液壓執(zhí)行元件體積小、結構緊湊，各種元件可以靈活布置；液壓裝置工作平穩(wěn)，由于重量輕、慣量小、反應快，所以易于快速啟動、制動和頻繁的換向；操縱控制方便，可以實現大范圍的無級調速；以實現自動化和過載保護，在采用電液聯(lián)合控制時，可實現高負載、高精度、遠程控制等特點。
因此，我們選擇液壓驅動方式，提供較大功率，并可長時間工作。
3.1.4傳動方式選擇
傳動方式主要有機械傳動、電氣傳動、氣壓傳動和液壓傳動四種。
機械傳動又有齒輪、渦輪蝸桿、帶、鏈、輪系傳動。齒輪傳動要求較高的制造和安裝精度，成本較高，不適宜遠距離兩軸之間的傳動；渦輪蝸桿傳動軸向力大、易發(fā)熱、效率低，而且只能單向傳動；帶傳動外廓尺寸較大，需要張緊裝置，且壽命較短、傳動效率低；鏈傳動傳動平穩(wěn)性較差。步行機器人要求頻繁變向傳動和較高的傳動精度，因此，機械傳動不適合作為機器人傳動方式。
電氣傳動有精確度高、節(jié)省能源、降低噪音、環(huán)保等優(yōu)點，但是電氣控制功率普遍較低，不能提供機器人瞬時較大的沖擊。在頻繁使用的情況下，精度降低嚴重，控制時效性差，因此不推薦使用。
氣動傳動以空氣為介質，工作介質容易獲取，處理方便，工作環(huán)境適應性好。然而，空氣可壓縮性使得工作速度并不穩(wěn)定，工作壓力較低，總輸出力不宜大于10-40KN。
液壓傳動單位質量輸出功率和單位尺寸輸出功率大，力矩慣量比大，相同的功率傳動時，液壓傳動裝置體積小、重量輕、布局靈活；速度和扭矩可以進行無級調節(jié)，動作響應速度快，調速范圍可達100:1到2000:1；動作控制調節(jié)簡單，操縱方便省力，便于與電氣控制結合，以及與計算機系統(tǒng)連接構成自動化系統(tǒng)；有采用液壓技術的設備安全可靠性好；液壓技術的可塑性和可變性很強，可以增加柔性生產的柔度，和容易對生產程序進行改變和調整。
因此，我們選擇液壓缸作為傳動執(zhí)行裝置。
3.1.5 設計參數
機器人采用外膝肘式關節(jié)布置方式，前后兩對腿對稱配置，前腿是膝式關節(jié)，后腿為肘式關節(jié)。設計出一款行進速度不低于0.5m/s，能越過障礙高度不低于0.3m的四足機器人，
3.2四足機器人傳動結構的設計
機器人腿機構是足式步行機器人最重要組成部分，其功能的好壞直接關系到機器人整體性能的好壞。一款先進的機器人要求有這樣的腿部機構：結構簡單緊湊、容易設計，便于協(xié)調控制；足部運動空間大，運動靈活，不存在死點位置；仿生效果好，質量輕，負載能力好。設計質量高的腿部機構對于提高機器人各傳動系統(tǒng)的傳動精度、提高各腿的運動靈活性、簡化整機的結構設計、降低成本和提高步行機器人的行走能力都有重要影響。
3.2.1典型的腿部結構
步行機器人的腿部機構在幾十年的發(fā)展中，研究者對其進行了很多研究和改進。以下是常用的幾種腿部結構。
a.縮放機構式：該機構屬于閉環(huán)式機構，前進驅動容易，便于協(xié)調控制；具有解耦性，具有較高的能效性。缺點是縮放機構至少需要兩個線性驅動關節(jié)，使得機械結構較大，質量較大；足端運動范圍小，受驅動距離限制。
b.四連桿機構式：這種機構是一種閉環(huán)式機構，可以用連桿曲線作為足的軌跡，特點是結構簡單、設計方便，具有運功解耦特性。但是其結構存在運動死點，易形成死鎖現象，限制足端運動范圍，增加了控制難度。機器人只能執(zhí)行固定的跨步軌跡。
c.并聯(lián)機構式：承載能力強，輸出軌跡柔性可調；速度快，效率較高。缺點是仿生性能較低。
d.多關節(jié)串聯(lián)機構：模仿動物的腿部結構設計的一種開式結構。各個桿件通過關節(jié)連接，優(yōu)點在于結構緊湊、機構運動范圍大、運動靈活；機構不存在死點，機構設計簡單。
綜上所述，為了充分達到仿生設計要求，腿部選擇開鏈式多關節(jié)串聯(lián)機構。
3.2.2 腿部主體結構設計
關節(jié)腿結構，即哺乳動物腿部關節(jié)結構。根關節(jié)軸的方位采用水平放置，其在腿的擺動行程終了時，動能和勢能可以相互轉換。由于水平軸根關節(jié)結構使得腿上部受到的重力彎矩小的多，這樣使得軀體寬度可以設計的窄小一點，同時正向面積也有所減小，有利于穿越野外的樹林草叢或其他狹窄的地域。
圖3-3 根關節(jié)布置示意圖
腳部采用橡膠材料制成，結構采用近似半圓形，從而可以達到良好的著地和受力狀態(tài)，并且起到防滑和減震的作用。材料選用：丁苯膠SBR，丁二烯與苯乙烯的共聚合物，與天然膠比較，品質均勻，異物少，具有更好耐磨性及耐老化性，但機械強度則較弱，可與天然膠摻合使用。優(yōu)點：低成本的非抗油性材質，良好的抗水性，硬度70 以下具良好彈力，高硬度時具較差的壓縮性。
根據腿部外形結構腳部力傳感器采用CXL-102柱式拉力傳感器，可用于拉、壓力值的測量，輸出對稱性好，抗偏載能力強?？蛇x擇內置式變送器，標準信號0～10mA、4～20mA或0～5V輸出。量程選用100kg，外形尺寸中外徑恰與腿部外徑相同，綜合精度0.05（線性+滯后+重復度），靈敏度2.0mV/V，材質為合金鋼或不銹鋼。
腿部機構初步設計如下圖：
圖3-4 腿部傳動機構設計圖
在以trot 步態(tài)行走時，按照動態(tài)過程進行慣性力分析。設定機器人行走步幅為0.5m，邁步周期為1s?？梢酝ㄟ^仿真得到周期運動中，身體的最大瞬時水平運動速度為。身體最大瞬時水平加速度為。 Vmax = 2.262m / s 。身體最大瞬時水平加速度為 amax = 14.212m / s 2
極限受力狀態(tài)出現在各腿支撐相的開始和結束的時候，重點分析這兩點。憑此可以選擇單出桿液壓缸額定壓力：21Mpa；流量 5L/min；活塞橫截面積：3.14cm 2 。驗證選擇合理，對結構的初步設計可以采用。
3.3 四足機器人支撐機構的設計
腿部剛性太大容易造成機器人巨大的震蕩，增加了安裝精度要求和固定精度，會影響控制精度和機械結構的壽命。因此，模仿動物腳掌的緩沖原理將最前端腿桿加上彈性環(huán)節(jié)，這樣既減少了沖擊、又可達到了仿生效果。
彈性阻尼環(huán)節(jié)可簡化為示意圖圖3-5 所示：
圖3-5 彈性環(huán)節(jié)模型
本體質量M，彈性模量k。當足部受到地面的力為F 時，彈性環(huán)節(jié)受力
圖3-6支撐相加速度變化 3-7支撐相支持力變化
圖3-8 彈性支撐環(huán)節(jié)三維圖
自此，整機結構設計完畢，整個機器人Solidworks三維結構模型如圖3-10所示：
圖 3-9 機器人三維結構圖
第五章 結 論
經過四個多月的潛心研究和學習作圖，我終于完成了這次畢業(yè)設計的圖紙繪制和論文撰寫。在這一段最后的工作里，我學習到了很多東西。本次設計基本上從對四足步行機器的一無所知到能夠設計出自己的作品，雖然略顯拙劣，但是基本上可以說是自己獨立完成自己的畢業(yè)作品。
在設計的過程中，這一段時間基本上是長時間的學習四足步行機器的國內外資料，圖書館中查閱各種圖書以及網上各處搜集方案然后設計自己的步行機器的過程。在作圖的過程中也遇到了不少瓶頸，自己經驗缺乏，不敢動手，還好有老師細心的指導，終于完成了自己的畢業(yè)設計。
本論文首先對四足步行機器人進行了概括論述，總結了國內外四足步行機器人發(fā)展的歷程和趨勢，闡述了四足步行機器人研究中的關鍵技術和指標。本文設計了一款四足機器人，進行三維圖及二維圖紙的繪制
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致 謝
本設計在指導教師XXX導師的悉心指導和嚴格要求下完成的，從課題選擇、方案論證到具體設計和調試，無不凝聚著XXX導師的心血和汗水。導師敏銳的學術思想，嚴謹的治學態(tài)度，認真的工作作風使我受益匪淺！值此成文之際，特向XXX導師致以深深的感謝和誠摯的敬意
在此次畢業(yè)設計過程中我也學到了許多了關于機器人設計方面的知識，尤其對四足機器人有了較全面的了解，對機器人設計整個過程有了更深層次的認識。獨立設計能力有了很大的提高。在設計過程中我查閱了許多設計相關的資料，使我掌握了查閱文獻的方法，這將對我以后從事設計工作帶來很大的幫助。設計中我還使用了AUTOCAD、Solidworks等繪圖軟件，使用這些軟件的能力也有了很大的提高?？傊?，通過這次畢業(yè)設計，讓我在大學里所學的專業(yè)知識得以運用，使我的設計能力有了進一步的提高。
同時，我還要特別感謝其他專業(yè)老師在大學四年中對我的鼓勵和指導，他們?yōu)槲彝瓿蛇@篇論文提供了巨大的幫助。在此我也衷心的感謝他們。
另外，衷心感謝我的同窗同學們，你們不僅讓我感覺到了友情的力量，也讓我感覺到了生活的愉悅，通過相互討論學到的思維方式使我受益終生。
最后，衷心感謝在百忙之中抽出時間審閱本論文的專家、教授。由于本人知識水平有限，文中不免有不妥之處，敬請各位專家、教授不吝批評和指正。
XXXX大學
本科生畢業(yè)設計（論文）
四足機器人設計
學生姓名：______________
學 號：______________
班 級: ______________
專 業(yè)：______________
指導教師：______________
2015年4月
目錄
目錄 2
摘 要 3
Abstract 4
第一章 緒 論 5
1.1 課題研究背景 5
1.2 國外研究現狀 6
1.3 國內研究現狀 7
1.4課題的目的和意義 9
1.5課題設計任務 10
第二章 四足機器人運動學及動力學分析 11
3.1四足機器人運動學分析 11
2.2機器人動力學分析 14
第三章 四足機器人的結構設計 19
3.1總體結構的設計 19
3.1.1 機器人自由度選擇 19
3.1.2機器人本體結構設計 21
3.1.3驅動方式選擇 21
3.1.4傳動方式選擇 22
3.1.5 設計參數 23
3.2四足機器人傳動結構的設計 23
3.2.1典型的腿部結構 23
3.2.2 腿部主體結構設計 24
3.3 四足機器人支撐機構的設計 26
第五章 結 論 29
參考文獻 30
致 謝 32
摘 要
多足步行機器人是上世紀中葉提出的一種新型的機器人，憑借其在軍事偵察、科學探索、災難營救、生活娛樂等方面廣泛的應用前景，使得這種機器人在幾十年的發(fā)展中，成為國內外諸多科研團隊的研究對象。四足機器人在復雜、未知的自然環(huán)境中的適應能力明顯大于輪式和履帶式移動機器人，它僅需要有限的支撐點就可以進行作業(yè)，而且在近年來的研究中四足機器人向著小型化、智能化、仿生等發(fā)面發(fā)展。
本文設計了一種四足機器人。通過運動學、動力學、步態(tài)及穩(wěn)定性分析不斷優(yōu)化機械模型，在結構上機器人腿部采用膝肘式對稱分布，零件布置做到仿生最大化。驅動及傳動系統(tǒng)采用液壓系統(tǒng)，為機器人提供良好的功率質量比。此外，在腳踝處設計彈性環(huán)節(jié)，以降低機器人行走過程中遇到的沖擊。
關鍵詞：機器人，運動學，結構設計
Abstract
第一章 緒 論
1.1 課題研究背景
上個世紀末本世紀初，多機器人的研究進入一個空前繁榮的發(fā)展階段。目前，國際上機器人市場大概有80億至100億，其中工業(yè)機器人占的比重最大。2025年，整個機器人市場將達到500億，服務機器人從原來的300多萬臺增加到1200多萬臺，特種機器人(如：排爆機器人、醫(yī)療機器人等)的呼聲也越來越高。另外，微軟等IT企業(yè)，豐田、奔馳等汽車公司，甚至還有家具、衛(wèi)生潔具企業(yè)都紛紛參與機器人的研制。
而在機器人研究領域中，足式機器人又是一個極其重要的分支。有專家表示：模仿生物的身體結構和功能，從事生物特點工作的仿生機器人有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工業(yè)機器人，成為未來機器人領域的發(fā)展方向。而四足仿生機器人是多足仿生機器人領域中相當有意義的一個分支。四足仿生機器人充分結合了仿生學和機器人學的先進技術，模仿了四足哺乳動物的生物功能和骨骼結構，具有很多傳統(tǒng)輪式和履帶式機器人所不具備的優(yōu)良性能。足式機器人的運動軌跡是由離散的點所組成，相比于輪式和履帶式移動機器人有更廣泛的應用范圍，能夠在山地、瓦礫堆、河流等支撐點不固定且不規(guī)則的場合中有很好的適應性。由于它可以在非結構環(huán)境中完成運輸任務，如山地運輸、臺階搬運等，所以多足步行機器人是一個很好的移動運輸載體。通過近年來學者通過仿生學的研究和改進，多足步行機器人不僅是單一的運輸載體，更多的可充當一種作業(yè)功能裝備。自然界中大多數多足爬行動物和哺乳動物在漫長的進化過程中，演變具備了自己完善的適應大自然環(huán)境的生理結構。這種仿照生物學研究的多足式步行機器人，必然具備很好的結構體系和環(huán)境適應能力，能夠發(fā)揮更大的作用。通過建立四足機器人模型，利用電機驅動模擬四足哺乳的動力單元，用液壓缸模擬肌肉，用鋼架模擬骨骼，用各種傳感器模擬感受器官等，最終從行走及作業(yè)過程中得到生物學結構和生理學特性，從而可以闡釋一些未知的生物學知識。如美國Fred Delcomyn等人就很好的闡述了生物學家和機器人工程師合作的機制。因此，生物學與機器人工程師們的合作研究將進入一個繁榮的階段。
1.2 國外研究現狀
美國和日本多年來引領國際機器人的發(fā)展方向，代表著國際上機器人領域的最高科技水平。目前，日本除了比較關注特種機器人和服務機器人以外，還注重中間件的研制。然而，近年來日本基本上在做模仿性的工作，突破性技術比較少。而美國在機器人領域的技術開發(fā)方面，一直保持著世界領先地位。再有，美國主要做高附加值的產業(yè)，比如軍用機器人，目前世界銷售的9000臺軍用機器人之中，有60%來自美國。比如：圖1-1所示的美國最近研制成功的BigDog軍用機器人，能負重100公斤，行進速度跟人相當，每小時達到五公里，還能適應各種地形，即使是在側面受到沖擊時也能保持很好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。
圖1.1 bigdog機器人
日本電信大學的Kimura和他的團隊基于生物激勵原理研究了四足機器人的動態(tài)行走和奔跑。2000年研制的Patrush機器人，每條腿有三個由伺服驅動關節(jié)，帶有2個微動開關，可實現上下坡、越障壁障，其行走策略采用基于生物激勵原理的神經震蕩器。2003年Kimura研制的Tekken-Ⅱ采用與Patrush相同的控制算法。機器人重4.3kg， 16個自由度，可完成行走、小跑、踱步、跑動等運動模式，可以在12°的斜面上完成上下坡和跨越4cm高的障礙。日本東京大學的Miura和Shimoyama于1984年開始研制了Collie系列四足機器人，其中Collie-Ⅱ為最新型號，它重7kg，每條腿有五個關節(jié)可以實現平地pace和trot兩種基本步態(tài)，還可以進行相互的轉換，并且通過實驗得出結論：當能量消耗小時采用trot步態(tài)；當側重于速度時，采用pace步態(tài)。
日本東北大學的Emura通過倒立擺模型分析機器人的對角小跑步態(tài)。他把支撐腿看作是擺，機體和擺動腿看作是反應輪，并把倒立擺的控制方法應用到了四足機器人的對角小跑控制中。
歐洲一直以來也在四足機器人領域進行著探索。德國的Ilg Winfried團隊多年來致力于研究復雜性的足式機器人的行走策略，并且延伸到對足式哺乳動物的運動研究，開發(fā)了基于振蕩器的步態(tài)生成器，基于腿部軌跡學習的行走策略等多種研究方法。BISAM是他們研制的試驗平臺（如圖1-2 ），它重23kg，高70cm，不同的是它的身體有4個部分通過5個旋轉鉸鏈連接而成，這種結構使得機器人擁有更大的靈活性，每條腿有三個自由度，由直流電機驅動，采用姿態(tài)反應控制方法。
圖1-2 BISAM 機器人
瑞士KTH大學的四足機器人Warp1于1998年研制成功，目的是研究四足步行機器人在復雜環(huán)境下自主行走，實現靜態(tài)和動態(tài)行走。Warp1每條腿三個自由度，髖部兩個，膝關節(jié)一個，每個自由度由一個電機驅動的旋轉關節(jié)和齒輪、傳送帶組成。另外，它還裝有3個陀螺儀、2個傾角儀和3軸的加速度計。西班牙 CSIC研究所的I A I研究中心研制的機器人Silo4,主要用于基礎性研究及教學工作。機器人每條腿有 3個自由度, 為減少驅動腿尺寸和重量, 驅動電機平行放置。這種結構形式便于機器人防水, 防爆設計, 也便于兩個電機同時控制一個關節(jié)的運動, 可以實現類似哺乳動物型行走和昆蟲型行走, 穩(wěn)定性高、能耗低。
1.3 國內研究現狀
國內, 對多足步行機器人的研究則起步于上世紀90年代初起步的, 近些年來取得了較大的發(fā)展。多個研究所和高效都先后開展了多足步行機器人技術的研究。
在國內，國家863機器人技術主題自成立以來一直重視機器人技術在產業(yè)中的推廣和應用,長期以來推進機器人技術以提升傳統(tǒng)產業(yè),利用機器人技術發(fā)展高新產業(yè)。目前,政府正在使用各種辦法加大中國裝備制造業(yè)在市場中占據的份額,并提供優(yōu)惠措施鼓勵更多企業(yè)使用機器人及技術以提升技術水平。國內越來越多的企業(yè)在生產中采用了工業(yè)機器人,各種機器人生產廠家的銷售量都有大幅度的提高。根據我國海關統(tǒng)計,最近4年來許多企業(yè)在華的銷售量甚至是前面十幾年銷售量的幾倍,年平均增長率超過40%。2001年我國工業(yè)機器人海關進出口數量不過是3774臺,國內生產數量約700臺左右。2004年市場規(guī)模已經增長到萬臺左右,數量和金額相對于2001年都增長了兩倍。2004年國產工業(yè)機器人數量突破了1400臺,產值突破8億元人民幣。進口機器人數量超過9000臺,其中多功能機器人約1700臺,簡易機器人7500臺,進口額約25億美元。德國CLOOS公司在華焊接機器人銷售量2000年以前為47臺,2000年以后已經突破121臺,銷售量翻了近3倍。可以預見,中國的工業(yè)機器人產業(yè)不久后將會作為一種在國民經濟中占據重要地位的產業(yè)而存在。
1991年，上海交通大學研制的JTUWM-II四足機器人通過鑒定，成為我國第一臺多功能的四足步行機器人 [25]。在其上研究了轉彎步態(tài)控制的實現途徑，實現了適合于實際控制的重心沿多折線行走的轉彎步態(tài)，實現了對角線動態(tài)步行，并在足底設置了壓電薄膜式力傳感器實現了機器人反饋控制。
2003清華大學基于哺乳動物的運動機理研制了四足機器人Biosbot[27]。整個機器人包含八個主動自由度，驅動采用直流伺服電機，重約5.7kg，大小400×320×300mm。機器人控制策略采用生物神經系統(tǒng)及控制機理中的仿生CPG模型。Biosbot實現了不同形態(tài)、多種步態(tài)、步態(tài)轉換、上下坡、越障、轉彎等功能，在實驗中取得了很好的行走效果。
圖1-3 Biosbot機器人
2001年華中科技大學開始進行具有腿/臂融合、可重構的多足步行機器人研究，并且研制了“4+2”多足步行機器人和MiniQuad多足步行機器人，針對多足步行運動學，多足步行穩(wěn)定性，多足步態(tài)生成和導向控制做了深入研究。MiniQuad能夠實現不同構型步行機器人的變換，如四足、六足；可以實現全方位的步行運動而且可以將步行足變換成能夠完成樣品捕捉、采集和搬運的動作的機械臂。
四足機器人是主動機械裝置，每個關節(jié)可單獨傳動對機器人的運動做貢獻，同時又對機器人運動施加約束。腿部不同布置對于機器人運動特性都是不一樣的。從控制理論的觀點來看，機器人系統(tǒng)是個復雜的動力學耦合系統(tǒng)，其數學模型具有顯著的非線性和復雜性，而動力學問題又是實現高精度控制與機械設計的基礎。四足步行機器人是一個靜不穩(wěn)定系統(tǒng)，只有提供以合適的速度才可以達到本身的平衡，即動態(tài)平衡。
1.4課題的目的和意義
本次設計的目的是大學即將結束時充分的運用所學到的機械方面的知識，加強自己對所學知識的一種融會貫通，畢業(yè)前的一種自我評估鍛煉。設計出一款比較實用的四足機器人。
設計意義
（1）在設計四足機器人的過程中，學會查閱資料，鍛煉自己的動手動腦能力，開拓自己的創(chuàng)新思維能力，學會理論聯(lián)系實踐，充分發(fā)揮了機械設計的專業(yè)知識的運用。
（2）對機構的設計和研究有了比較深的理解和運用，汲取前人的經驗教訓。
（3）設計出了一種實用的四足機器人，學會理論和實踐之間的結合能力。
1.5課題設計任務
根據畢業(yè)論文要求設計出一款行進速度不低于0.5m/s，能越過障礙高度不低于0.3m的四足機器人，并詳細重點對其支撐結構和機械傳動機構進行設計分析。
第二章 四足機器人運動學及動力學分析
對于四足機器人而言，每條腿都對機器人的運動做貢獻，同時又對機器人運動施加約束。腿部不同布置對于機器人運動特性都是不一樣的。四足機器人是一個靜不穩(wěn)定系統(tǒng)，只有提供以合適的速度才可以達到本身的平衡，即動態(tài)平衡。
3.1四足機器人運動學分析
四足機器人的基本結構如圖2.1所示。整個機器人由機體和四條腿組成，機體為箱型剛體，主要用于布置控制系統(tǒng)。四條腿結構相同，共有三個轉動關節(jié)，是腿部具有三個自由度。側擺關節(jié)產生垂直身體的自由度，髖關節(jié)和膝關節(jié)則產生前進方向自由度。由此能同時滿足空間三個方向的自由度要求。
圖2-1 四足機器人結構示意圖
從圖2-1看到，可以把機器人的腿看作是一系列由關節(jié)連結起來的連桿構成的。我們將為四足機器人的每一連桿建立一個坐標系，并用齊次變換來描述這些坐標系間的相對位置和姿態(tài)。建立機體坐標系(X0,Y0,Z0)，其原點為機體質心的初始位置，定義X0 軸的正向為機體前進方向，Z0 軸正向與重力方向相反，右手規(guī)則確定Y0 軸坐標系。(X1,Y1,Z1)的原點O 在機體坐標系中的位置為(a，b，c )。
圖2-2 坐標系
A01=00011a0b-10000c01在髖部、大腿、小腿建立坐標系如圖2-2所示，并在足端建立(X,Y,Z)坐標系。
計算可得各坐標系之間的轉換矩陣為
A34=c3-s3s3c30l3c30l3s300001001A23=c2-s2s2c20l2c20l2s200001001A12=c10s10s1l1c1-c1l1s101000001
矩陣中si和ci分別代表sinθi和cosθi。
T04=R0X0Y00Z01一般四足機器人在行走是足端相對于機體的運動軌跡是可以確定的，設足端位置矩陣為
T04=A01A12A23A34=s23c23s1c23-s1s230l3s23+l2s2+a-c1l3s1c23+l2s1c2+l1s1+b-c1c23-c1s2300-s1-l3c1c23-l2c1c2-l1c1+c01且易知足端向機體坐標系轉換為
由此可以得出
討論運動學正問題可以對已完成運動學設計的機器人逐個地判斷運動要求是否滿足和為運動學逆問題討論做準備。討論運動學逆問題可以驗證機器人能否使其足端達到需要的位姿，另外在機器人實行位姿控制和軌跡規(guī)劃中，即在已知足端要達到的空間位姿的情況下，求出關節(jié)變量以驅動各關節(jié)的功率，使足端的位姿得到滿足。
現在己知足端位姿及各桿結構參數，
2.2機器人動力學分析
四足仿生機器人腿部結構如下圖所示，桿 1 在垂直于行進方向的 yoz 面內擺動，T1 、T2 、T3 為腿部桿件的轉矩， m1、m2 、m3 為腿部各關節(jié)腿的質量，d1、d 2 、d 3 分別為腿部桿長度，q 是廣義坐標，g 為重力加速度。
圖3-3 四足機器人腿部結構簡圖
其中，q 表示動能和勢能的廣義坐標，q 的倒數為相應的廣義速度，Fi 為廣義力。若 q 是直線坐標，則相應的 F 為力；若 q 為角度坐標， F 為力矩。在這里，q 為角度坐標，因此得到 F 為力矩。
所以，可得關節(jié)一的力矩
四足步行機器人進行了正向和逆向運動學分析、動力學分析，在簡化機構模型上建立了運動學和動力學模型。根據模型可以得到各個腿、各個關節(jié)腿對機器人運動的影響，也可以作為此后機器人運動時的運動正確性的驗證條件。
第三章 四足機器人的結構設計
四足步行機器人是一個多支鏈、驅動冗余的系統(tǒng)，每條腿上至少有三個關節(jié)驅動，總共有十二個驅動，要多于機器人的自由度數。因此，四足步行機器人具有良好的穩(wěn)定性和靈活性，這是輪式和履帶式移動機器人所不具備的。
從機構學的角度來分析，機器人的機械結構可以看作有一系列連桿通過旋轉關節(jié)（或移動關節(jié)）連接起來的開式運動鏈。開鏈結構使得機器人的運動分析和靜力分析復雜化，兩相鄰連桿坐標系之間的位姿關系、手臂末端操作器的位姿與各關節(jié)變量之間的關系、末端操作器上的受力和各關節(jié)力矩（或力）之間的關系等，均不是一般機構分析方法能解決得了的，而要建立一套針對空間開鏈機構的特殊的運動學、靜力學分析方法。末端的位置、速度、加速度和各關節(jié)力矩（或力）之間的關系是動力分析的主要內容，在開鏈結構中，每個關節(jié)的運動受到其他關節(jié)運動的影響，作用在每個關節(jié)上的重力負載和慣性負載隨著手臂的形位變化，在高速情況下，還存在不容忽視的離心力的影響，因此，嚴格地講，機器人是一個多輸入多輸出的非線性的強耦合的位置時變的動力學系統(tǒng)，動力學分析十分復雜，即使經過一定程度的簡化，也區(qū)別于一般的機構分析方法。
3.1總體結構的設計
3.1.1 機器人自由度選擇
通常步行四足機器人的步行方式采用walk或trot步態(tài)。walk步態(tài)中，四足機器人的三條腿處于支撐相，而一條腿處于擺動相，然后輪換抬腿邁步。抬起的腿從軀體上看是開鏈結構，相當于串聯(lián)機械臂，而處于支撐相的三條腿構成并聯(lián)多閉環(huán)的多自由度機構。trot步態(tài)中，機器人的對角腿處于支撐相，同樣為并聯(lián)機構，另兩個對角腿處于擺動相，為串聯(lián)關節(jié)式機械臂結構。
圖3-1 四足步行機器人簡化模型
四足步行機器人在正常行走環(huán)境條件下，各個支撐腿與地面接觸時存在摩擦但不打滑，因此可以簡化為點接觸，相當于機構學上的三自由度球面副，再加上踝關節(jié)和膝關節(jié)分別有一個自由度，功能是在前后平面上的擺動，髖關節(jié)兩個自由度（膝關節(jié)、髖關節(jié)都為單自由度，轉動副），故每條支撐腿有7 個自由度， 擺動腿4 個自由度，而軀體可以視為可以自由移動和旋轉的，因此具有6個自由度。
設四足步行機器人任一時刻處于支撐相的腿數為 n（n<4），此時模型為具有
n 個分支的空間多閉環(huán)并聯(lián)機構，其自由度計算公式為
式中：p：運動副數量，p=4
f i ：第 i 個運動副具有的自由度數量
L：獨立封閉環(huán)數量 L=n-1
li ：第 i 個獨立封閉環(huán)所具有的封閉約束條件數， li =6
f p ：消極自由度數，為 0
F1和 l0 ：分別為局部自由度數和重復約束數，均為 0
對于四足機器人，上式為
F = 3n + 3n - (n -1) ′ 6 = 3′ 4 + 3′ 4 - (4 -1) ′ 6 = 6
足見四足步行機器人具有足夠的靈活度，并可以呈現需要的姿態(tài)。
3.1.2機器人本體結構設計
為了便于后續(xù)加工以及控制元器件安放，四足機器人的機體采用箱式剛體結構。通過對自然界四足哺乳動物的觀察，其腿的分布往往是前后平行對稱分布，足部在前后一定范圍內擺動。為了行走穩(wěn)定，仿生機器人在行走過程中，機體重心的投影必須落在支撐足所構成的幾何圖形的形心上，如圖 3.6 所示。因此，機體設計應該是對稱的，且有一定的穩(wěn)定余量。因為四足動物在運動過程中處于靜不平衡而動平衡的狀態(tài)，因此須對穩(wěn)定性進行進一步分析。
圖 3-2 足部位置示意圖
3.1.3驅動方式選擇
目前，機器人常采用液壓驅動、形狀記憶合金、電機驅動等幾種方式作為驅動。電機驅動是采用電力設備，調節(jié)一系列參數來實現傳遞動力和控制的一種驅動方式。目前電機驅動在機器人設計中占有相當的比例，其以能量傳遞方便，信號傳遞迅速，標準程度高，易于實現自動化而成為機器人驅動的主流選擇。但是作為四足步行機器人，電機驅動承載能力弱、長時間工作精度降低、反應執(zhí)行速度慢，因此不適合作為驅動方式。
形狀記憶合金是一種特殊的合金，一旦使它記憶了任何形狀，即使產生變形，但當加熱到某一適當溫度時，它就能恢復到變形前的形狀。利用這種驅動器的技術即為形狀記憶合金驅動技術。形狀記憶合金有三個特點：變形量大；變位方向自由度大；變位可急劇發(fā)生。因此，它具有位移較大、功率重量比高、變位迅速、方向自由的特點。這種驅動方式比較適合小負載、高速度、高精度場合，而且造價昂貴，故也不適合作為四足步行機器人的驅動方式。
液壓驅動系統(tǒng)以液體為工作介質，通過驅動裝置將機械能轉化為液壓的壓力能，通過管路、液壓控制及調節(jié)裝置等，借助執(zhí)行裝置，將液體的壓力能轉換為機械能，驅動負載實現直線或回轉運動。在同等功率情況下，液壓執(zhí)行元件體積小、結構緊湊，各種元件可以靈活布置；液壓裝置工作平穩(wěn)，由于重量輕、慣量小、反應快，所以易于快速啟動、制動和頻繁的換向；操縱控制方便，可以實現大范圍的無級調速；以實現自動化和過載保護，在采用電液聯(lián)合控制時，可實現高負載、高精度、遠程控制等特點。
因此，我們選擇液壓驅動方式，提供較大功率，并可長時間工作。
3.1.4傳動方式選擇
傳動方式主要有機械傳動、電氣傳動、氣壓傳動和液壓傳動四種。
機械傳動又有齒輪、渦輪蝸桿、帶、鏈、輪系傳動。齒輪傳動要求較高的制造和安裝精度，成本較高，不適宜遠距離兩軸之間的傳動；渦輪蝸桿傳動軸向力大、易發(fā)熱、效率低，而且只能單向傳動；帶傳動外廓尺寸較大，需要張緊裝置，且壽命較短、傳動效率低；鏈傳動傳動平穩(wěn)性較差。步行機器人要求頻繁變向傳動和較高的傳動精度，因此，機械傳動不適合作為機器人傳動方式。
電氣傳動有精確度高、節(jié)省能源、降低噪音、環(huán)保等優(yōu)點，但是電氣控制功率普遍較低，不能提供機器人瞬時較大的沖擊。在頻繁使用的情況下，精度降低嚴重，控制時效性差，因此不推薦使用。
氣動傳動以空氣為介質，工作介質容易獲取，處理方便，工作環(huán)境適應性好。然而，空氣可壓縮性使得工作速度并不穩(wěn)定，工作壓力較低，總輸出力不宜大于10-40KN。
液壓傳動單位質量輸出功率和單位尺寸輸出功率大，力矩慣量比大，相同的功率傳動時，液壓傳動裝置體積小、重量輕、布局靈活；速度和扭矩可以進行無級調節(jié)，動作響應速度快，調速范圍可達100:1到2000:1；動作控制調節(jié)簡單，操縱方便省力，便于與電氣控制結合，以及與計算機系統(tǒng)連接構成自動化系統(tǒng)；有采用液壓技術的設備安全可靠性好；液壓技術的可塑性和可變性很強，可以增加柔性生產的柔度，和容易對生產程序進行改變和調整。
因此，我們選擇液壓缸作為傳動執(zhí)行裝置。
3.1.5 設計參數
機器人采用外膝肘式關節(jié)布置方式，前后兩對腿對稱配置，前腿是膝式關節(jié)，后腿為肘式關節(jié)。設計出一款行進速度不低于0.5m/s，能越過障礙高度不低于0.3m的四足機器人，
3.2四足機器人傳動結構的設計
機器人腿機構是足式步行機器人最重要組成部分，其功能的好壞直接關系到機器人整體性能的好壞。一款先進的機器人要求有這樣的腿部機構：結構簡單緊湊、容易設計，便于協(xié)調控制；足部運動空間大，運動靈活，不存在死點位置；仿生效果好，質量輕，負載能力好。設計質量高的腿部機構對于提高機器人各傳動系統(tǒng)的傳動精度、提高各腿的運動靈活性、簡化整機的結構設計、降低成本和提高步行機器人的行走能力都有重要影響。
3.2.1典型的腿部結構
步行機器人的腿部機構在幾十年的發(fā)展中，研究者對其進行了很多研究和改進。以下是常用的幾種腿部結構。
a.縮放機構式：該機構屬于閉環(huán)式機構，前進驅動容易，便于協(xié)調控制；具有解耦性，具有較高的能效性。缺點是縮放機構至少需要兩個線性驅動關節(jié)，使得機械結構較大，質量較大；足端運動范圍小，受驅動距離限制。
b.四連桿機構式：這種機構是一種閉環(huán)式機構，可以用連桿曲線作為足的軌跡，特點是結構簡單、設計方便，具有運功解耦特性。但是其結構存在運動死點，易形成死鎖現象，限制足端運動范圍，增加了控制難度。機器人只能執(zhí)行固定的跨步軌跡。
c.并聯(lián)機構式：承載能力強，輸出軌跡柔性可調；速度快，效率較高。缺點是仿生性能較低。
d.多關節(jié)串聯(lián)機構：模仿動物的腿部結構設計的一種開式結構。各個桿件通過關節(jié)連接，優(yōu)點在于結構緊湊、機構運動范圍大、運動靈活；機構不存在死點，機構設計簡單。
綜上所述，為了充分達到仿生設計要求，腿部選擇開鏈式多關節(jié)串聯(lián)機構。
3.2.2 腿部主體結構設計
關節(jié)腿結構，即哺乳動物腿部關節(jié)結構。根關節(jié)軸的方位采用水平放置，其在腿的擺動行程終了時，動能和勢能可以相互轉換。由于水平軸根關節(jié)結構使得腿上部受到的重力彎矩小的多，這樣使得軀體寬度可以設計的窄小一點，同時正向面積也有所減小，有利于穿越野外的樹林草叢或其他狹窄的地域。
圖3-3 根關節(jié)布置示意圖
腳部采用橡膠材料制成，結構采用近似半圓形，從而可以達到良好的著地和受力狀態(tài)，并且起到防滑和減震的作用。材料選用：丁苯膠SBR，丁二烯與苯乙烯的共聚合物，與天然膠比較，品質均勻，異物少，具有更好耐磨性及耐老化性，但機械強度則較弱，可與天然膠摻合使用。優(yōu)點：低成本的非抗油性材質，良好的抗水性，硬度70 以下具良好彈力，高硬度時具較差的壓縮性。
根據腿部外形結構腳部力傳感器采用CXL-102柱式拉力傳感器，可用于拉、壓力值的測量，輸出對稱性好，抗偏載能力強?？蛇x擇內置式變送器，標準信號0～10mA、4～20mA或0～5V輸出。量程選用100kg，外形尺寸中外徑恰與腿部外徑相同，綜合精度0.05（線性+滯后+重復度），靈敏度2.0mV/V，材質為合金鋼或不銹鋼。
腿部機構初步設計如下圖：
圖3-4 腿部傳動機構設計圖
液壓缸及腿的長度如下圖所示：
圖3-5 液壓缸布置圖
在以trot 步態(tài)行走時，按照動態(tài)過程進行慣性力分析。設定機器人行走步幅為0.5m，邁步周期為1s?？梢酝ㄟ^仿真得到周期運動中，身體的最大瞬時水平運動速度為。身體最大瞬時水平加速度為。 Vmax = 2.262m / s 。身體最大瞬時水平加速度為 amax = 14.212m / s 2
極限受力狀態(tài)出現在各腿支撐相的開始和結束的時候，重點分析這兩點。憑此可以選擇單出桿液壓缸額定壓力：21Mpa；流量 5L/min；活塞橫截面積：3.14cm 2 。驗證選擇合理，對結構的初步設計可以采用。
3.3 四足機器人支撐機構的設計
腿部剛性太大容易造成機器人巨大的震蕩，增加了安裝精度要求和固定精度，會影響控制精度和機械結構的壽命。因此，模仿動物腳掌的緩沖原理將最前端腿桿加上彈性環(huán)節(jié)，這樣既減少了沖擊、又可達到了仿生效果。
彈性阻尼環(huán)節(jié)可簡化為示意圖圖3-6 所示：
圖3-6 彈性環(huán)節(jié)模型
本體質量M，彈性模量k。當足部受到地面的力為F 時，彈性環(huán)節(jié)受力
圖3-7支撐相加速度變化 3-8支撐相支持力變化
圖3-9 彈性支撐環(huán)節(jié)三維圖
自此，整機結構設計完畢，整個機器人Solidworks三維結構模型如圖3-10所示：
圖 3-10 機器人三維結構圖
第五章 結 論
經過四個多月的潛心研究和學習作圖，我終于完成了這次畢業(yè)設計的圖紙繪制和論文撰寫。在這一段最后的工作里，我學習到了很多東西。本次設計基本上從對四足步行機器的一無所知到能夠設計出自己的作品，雖然略顯拙劣，但是基本上可以說是自己獨立完成自己的畢業(yè)作品。
在設計的過程中，這一段時間基本上是長時間的學習四足步行機器的國內外資料，圖書館中查閱各種圖書以及網上各處搜集方案然后設計自己的步行機器的過程。在作圖的過程中也遇到了不少瓶頸，自己經驗缺乏，不敢動手，還好有老師細心的指導，終于完成了自己的畢業(yè)設計。
本論文首先對四足步行機器人進行了概括論述，總結了國內外四足步行機器人發(fā)展的歷程和趨勢，闡述了四足步行機器人研究中的關鍵技術和指標。本文設計了一款四足機器人，進行三維圖及二維圖紙的繪制
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致 謝
本設計在指導教師XXX導師的悉心指導和嚴格要求下完成的，從課題選擇、方案論證到具體設計和調試，無不凝聚著XXX導師的心血和汗水。導師敏銳的學術思想，嚴謹的治學態(tài)度，認真的工作作風使我受益匪淺！值此成文之際，特向XXX導師致以深深的感謝和誠摯的敬意
在此次畢業(yè)設計過程中我也學到了許多了關于機器人設計方面的知識，尤其對四足機器人有了較全面的了解，對機器人設計整個過程有了更深層次的認識。獨立設計能力有了很大的提高。在設計過程中我查閱了許多設計相關的資料，使我掌握了查閱文獻的方法，這將對我以后從事設計工作帶來很大的幫助。設計中我還使用了AUTOCAD、Solidworks等繪圖軟件，使用這些軟件的能力也有了很大的提高?？傊?，通過這次畢業(yè)設計，讓我在大學里所學的專業(yè)知識得以運用，使我的設計能力有了進一步的提高。
同時，我還要特別感謝其他專業(yè)老師在大學四年中對我的鼓勵和指導，他們?yōu)槲彝瓿蛇@篇論文提供了巨大的幫助。在此我也衷心的感謝他們。
另外，衷心感謝我的同窗同學們，你們不僅讓我感覺到了友情的力量，也讓我感覺到了生活的愉悅，通過相互討論學到的思維方式使我受益終生。
最后，衷心感謝在百忙之中抽出時間審閱本論文的專家、教授。由于本人知識水平有限，文中不免有不妥之處，敬請各位專家、教授不吝批評和指正。