知識研究AI多足機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真（學(xué)習(xí)模板）學(xué)院專業(yè)班級姓名學(xué)號指導(dǎo)教師xxxx年xx月x日xxxx畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包括任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)學(xué)位論文管理部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。作者簽名：年月日導(dǎo)師簽名：年月日PAGEPAGE41摘要機(jī)器人技術(shù)中，一個備受科研人員關(guān)注的領(lǐng)域是移動機(jī)器人。這些機(jī)器人按照其構(gòu)造和移動機(jī)制差異，可以分為幾大類：步行的、滾動的、履帶式以及爬行類。足式機(jī)器人因其具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，承載力突出等優(yōu)點(diǎn)，在許多國家得到了廣泛的應(yīng)用。深受國內(nèi)外研究者的青睞。與多足機(jī)器人相比，多足機(jī)器人在構(gòu)造與控制上更具優(yōu)勢。而與只有兩條腿的兩足機(jī)器人相比，多足機(jī)器人則表現(xiàn)出更優(yōu)越的穩(wěn)定性和更大的負(fù)載承受能力。因此，這類機(jī)器人在物流、探測和軍事等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。類行為學(xué)是以生物為對象，研究生物的構(gòu)造與功能，并將其優(yōu)點(diǎn)運(yùn)用于科技領(lǐng)域的一門科學(xué)。它是將機(jī)器人技術(shù)和類行為學(xué)的原理相結(jié)合，模擬出了生物的機(jī)能構(gòu)造和運(yùn)動模式，將生物的動作優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在了機(jī)器人的設(shè)計(jì)之中。該研究課題聚焦于多足機(jī)器人的機(jī)械構(gòu)造、步態(tài)策略設(shè)計(jì)以及控制機(jī)制這三大核心技術(shù)。研究旨在遵循多足爬行生物的運(yùn)動特征，設(shè)計(jì)一種機(jī)械結(jié)構(gòu)簡潔且具有高度靈活性的多足類行為爬行機(jī)器人，同時對其步態(tài)進(jìn)行深入的控制研究?；诙嘧闩佬猩锏倪\(yùn)動機(jī)理，通過改良其腿部構(gòu)造，引入單個腿部髖關(guān)節(jié)，構(gòu)建一種機(jī)械裝置，以實(shí)現(xiàn)腿部的旋轉(zhuǎn)動作。同時建立多足機(jī)器人數(shù)學(xué)模型,對其位姿關(guān)系進(jìn)行分析,用數(shù)學(xué)方法為機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃提供理論依據(jù)。合理規(guī)劃多足機(jī)器人的步態(tài),采用有限元仿真軟件對所設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析,輸出相關(guān)運(yùn)動參數(shù)曲線。在規(guī)劃多足機(jī)器人的動態(tài)步態(tài)與分析相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上，選擇微控制器作為控制樞紐，構(gòu)建多足機(jī)器人的硬件框架。通過設(shè)計(jì)算法和邏輯來編程，從而精細(xì)操控多足機(jī)器人的步伐，全面提升其AI多足機(jī)器人在多個維度的性能表現(xiàn)。關(guān)鍵詞：類行為機(jī)器人；多足機(jī)器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

AbstractOneareaofroboticsthathasattractedmuchattentionfromresearchersismobilerobots.Theserobotscanbedividedintoseveralcategoriesaccordingtotheirconstructionandmovementmechanisms:walking,rolling,crawler,andcrawling.Becauseofitsstrongenvironmentaladaptability,excellentstabilityandoutstandingloadcapacity,theleggedrobothasbeenlovedbymanyresearchersathomeandabroad.Amongtheleggedrobots,thestructureandcontrolofquadrupedrobotsaresimplerthanthosewithmorelegs.Comparedtobipedalrobotswithonlytwolegs,quadrupedrobotsshowsuperiorstabilityandgreaterloadcapacity.Therefore,thistypeofrobothasabroadapplicationprospectinlogistics,detectionandmilitaryfields.Biomimicryisasciencethatstudiesthestructureandfunctionofvariousorganismsandappliestheexcellentpropertiesoftheseorganismstothefieldofscienceandtechnology.Byintegratingtheprinciplesofroboticsandbionics,thebionicrobotimitatesthefunctionalstructureandmovementmodeofanimals,andintegratesthemovementadvantagesofanimalsintotherobotdesign.Thisresearchtopicfocusesonthethreecoretechnologiesofquadrupedrobots:mechanicalstructure,gaitstrategydesign,andcontrolmechanism.Thepurposeofthisstudyistodesignaquadrupedbioniccrawlingrobotwithsimplemechanicalstructureandhighflexibilityaccordingtothemotioncharacteristicsofquadrupedreptiles,andatthesametimetoconductin-depthcontrolresearchonitsgait.Basedonthemovementmechanismofquadrupedreptiles,amechanicaldevicewasconstructedtorealizetherotationofthelegsbyimprovingitslegstructureandintroducingasingleleghipjoint.Atthesametime,amathematicalmodelofthequadrupedrobotwasestablished,andtherelationshipbetweenitspositionandposturewasanalyzed,andthemathematicalmethodwasusedtoprovideatheoreticalbasisforthegaitplanningoftherobot.Thegaitofthequadrupedrobotwasreasonablyplanned,andthefiniteelementsimulationsoftwarewasusedtoanalyzethekinematicsofthedesignedmechanicalstructure,andtherelevantmotionparametercurveswereoutput.Onthebasisofplanningthedynamicgaitofthequadrupedrobotandanalyzingtherelevantparameters,themicrocontrollerwasselectedasthecontrolhubtoconstructthehardwareframeworkofthequadrupedrobot.Bydesigningalgorithmsandlogictoprogram,thepaceofthequadrupedrobotcanbefinelycontrolled,andtheperformanceofthebionicquadrupedrobotinmultipledimensionscanbecomprehensivelyimproved.KeyWords:Bionicrobot;Four-leggedrobots;Structuraldesign;Thegaitcontrol目錄TOC\o"1-3"\h\u10012摘要 I5500Abstract II155051緒論 1286661.1引言 1169131.2研究背景與意義 1248401.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2301711.3.1國外研究現(xiàn)狀 235651.3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 4325191.4本文的主要內(nèi)容 522952結(jié)構(gòu)分析與機(jī)電系統(tǒng)選型 6306842.1引言 6224622.2機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7313172.2.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7133242.2.2機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8107242.3驅(qū)動器選取 1123202.4本章小結(jié) 13277463機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析 14141103.1引言 14213103.2運(yùn)動學(xué)模型的建立 14149943.3點(diǎn)位置的齊次坐標(biāo)變換 15326213.4正向運(yùn)動學(xué)分析 17303413.5本章小結(jié) 22239864控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 23108734.1引言 23179644.2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2346534.2.1硬件電路設(shè)計(jì) 2385264.2.2多足機(jī)器人控制邏輯 26269264.2.3控制程序 2714594.3本章小結(jié) 3261215步態(tài)規(guī)劃與仿真分析 3375275.1引言 33159395.2步態(tài)規(guī)劃 33221685.2.1步態(tài)的概念 33122975.2.2步態(tài)規(guī)劃 34171145.3仿真分析 35229565.3.1仿真步驟 36249175.3.2仿真及結(jié)果分析 37307665.4本章小結(jié) 46132076總結(jié) 479516致謝 4914829參考文獻(xiàn) 51PAGEPAGE411緒論1.1引言在最近幾年，科技在國內(nèi)外持續(xù)進(jìn)步，近年來，在機(jī)械學(xué)、類行為學(xué)和智能學(xué)等方面，已有不少成果。其中，自主行走的機(jī)器人在倉儲物流、地形勘察、災(zāi)難救災(zāi)等諸多方面具有廣闊的發(fā)展前景。步行式機(jī)械臂可以解決履帶、輪式機(jī)械臂對作業(yè)條件苛刻、機(jī)動性差等諸多優(yōu)勢。同時，在容錯性方面，足式機(jī)器人展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢，因此，多年來，它吸引了大量學(xué)者的關(guān)注和研究。盡管足式機(jī)器人擁有眾多優(yōu)勢，可是目前開發(fā)的足式移動機(jī)器人普遍面臨移動速度緩慢、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)繁瑣、控制上較為復(fù)雜等挑戰(zhàn)?？朔@類技術(shù)挑戰(zhàn)，將極大促進(jìn)移動機(jī)器人制造及其運(yùn)行的發(fā)展，進(jìn)而顯著提升國家的科技實(shí)力。1.2研究背景與意義機(jī)器人技術(shù)，這一學(xué)科交叉領(lǐng)域，巧妙融合了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能等眾多學(xué)科的精華，構(gòu)成了現(xiàn)代機(jī)電一體化的典范。它不僅彰顯了一個國家的科技水平，而且引起了全球范圍內(nèi)學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)的極大興趣。這一領(lǐng)域的研究背景和意義，在于其不斷推動科技進(jìn)步，促進(jìn)著機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路與控制理論、人工智能以及傳感信息處理技術(shù)的融合與發(fā)展。在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，移動機(jī)器人扮演著一個不可替代的角色，它們的運(yùn)用范圍廣泛，涵蓋了工業(yè)生產(chǎn)、貨物存儲與分發(fā)、醫(yī)療保健服務(wù)、航空與海洋探索等多個方面。依照它們的移動機(jī)制，移動機(jī)器人可大致分類為履帶式、輪式、仿足式以及爬行式四種類型。輪式機(jī)器人因其結(jié)構(gòu)簡潔、穩(wěn)定性優(yōu)良、移動效率高以及控制便捷等優(yōu)點(diǎn)，在地面移動系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。相較于輪式移動機(jī)器人，履帶式移動機(jī)器人因接觸地面的面積更廣，所以受到的阻力相對較小。這使得它在保持正常移動速度和防止打滑方面展現(xiàn)出更為卓越的性能。在克服障礙物、跨越壕溝和攀爬斜坡等任務(wù)中，履帶式移動機(jī)器人明顯優(yōu)于輪式機(jī)器人。特別是在軍事野戰(zhàn)環(huán)境中，它更是展現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢。蠕動型機(jī)器人，其設(shè)計(jì)多以柔韌材質(zhì)或記憶合金為主，系出近年新型材質(zhì)進(jìn)步之果。它們在微型機(jī)器人和管道勘探等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大，然而相關(guān)技術(shù)尚處于成熟階段。足式移動機(jī)器人采用類似生物足部的構(gòu)造，因此在設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)上，通常會融合類行為學(xué)的原理。這樣的融合使得機(jī)器人能夠依據(jù)生物體的解剖和運(yùn)動機(jī)制來進(jìn)行機(jī)構(gòu)創(chuàng)新。足式移動機(jī)器人在與先前提到的幾種移動機(jī)器人相比較時，顯示出了更卓越的靈活性，同時在對環(huán)境造成的影響方面，而且比其它種類的行動機(jī)器人要低得多。針對履帶機(jī)器人在高速行駛和轉(zhuǎn)向過程中容易產(chǎn)生的側(cè)移問題，提出了一種新的解決方案。然而，爬行型機(jī)器人是以軟材料或者是記憶合金為主要材料，因此，爬行型機(jī)器人的運(yùn)動速度、負(fù)重能力都無法與步行機(jī)器人相比。所以，在將來，足部機(jī)器人的用途將會更廣。根據(jù)足部數(shù)量的不同，可以分為單足、兩足、多足和六足四種，甚至有幾種是雙足的。與六足及以上足的機(jī)械臂相比，多足機(jī)械臂具有更少的腳部，能夠消除冗余的運(yùn)動部件與運(yùn)動部件，因而在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制上具有明顯的優(yōu)越性。與兩條腿或兩條腿的機(jī)器人比較，多足機(jī)器人在穩(wěn)定性、速度、負(fù)重等性能上具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，對更為復(fù)雜的地貌環(huán)境也具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。此外，多足機(jī)器人還能在不同的工作條件下靈活地移動。他們能在慢速、平穩(wěn)的靜止?fàn)顟B(tài)下行走，也能在中等到中等的高速狀態(tài)下行走。。機(jī)器人架構(gòu)可通過增加多樣化功能模塊來滿足各種特定要求。例如，配備機(jī)械臂的機(jī)器人能夠高效地執(zhí)行制造業(yè)中的組裝和物流任務(wù)，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€靈活的移動作業(yè)系統(tǒng)。在對各種足式機(jī)器人形態(tài)進(jìn)行細(xì)致評估后，可以得出結(jié)論：多足構(gòu)造在當(dāng)前的機(jī)器人領(lǐng)域中占據(jù)領(lǐng)先地位。正是基于其顯著的應(yīng)用潛力，多足機(jī)器人成為了研究界的焦點(diǎn)，吸引了日益增長的興趣。在多足移動機(jī)械臂的研究中，多足機(jī)械臂的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、行走步態(tài)規(guī)劃以及控制方法等都面臨著巨大的挑戰(zhàn)。上述問題嚴(yán)重制約了多足機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用。為此，探究其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、步態(tài)規(guī)劃合理性、控制策略的有效性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)平衡和提高多場景的適應(yīng)能力，對推動多足機(jī)器人走向?qū)嵱没兄种匾目茖W(xué)價值。為此，項(xiàng)目以AI多足機(jī)器人為研究對象，開展AI多足機(jī)器人的機(jī)構(gòu)建模與建模，采用虛擬原型方法對其進(jìn)行模擬試驗(yàn)，完成多足機(jī)器人在各種工作方式下的步長優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，利用簡單的算法與MCU相結(jié)合的方法，完成多足機(jī)器人的步態(tài)控制，為其優(yōu)異的動力學(xué)性能及實(shí)用化發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀步行機(jī)器人是一種重要的運(yùn)動機(jī)械人。與輪式、履帶型機(jī)械臂相比，其作業(yè)面無需完全平坦。由于雙足機(jī)器人與履帶、輪形機(jī)械臂相比，其對地表的接觸比履帶、輪形等要小得多，對周圍的破壞也更小，而且其構(gòu)型的柔性更大。所以，自六十年代以來，多足機(jī)器人的研究便已起步，目前已在多足行走機(jī)器人方面取得了令人矚目的成果，這為多足機(jī)器人的開發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。然而，受到復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)和單一控制邏輯的影響，多足機(jī)器人的移動方式較為單一，這對其爬行能力造成了一定制約。近期，各類研究開始廣泛利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息科學(xué)和虛擬技術(shù)，推動現(xiàn)代爬行機(jī)器人發(fā)展至更迅速、更敏捷、更智能化及多模塊化的境界。國外研究現(xiàn)狀波士頓，美國，通用電氣公司，多足類行為機(jī)器人領(lǐng)域，最早成果，上世紀(jì)中后期，研發(fā)，足式步行車(GEWalkingTruck)[2]，高精度力反饋，良好操作性能，操作手柄，踏板，控制，前進(jìn)，推踏等動作。在高端力反饋系統(tǒng)的支持下，能夠牽引深陷泥潭的吉普車，或者輕觸燈泡而不至于損壞，這種能力屬于仿足式機(jī)器人。由ChristensenDL帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)于美國斯坦福大學(xué)研發(fā)的一款機(jī)器人，重量僅為12克。其特色在于腿部裝備了橡膠釘，這些橡膠釘在機(jī)器人爬行時受到壓力便會彎曲，從而提高其腿部的抓地力。當(dāng)機(jī)器人抬起腿時，橡膠釘失去壓力并恢復(fù)原狀。得益于這種類似壁虎的腿部設(shè)計(jì)，該機(jī)器人能夠承載的重量是自身重量的2000倍。同時研發(fā)團(tuán)隊(duì)成功打造了一種微型爬行機(jī)器人，其重量之輕僅有20毫克，以至于必須借助顯微鏡才能進(jìn)行細(xì)致的組裝工作。這種機(jī)器人擁有超強(qiáng)的負(fù)重能力，能夠承擔(dān)遠(yuǎn)超過自身重量的負(fù)載20倍的物體。來自加拿大西門弗雷澤大學(xué)的黃-K-J研究小組，從壁虎在直立或倒立的墻壁上自由攀爬中獲得靈感，研發(fā)出了阿貝爾-III型爬壁機(jī)器人。以六足行走為典型的仿壁機(jī)器人為例，其原理是通過對扁平足爪下表面的剛毛進(jìn)行加工，使其在范德華作用下實(shí)現(xiàn)對地面的吸附。該方法將爬壁運(yùn)動劃分為粘附與分離兩個階段，其有效與迅速是提升移動速度與效率的關(guān)鍵。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動范圍和四肢結(jié)構(gòu)都限制了它的移動速度。2015年，美國麻省理工大學(xué)的WPark教授和其他一些研究人員發(fā)明了一種叫做cheeta2的四腳機(jī)器人，它被稱為cheetah2。這種四腳機(jī)器人裝備有一個頭上的雷射測距器，它可以感應(yīng)周圍的環(huán)境。當(dāng)前方出現(xiàn)障礙物時，該機(jī)器人會根據(jù)自身的速度進(jìn)行快速判斷，并通過內(nèi)部運(yùn)算法則快速計(jì)算出一條腿上的力量，從而達(dá)到自動越障。波士頓電力公司于2005年發(fā)布了“大狗”，被認(rèn)為是那時四條腿的代表。本公司一直致力于多足機(jī)器人技術(shù)的研究和探討，在2008年，以大狗為基礎(chǔ)，推出了二代多足機(jī)器人。之后又于2015、2016相繼發(fā)布了兩款行走的機(jī)器人Spot和Spotmini。Spot使用的是常規(guī)的液力傳動，Spotmini是一款純電動馬達(dá)，這讓它更加安靜，而且它還裝有大容量的電池，可以支持很久的續(xù)航。在2010年，意大利技術(shù)研究院旗下的動態(tài)腿系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，成功開發(fā)了一款名為HyQ的多足機(jī)器人。這款機(jī)器人擁有12個由液壓驅(qū)動的主動關(guān)節(jié)，并采用主動阻抗控制技術(shù)，使其能夠靈活地控制力矩，達(dá)到每秒2米的速度。此外，HyQ具備一定的抗側(cè)向干擾能力，能夠在多種復(fù)雜的地面環(huán)境中穩(wěn)定地行走。2015年該研究實(shí)驗(yàn)室研制推出多足機(jī)器人HyQ2Max[13]經(jīng)由對關(guān)節(jié)驅(qū)動器的優(yōu)化升級，以及引入創(chuàng)新的液壓缸與伺服閥技術(shù)，其能力顯著提升。同時，增添了自動調(diào)節(jié)機(jī)制，以適應(yīng)不同工作環(huán)境的需求。在2011年，隸屬于瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室成功研發(fā)了一款名為StarlETH的多足機(jī)器人。這款機(jī)器人的行動力來源于電機(jī)，其身體結(jié)構(gòu)包含多達(dá)12個主動關(guān)節(jié)，這些關(guān)節(jié)均通過彈性鉸接式連接，使其能夠進(jìn)行柔性的運(yùn)動控制。StarlETH能夠展現(xiàn)多樣的步伐，并具備一定的抗干擾能力。2016年,該機(jī)器人實(shí)驗(yàn)ANYmal，新一代多足機(jī)器人，被推出。通過升級彈性驅(qū)動器的串聯(lián)模式，機(jī)器人控制變得更柔和，力矩控制也更為精確。ANYmal機(jī)器人適合在極端條件下工作，它的身上配備了感應(yīng)器和攝像頭，可以獨(dú)立執(zhí)行任務(wù)，并且會根據(jù)所處地面的狀況自動調(diào)整其行走方式。國內(nèi)研究現(xiàn)狀在中國，受制于科技發(fā)展的水平，關(guān)于多足機(jī)器人的探索始于20世紀(jì)80年代末期。那時，在機(jī)器人設(shè)計(jì)和操控領(lǐng)域，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了初步的進(jìn)展。隨著清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、山東大學(xué)等高等學(xué)府成功研發(fā)出多足機(jī)器人，國內(nèi)的機(jī)器人技術(shù)得到了推動和發(fā)展。臺灣一所國立大學(xué)通過融合足式和輪式兩種模式，成功研發(fā)出一款能夠?qū)崿F(xiàn)腿輪互換的移動機(jī)器人。這款機(jī)器人裝備有能夠變形的核心機(jī)構(gòu)，能夠?qū)⑿D(zhuǎn)的輪盤形態(tài)巧妙地轉(zhuǎn)變，進(jìn)而形成兩個可互相連接，并具備腿部功能的獨(dú)立輪輻結(jié)構(gòu)型的半圓形狀。該轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)提供了可變換車輪旋轉(zhuǎn)和車輪中心上下調(diào)整兩個自由度,使得機(jī)器人環(huán)境適應(yīng)能力和靈活性得到極大提高。上海交通大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)深入研究章魚的行為與結(jié)構(gòu)，突破技術(shù)難關(guān)，創(chuàng)新性地開發(fā)出一款模仿章魚動作的類行為機(jī)器人。這款機(jī)器人于2015年的世界機(jī)器人展覽會上首次亮相，便迅速引起了廣泛關(guān)注，包括眾多媒體和專業(yè)學(xué)者。機(jī)器人六足對稱設(shè)計(jì)，使其無需轉(zhuǎn)變方向即可向多個方向行進(jìn)，同時具備強(qiáng)大的負(fù)重能力和高效的動作性能。趙欣和康熙等研究人員來自天津大學(xué)，他們探討了一種具備可變腰部的多足爬行機(jī)器人[19]。通過安裝一個舵機(jī)來操縱腰部的形態(tài)變化，以此完成變胞過程。在此基礎(chǔ)上，他們設(shè)計(jì)出了兩種步態(tài)：扭腰直行和扭腰原地旋轉(zhuǎn)，從而增強(qiáng)了機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的靈活性和適應(yīng)性。南京航空航天大學(xué)成功設(shè)計(jì)出一款創(chuàng)新的多足爬行機(jī)器人，其特征在于獨(dú)特的腿部構(gòu)造，采用“十”字關(guān)節(jié)以及足部雙彈簧機(jī)制。這款機(jī)器人運(yùn)用繩索傳動系統(tǒng)，利用鋼絲繩將動力延伸至機(jī)器人足部，從而引導(dǎo)其行動。這樣的設(shè)計(jì)不僅減輕了機(jī)器人的腿部負(fù)重，還提升了其傳動效率以及移動能力。合肥工業(yè)大學(xué)在安徽創(chuàng)造了一款特別的多足機(jī)器人，它被設(shè)計(jì)為在三維空間中靈活移動。這款機(jī)器人結(jié)合了正四面體的結(jié)構(gòu)和四個靈活的鉸鏈腿，這四條腿均勻地分布在中間的正四面體上。在執(zhí)行爬行動作時，三只腳接觸地面以支撐其身體，而第四只腳則高高舉起，位于四面體的頂點(diǎn)。這使得機(jī)器人能夠在空間中準(zhǔn)備進(jìn)行三個維度的翻轉(zhuǎn)，以便執(zhí)行滾動式的爬行。它不僅能夠順暢地前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎，還能越過高障礙物，同時在三維空間內(nèi)也能連續(xù)攀爬。無論是在爬行還是越障的任務(wù)中，這款機(jī)器人都展現(xiàn)出了卓越的能力。經(jīng)過對昆蟲移動機(jī)制的深入研究，學(xué)者們揭示了昆蟲在移動過程中的兩個關(guān)鍵階段：首先是利用爪墊與地面的接觸，適應(yīng)地形并緩解沖擊力；其次是通過骶骨關(guān)節(jié)的收縮，打開所有爪子，擴(kuò)大接觸面積。在此基礎(chǔ)上，專家們經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，嘗試采用柔軟的材料來吸收沖擊力，并在文獻(xiàn)[22，23]中進(jìn)行了詳細(xì)記錄。最終，他們提出了一種新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即結(jié)合車輪、中間連接部分以及穩(wěn)定器，以實(shí)現(xiàn)對沖擊力的有效吸收，相關(guān)研究詳見文獻(xiàn)[24]。孫凌團(tuán)隊(duì)[25，26]采用控制算法對柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)償，有效降低了其對機(jī)器人系統(tǒng)帶來的誤差。1.4本文的主要內(nèi)容本項(xiàng)目旨在研制出一種具有簡單機(jī)械構(gòu)造和良好適應(yīng)性的多足機(jī)械臂，并通過計(jì)算機(jī)模擬對其機(jī)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。采用微控制器和編程控制器的組合，實(shí)現(xiàn)了對多足機(jī)械臂的多種命令的引導(dǎo)。這種多足機(jī)器人可以進(jìn)行基本的行進(jìn)、轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動，保證了它們的平穩(wěn)行走。研究的焦點(diǎn)包括幾個不同的方面：(1)多足機(jī)器人機(jī)體的整體構(gòu)造，研究犬、壁虎、壁虎等多足爬行類的身體構(gòu)造和步行機(jī)理，融合機(jī)構(gòu)學(xué)理論，對其進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新，并基于SolidWorks3D建模技術(shù)建立多足機(jī)器人本體構(gòu)架。(2)機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)特性研究，通過對所建立的多臂機(jī)械臂的姿態(tài)進(jìn)行研究，確定其在不同環(huán)境下的動作范圍，為行走機(jī)構(gòu)的優(yōu)化和規(guī)劃奠定基礎(chǔ)。(3)多足機(jī)器人的模擬實(shí)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，對多足移動機(jī)器人的步態(tài)進(jìn)行了建模，建立了相應(yīng)的3D建模方法。利用Adams軟件建立模擬環(huán)境，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的合理與否，并給出相應(yīng)的參數(shù)曲線。(4)控制方案的研制，在多足機(jī)械臂的控制系統(tǒng)中，根據(jù)多足機(jī)械臂特有的行走方式，制定了機(jī)械臂的硬件電路。

2多足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1引言爬行能力、穩(wěn)定性以及任務(wù)適應(yīng)性等關(guān)鍵性能指標(biāo)，對于多足機(jī)器人而言，深受其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。腿部與機(jī)體的協(xié)同設(shè)計(jì)構(gòu)成了機(jī)械系統(tǒng)的核心。為了創(chuàng)造出滿足特定需求的多足爬行機(jī)器人，設(shè)計(jì)時不僅要考慮結(jié)構(gòu)的靈活性、工作速度和承載力等方面，還需遵循機(jī)械設(shè)計(jì)的基本原則。設(shè)計(jì)方案應(yīng)確保機(jī)械結(jié)構(gòu)的實(shí)際可行性，基于科學(xué)原理進(jìn)行構(gòu)建。運(yùn)動機(jī)能需彼此協(xié)調(diào)，無沖突，并且機(jī)器人空間結(jié)構(gòu)應(yīng)合理規(guī)劃。此外，產(chǎn)品設(shè)計(jì)須能在當(dāng)前生產(chǎn)環(huán)境中順利進(jìn)行制造、加工和組裝。在設(shè)計(jì)多足機(jī)器人的架構(gòu)時，應(yīng)當(dāng)遵循獨(dú)創(chuàng)性原則。這意味著在研究前人的成果基礎(chǔ)上，必須追求創(chuàng)新，對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行新穎的思考和深入的鉆研。在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，必須秉持追求最佳方案的原則。這就意味著，在開展設(shè)計(jì)工作之前，應(yīng)當(dāng)深入探討是否存在更加優(yōu)秀的方案以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。同時，對于多足機(jī)器人的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)成本，也應(yīng)給予足夠的重視。理想中的機(jī)器人設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)出機(jī)械結(jié)構(gòu)的簡潔性、制造成本的的經(jīng)濟(jì)性以及成品的輕便性。在驅(qū)動器的選取上，應(yīng)當(dāng)做出合理的配置決策，以避免資源的不必要浪費(fèi)。2.2機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.2.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常，多足機(jī)器人的設(shè)計(jì)靈感來源于諸如貓科生物、狗和蜥蜴等爬行生物。然而，僅僅模類行為物的構(gòu)造是不夠的，因?yàn)樯锏倪\(yùn)動依賴于肌肉的拉動和神經(jīng)的調(diào)控。在當(dāng)前技術(shù)條件下，實(shí)現(xiàn)完全的類行為是非常困難的。因此，對生物結(jié)構(gòu)的改進(jìn)變得格外關(guān)鍵。該設(shè)計(jì)參照爬行生物的行為模式，探討了實(shí)現(xiàn)多足機(jī)器人穩(wěn)定移動的要求。鑒于多足機(jī)器人具有較低的重心，研究者在設(shè)計(jì)時特別關(guān)注其在行走過程中對地面的壓力分布和摩擦力矩的生成，這是推動機(jī)器人前進(jìn)的關(guān)鍵。因此，機(jī)器人的腿部設(shè)計(jì)成與地面保持垂直關(guān)系，并適當(dāng)?shù)財(cái)U(kuò)大了與地面的接觸范圍，以確保良好的抓地力。多足機(jī)器人的構(gòu)建著重于其腿部機(jī)構(gòu)的升降與擺動，這些動作是實(shí)現(xiàn)移動和轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)過程中，充分權(quán)衡了其活動自由度和成本效益。本設(shè)計(jì)利用單個舵機(jī)來操控腿部動作，實(shí)現(xiàn)起降與接觸地面的過程。與傳統(tǒng)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)不同，此處采用了一種創(chuàng)新方法，通過精心的布局模擬爬行生物的髖關(guān)節(jié)，使得單個舵機(jī)能夠驅(qū)動兩條腿完成擺動，從而推動機(jī)器人的前行。設(shè)計(jì)任務(wù)書規(guī)定了尺寸限制，具體為不超過0.5米乘0.5米乘0.5米的范圍。在設(shè)計(jì)機(jī)器人時，需注意其重心的分布，避免過高。為此，在構(gòu)建機(jī)器人的腿部設(shè)計(jì)時，選用了尺寸為0.3米*0.32米*0.15米的結(jié)構(gòu)。這樣的尺寸能夠滿足任務(wù)需求，并有助于實(shí)現(xiàn)重心的降低。此外，為了確保機(jī)器人運(yùn)動的穩(wěn)定性，驅(qū)動器的布局也被仔細(xì)考慮，最終選用了對稱的設(shè)計(jì)方案。圖2-1機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所揭示的，這款多足機(jī)器人的腿部構(gòu)建包含一個髖關(guān)節(jié)和兩個膝關(guān)節(jié)。每個獨(dú)立腿單元具備兩個轉(zhuǎn)動自由度。膝關(guān)節(jié)1、3、4、6的旋轉(zhuǎn)能夠操控腿部提起與放下。與此同時，髖關(guān)節(jié)2、5的旋轉(zhuǎn)聯(lián)合平面連桿，經(jīng)過妥善規(guī)劃，促使多足機(jī)器人向前發(fā)展，呈現(xiàn)對稱分布的腿部開鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)讓多足機(jī)器人的幾何中心與機(jī)體重心重合。此外，足端與地面的接觸形成平面副，有效擴(kuò)大了與地面的接觸面積。該設(shè)計(jì)方案盡管在驅(qū)動單元數(shù)量上較傳統(tǒng)型至少縮減了兩個單元，它在形成有效步行模式時，僅能呈現(xiàn)出類似平行四邊形的變形前進(jìn)，這使得其行進(jìn)方式過于單調(diào)，適應(yīng)性不強(qiáng)。同時，轉(zhuǎn)向功能亦顯得笨拙，限制了其實(shí)際應(yīng)用價值。然而，如果在主體軀干部分引入一個旋轉(zhuǎn)副件，便能夠提升一個自由度，進(jìn)而有效地解決上述種種局限。通過整合先前的步態(tài)模式，可以衍生出多種新的步態(tài)，從而顯著增強(qiáng)機(jī)器人的適應(yīng)性，并擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。具體機(jī)械結(jié)構(gòu)如下：圖2-2機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖將所提供的運(yùn)動方案與身體軀干部分整合，新增一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，并安裝一個動力裝置。依據(jù)對空間活動自由度的估算方法，可得機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算等式如下： （2-1）上述公式中：選取其中一個構(gòu)件作為固定參照物，n表示機(jī)構(gòu)中有個n個自由的剛性物體，每個物體在空間中都具有沿笛卡爾坐標(biāo)系中3個坐標(biāo)軸的3個移動自由度和繞5個坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的3個自由度，共6個自由度。所以空間中n個剛性物體在相對固定參考對象時運(yùn)動自由度為6(n-1)，將機(jī)械結(jié)構(gòu)中不同構(gòu)件用運(yùn)動副聯(lián)結(jié)起來，ui表示第i個運(yùn)動副的約束，k表示所有物體之間的運(yùn)動副數(shù)目。根據(jù)公式和所設(shè)計(jì)的多足機(jī)器人結(jié)構(gòu)帶入相應(yīng)參數(shù)得F=6，表示機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)全方位的運(yùn)動。2.2.2機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確立多足機(jī)器人的整體架構(gòu)時，需考慮到其內(nèi)置的控制電路板與電池等組件，因此必須規(guī)劃出適宜的安置平臺。鑒于該多足機(jī)器人的腰部具備轉(zhuǎn)動能力，該平臺應(yīng)與機(jī)身主體保持一定距離，同時確保平臺的布局不會干擾到機(jī)器人的正常運(yùn)作機(jī)制。實(shí)施前端工作臺策略，通過橫向擴(kuò)展前機(jī)體并規(guī)劃通道以支持工作臺，同時設(shè)計(jì)時確保整體機(jī)身的對稱性，確保機(jī)體的幾何中心與其重心重合。各部分結(jié)構(gòu)圖如下:圖2-3整體結(jié)構(gòu)裝配圖圖2-4整體結(jié)構(gòu)爆炸圖為驅(qū)為前腹板為機(jī)器人后腿，；6為支撐工作臺在圖2-4的總體結(jié)構(gòu)分解圖中，序號1代表機(jī)器人的前肢，它依靠舵機(jī)驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)各種動作。兩個驅(qū)動器操控舵機(jī)，模仿各關(guān)節(jié)的動作，并為多足機(jī)器人的各項(xiàng)動作供應(yīng)推動力和扭矩。3為前腹板,主要用于支撐工作臺;4為后腹板,可用于搭載電池等其他外部設(shè)備;機(jī)器人下肢由五部分組成，這些部分協(xié)同上肢和背部關(guān)節(jié)，共同完成各種動作任務(wù)。六號工作臺承擔(dān)著支撐功能，主要用于固定硬件組件、微控制器電路板和印刷電路板等。圖2-5腿部結(jié)構(gòu)裝配圖圖2-6腿部結(jié)構(gòu)爆炸圖13在圖2-6展現(xiàn)的腿部結(jié)構(gòu)分解圖中，標(biāo)識為1的部分是多足機(jī)器人的腳部，它負(fù)責(zé)與地面接觸以支撐整個機(jī)體，并在橫向股部的驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)移動。扭矩傳遞是多足機(jī)器人行走的關(guān)鍵，其中第二號機(jī)器人的大腿部分扮演著重要角色，它負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動中的扭矩傳輸，確保機(jī)器人能夠執(zhí)行前進(jìn)、轉(zhuǎn)向等復(fù)雜動作。驅(qū)動舵機(jī)作為多足機(jī)器人足部動作的關(guān)鍵動力來源。圖2-7舵機(jī)裝配圖圖2-8舵機(jī)裝配爆炸圖在圖2-8所示的轉(zhuǎn)向器組合件拆卸視圖中，編號1的部件為轉(zhuǎn)向器組的固定片，起到了保證轉(zhuǎn)向器組可靠聯(lián)接的作用；2是轉(zhuǎn)向器法蘭，用于將轉(zhuǎn)向器裝配件與被傳動零件相聯(lián)接；3給操舵機(jī)本體，給操舵機(jī)本體提供動力及驅(qū)動力矩。2.3驅(qū)動器選取針對目前多足機(jī)器人對重量要求較高、體積小、穩(wěn)定性好、操作方便等要求，擬將執(zhí)行機(jī)構(gòu)用作多足機(jī)器人的動力來源。相對于傳統(tǒng)的直流電動機(jī)，該驅(qū)動器質(zhì)量較輕，尺寸較小，但輸出轉(zhuǎn)矩較大，是一種較好的多關(guān)節(jié)大轉(zhuǎn)矩機(jī)械臂。另外，轉(zhuǎn)向器內(nèi)部的齒輪減速機(jī)制，可以有效地降低震動，改善精度和緊固力量。而普通的直流電動機(jī)，需要按其自身的速度比例來進(jìn)行減速。另外，當(dāng)功率脈沖被傳輸?shù)綀?zhí)行機(jī)構(gòu)的時候，執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)的線路可以對這些輸入信號進(jìn)行處理，按照預(yù)先設(shè)定的參數(shù)，可以按照執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器來調(diào)節(jié)電動機(jī)的輸出功率，這樣就方便了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。該操舵機(jī)構(gòu)由電機(jī)，電路板，齒輪減速機(jī)構(gòu)，殼體和定位傳感器組成。舵機(jī)板上有一塊用于調(diào)節(jié)信號的晶片。將外界的控制訊號經(jīng)由特殊的通路傳送到晶片上，就可產(chǎn)生一種直流偏壓訊號。通過與舵內(nèi)基準(zhǔn)回路的相互影響，產(chǎn)生20ms寬度1.5ms的基準(zhǔn)信號。將這一信號輸入到電位儀中，并與此處的基準(zhǔn)電壓相比較，從而得到一個差值的信號。最后，通過正、負(fù)兩個不同的電位差，決定了電動機(jī)的正向和反向。當(dāng)馬達(dá)速度不變時，利用串聯(lián)式減速裝置帶動內(nèi)建電位計(jì)旋轉(zhuǎn)，從而消除了電勢差，使馬達(dá)停轉(zhuǎn)。由于舵件的不同，各種類型的舵件都具有自己獨(dú)特的工作電壓和工作電流。在運(yùn)行過程中，一定要遵循這個極限，超過這個極限將會造成轉(zhuǎn)向器的損傷。一般情況下，舵機(jī)都有三條導(dǎo)線，一條是用來傳送控制信息，一條是用來提供動力的，一條是用來連接到電源的正電極和接地的。在選購轉(zhuǎn)向器時，應(yīng)綜合考慮以下幾個方面：轉(zhuǎn)速，扭矩，電壓，尺寸，重量，材料。在設(shè)計(jì)多足機(jī)器人時，考慮到其結(jié)構(gòu)特性、所需的驅(qū)動力矩和尺寸規(guī)范等關(guān)鍵因素，選擇了LX-16A串行總線舵機(jī)作為驅(qū)動裝置。此種舵機(jī)能夠由控制板通過單一總線接口引出一個I/O口實(shí)現(xiàn)通信連接，通過上下雙接口配置，實(shí)現(xiàn)了舵機(jī)間的串聯(lián)，有效降低了串口的使用，同時也使得布線更為簡潔。在使用多個舵機(jī)時，為每個舵機(jī)指定一個獨(dú)特的ID號碼以便識別?？刂茊卧逻_(dá)的命令將包含所對應(yīng)的舵機(jī)ID。只有當(dāng)ID相符時，相應(yīng)的舵機(jī)才能完整地接收命令，并執(zhí)行相應(yīng)的動作。LX-16A舵機(jī)以其獨(dú)特的矮殼短機(jī)身設(shè)計(jì)脫穎而出，這種緊湊的結(jié)構(gòu)大幅減少了空間的需求。它不僅能夠以舵機(jī)模式在240度的范圍內(nèi)進(jìn)行有效轉(zhuǎn)動，還能夠在減速電機(jī)模式下控制轉(zhuǎn)動的方向。這種雙重工作模式使得LX-16A在功能上更為靈活多變。能夠快速完成360度的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，并伴有角度的即時反饋功能，同時也支持角度的再次讀取，用于準(zhǔn)確捕捉機(jī)器人關(guān)節(jié)的位置。表2-1參數(shù)表名稱值重量52g尺寸45.2mm×24.7mm×35mm轉(zhuǎn)動速度0.18sec/60degree（4.8v）0.15sec/60degree（6v）最高輸出扭矩19.5kg·cm控制精度0.24°通信波特率115200bps轉(zhuǎn)角范圍0-240°工作電壓5-8.4vLX-16A舵機(jī)重52g；尺寸為45.2mm×24.7mm×35mm；轉(zhuǎn)動速度分別為0.18sec/60degree（4.8v），0.15sec/60degree（6v）；最高輸出扭矩19.5kg·cm；控制精度0.24°；通信波特率：115200bps；轉(zhuǎn)角范圍：0-240°；工作電壓為：5-8.4v。2.4本章小結(jié)本項(xiàng)研究聚焦于多足機(jī)器人全面的規(guī)劃藍(lán)圖，以及對其腿部架構(gòu)的塑造。在繼承了現(xiàn)有多足機(jī)器人機(jī)械構(gòu)造的基礎(chǔ)上，本研究致力于從特定的設(shè)計(jì)要求出發(fā)，構(gòu)建了一種創(chuàng)新型的多足爬行機(jī)械結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過獨(dú)特的橫向肢體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了兩只足部的協(xié)調(diào)擺動，并深度考量了與地面的接觸問題，采納了平面關(guān)節(jié)與地面的接觸方式，保證了機(jī)器人在步行過程中的穩(wěn)定性能。在對多足行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動仿真時，以執(zhí)行機(jī)構(gòu)為驅(qū)動器，對多足行走機(jī)構(gòu)所需的配件進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，使之達(dá)到一定的尺寸，重量較輕，同時具備較高的柔性。執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以有效的嵌入到機(jī)械臂的骨架中，從而為多足機(jī)械臂的運(yùn)動分析、模擬試驗(yàn)以及軟件的編制奠定了基礎(chǔ)。

3機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析3.1引言對四肢式機(jī)械生物的移動機(jī)制研究構(gòu)成了爬行型機(jī)器人步伐發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在探討機(jī)械生物的移動學(xué)特性時，依據(jù)研究對象及途徑的差異，可以將分析方法劃分為正向剖析與逆向剖析兩種類型。正向剖析涉及已知機(jī)械生物各活動關(guān)節(jié)的參數(shù)，進(jìn)而推導(dǎo)出其末端執(zhí)行器的運(yùn)動細(xì)節(jié)；而逆向剖析則剛好相反，是基于末端執(zhí)行器的運(yùn)動數(shù)據(jù)，反向推算各個關(guān)節(jié)的具體動作。在本研究項(xiàng)目中，預(yù)先確定了機(jī)器人的桿長。將通過正向運(yùn)動學(xué)方法來解析機(jī)器人的姿勢。在此過程中，不會對多足機(jī)器人的力學(xué)特性進(jìn)行探討，而是僅基于幾何學(xué)角度來探究其身體的方位等屬性。通過對多足機(jī)器人構(gòu)造的抽象化處理，并構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而設(shè)立特定的坐標(biāo)系，對機(jī)器人的主要關(guān)節(jié)部位進(jìn)行詳細(xì)的姿態(tài)分析。3.2運(yùn)動學(xué)模型的建立通過精簡多足機(jī)械行走機(jī)械裝置的構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)對多足機(jī)械行走裝置的數(shù)理建模。通過探究關(guān)節(jié)活動的數(shù)據(jù)解析，獲取控制多足機(jī)械行走裝置爬行動作所需的參數(shù)。構(gòu)建精確的數(shù)理模型是揭示機(jī)器人行走動態(tài)特征的根本，鑒于該項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的多足機(jī)器人構(gòu)架的簡潔性，其數(shù)理模型也顯得較為簡易，因此在運(yùn)動學(xué)上的分析和計(jì)算負(fù)擔(dān)較輕。構(gòu)建運(yùn)動學(xué)模型涉及對多足機(jī)器人構(gòu)造中的部件、運(yùn)動接頭、運(yùn)動鏈以及構(gòu)件的深入理解。本研究以鉸鏈平面連桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為核心，融入多足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特色，如圖3-1所示，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化。在此基礎(chǔ)上，通過建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，對機(jī)器人在正向和逆向運(yùn)動學(xué)方面的行為進(jìn)行詳盡分析。圖3-1機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡圖3.3點(diǎn)位置的齊次坐標(biāo)變換運(yùn)動學(xué)分析涉及將機(jī)器人在三維空間中的移動通過數(shù)學(xué)手段轉(zhuǎn)化為時間的函數(shù)。本文以多足爬蟲為研究對象，重點(diǎn)研究了多足爬蟲的運(yùn)動軌跡和運(yùn)動軌跡的關(guān)系。以多足行走機(jī)構(gòu)為研究對象，將其視為由若干關(guān)節(jié)連接在一起的一組鏈環(huán)所組成。在每個關(guān)節(jié)上分別設(shè)置了相應(yīng)的座標(biāo)。用齊次轉(zhuǎn)換表示各桿件之間的相對位置、方向及聯(lián)接關(guān)系。在確定了多足機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角及連接臂的長度后，就必須對其終端副的位姿進(jìn)行求解。在機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)中，各個剛體構(gòu)件的運(yùn)動可以分解為沿某一方向的移動和繞某固定軸的轉(zhuǎn)動。a.坐標(biāo)平移變換。坐標(biāo)中某一點(diǎn)A（X,Y,Z），在平移到某一點(diǎn)A1（X1,Y1,Z1）時，根據(jù)坐標(biāo)的平移變換，可得：X1XXYYY

（3-1）1Z1 ZZZ1用矩陣表示點(diǎn)A的平移變換過程為：X1

1 0 0

XXY 0 1 0

YY1

（3-2）Z1 0 0 1

ZZ1 0 0 0

11 也可簡寫為：A1Trans(X,Y,Z)A式中Trans（△X,△Y,△Z）就表示坐標(biāo)的平移變換算子，即：

（3-3）1 0 00 1 0Trans(X,Y,Z)0 0 1

XYZ

（3-4）0001 0001 當(dāng)坐標(biāo)變換是相對固定坐標(biāo)進(jìn)行時，將算子左乘；坐標(biāo)變換是相對動坐標(biāo)系進(jìn)行時，該算子右乘。b.坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換。坐標(biāo)中某一點(diǎn)A（X,Y,Z），在旋轉(zhuǎn)至某一點(diǎn)A1（X1,Y1,Z1）時，根據(jù)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)（以Z軸為例）在坐標(biāo)系中的變換規(guī)則，可得：X1XcosYsinYYsinYcos

（3-5）1ZZZ 1用矩陣表示點(diǎn)A的旋轉(zhuǎn)變換過程為： （3-6）用齊次坐標(biāo)表示為 (3-2)式中Rot（Z，θ）表示坐標(biāo)齊次變換時，繞Z軸的旋轉(zhuǎn)變換算子，相對于固定坐標(biāo)系變換時，算子左乘，相對于動坐標(biāo)系變換時，算子右乘。3.4正向運(yùn)動學(xué)分析對所創(chuàng)造的機(jī)械構(gòu)造圖示，進(jìn)行1.5次的正向運(yùn)動學(xué)評析，創(chuàng)立連桿的坐標(biāo)體系。在構(gòu)建機(jī)器人坐標(biāo)系的過程中，關(guān)鍵是將多個關(guān)節(jié)及其相連的兩桿件視為關(guān)節(jié)軸。選取任一關(guān)節(jié)軸與其后繼軸的交點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，標(biāo)記為坐標(biāo)系的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，將這兩軸之間的垂直線定義為Z軸的正方向，而Y軸的方向則依據(jù)右手定則來確定。以多足機(jī)器人的對角步態(tài)為研究對象，可以建立一個適用于多足機(jī)器人的坐標(biāo)系模型：圖3-2三關(guān)節(jié)平面數(shù)學(xué)模型表3-1多足機(jī)器人連桿參數(shù)連桿標(biāo)號i關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度θi連桿相對偏距di連桿固定長度ai連桿扭角變化αi1θ1d1=0a1=160α1=02θ2d2=0a2=150α2=03θ3d3=0a3=150α3=04θ4d4=0a4=160α4=0多足機(jī)器人連桿參數(shù)歸納如下：(1)連桿固定長度ai：沿軸Xi，從Xi到Xi+1的距離，即多足機(jī)器人連桿的長度。(2)連桿相對扭角αi：繞軸Zi，從Xi到Xi+1的角度，即連桿的扭曲角度，由于四足機(jī)器人內(nèi)桿件的設(shè)計(jì)采用鋁合金直線剛性構(gòu)件，所以各扭角均為0。(3)連桿相對偏距di，沿軸Xi，從Zi-1到Zi的距離，即坐標(biāo)原點(diǎn)i在Z軸方向相對于坐標(biāo)原點(diǎn)i-1偏移的距離，因?yàn)樗治龅母鱾€關(guān)節(jié)均在同一平面內(nèi)，所以偏距均為0。(4)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度θi：繞軸Zi，相對軸Xi旋轉(zhuǎn)變化的角度，根據(jù)運(yùn)動規(guī)劃設(shè)定。根據(jù)連桿坐標(biāo)系之間的變換矩陣得所設(shè)計(jì)的平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人的運(yùn)動方程為:T3=A1A2A3A4在公式(3-1)中:A1表示連桿1的坐標(biāo)系相對于固定坐標(biāo)系的齊次變換矩陣A1表示連桿2的坐標(biāo)系相對于連桿1的齊次坐標(biāo)變換矩陣A2表示連桿3的坐標(biāo)系相對于連桿2的齊次坐標(biāo)變換矩陣A3表示連桿4的坐標(biāo)系相對于連桿3的齊次坐標(biāo)變換矩陣T3表示多足機(jī)器人尾部一側(cè)足的位姿根據(jù)位姿矩陣齊次坐標(biāo)的復(fù)合變換變換公式可得:o2in2

0 01 0 0150sin

cos 0 00 1 0 0 2 00

2 1 1 00 0 1 0 0 0 10 0 0 1

（3-11）3Rot(z23Tansl3,,0)o3in3

0 01 0 0150sin

cos 0 00 1 0 0 3 00

3 1 1 00 0 1 0 0 0 10 0 0 1

（3-12）A4Rot(z3）Tansl4,,0)cos4

0 01

0 0160sin4

0

0 01000 0100 綜上可得：

1 1 00 0 1 0 0 0 10 0 0 1

（3-13）T3A1A2A3A4o1in1

0 01 0 0160sin

cos 0 00 1 0 0 1 000

1 1 1 00 0 1 0 0 0 10 0 0 1o2in2

0 01 0 0150sin cos 0 00 1 0 00110001000110001000010001 o3in3

0 01 0 0150sin cos 0 00 1 0 00110001000110001000010001 cos40

01 0 0160sin4010110001000010001

0

0 01000 0100

（3-14）PAGEPAGE在此基礎(chǔ)上，將角參數(shù)等輸入到多足機(jī)械臂的運(yùn)動軌跡中，可以獲得多足機(jī)械臂各個關(guān)鍵關(guān)節(jié)的位姿矩陣，從而實(shí)現(xiàn)多足機(jī)械臂的行走。3.5本章小結(jié)這一部分主要研究多足行走機(jī)器人的結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)。首先，建立并聯(lián)機(jī)構(gòu)的空間坐標(biāo)系，確定其運(yùn)動狀態(tài)；其次，研究多個平面各關(guān)節(jié)的前向運(yùn)動學(xué)，結(jié)合位姿矩陣，研究其位姿轉(zhuǎn)換的機(jī)理。這一成果為未來機(jī)器人步態(tài)的設(shè)計(jì)與動態(tài)模擬積累了必要的數(shù)學(xué)依據(jù)。

4控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1引言本節(jié)內(nèi)容基于多足爬行機(jī)器人的特性及其運(yùn)動方式，構(gòu)建了相應(yīng)的多足移動機(jī)械臂的運(yùn)動控制系統(tǒng)，這個系統(tǒng)包括了設(shè)計(jì)硬件線路和程序設(shè)計(jì)兩部分。該系統(tǒng)的硬件部分完成了各個模塊之間的界面設(shè)計(jì)，以及與之相匹配的控制芯片。在此基礎(chǔ)上，以多足機(jī)械臂的行走軌跡為基礎(chǔ)，建立了多足機(jī)械臂的運(yùn)動模型，并用程序語言實(shí)現(xiàn)了其在電腦上的實(shí)現(xiàn)，并將其與所選擇的單片微控制器進(jìn)行集成?？刂葡到y(tǒng)和舵機(jī)間的互動完成命令的傳達(dá)，最后完成特定的動作命令的完成?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)需確保其具備高度的實(shí)時性和迅速的響應(yīng)能力，以便對多足機(jī)器人進(jìn)行精確的協(xié)調(diào)，使其順利執(zhí)行各種動作。多足機(jī)械臂的硬件電路及編程算法是構(gòu)成多足機(jī)械臂的關(guān)鍵。4.2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.2.1硬件電路設(shè)計(jì)而在此基礎(chǔ)上，以單片機(jī)為中心的微控制器，其工作特性及周邊線路的設(shè)計(jì)，將會對整機(jī)的工作可靠性產(chǎn)生重要的影響。因此，在多足機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，對單片機(jī)型號的挑選和外圍電路的布局是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)中的機(jī)器人采用多足架構(gòu)，其動作控制較為基礎(chǔ)。主要通過單片機(jī)對七個舵機(jī)進(jìn)行實(shí)時調(diào)控，確保它們在恰當(dāng)?shù)臅r機(jī)旋轉(zhuǎn)特定的角度。這種有序的控制邏輯促成了機(jī)器人流暢的動作執(zhí)行。宏晶科技，作為國內(nèi)領(lǐng)先的單片機(jī)設(shè)計(jì)制造企業(yè)，已穩(wěn)健發(fā)展成為全球51單片機(jī)領(lǐng)域的領(lǐng)軍者。其中，STC系列單片機(jī)，作為該公司的一大招牌產(chǎn)品，廣受市場歡迎，占據(jù)了我國單片機(jī)市場的重要份額。STC15W4K32S4單片機(jī)宏晶科技在2014年生產(chǎn)發(fā)布的一個時鐘周期為1T的單片機(jī),作為一款增強(qiáng)型51單片機(jī),片內(nèi)置有較大字節(jié)的程序存儲器,且可擦寫次數(shù)多、重復(fù)利用性高。在編程指令方面，此款單片機(jī)與傳統(tǒng)的51系列完全契合，無需對控制命令進(jìn)行額外調(diào)整。學(xué)習(xí)過程應(yīng)當(dāng)致力于提升實(shí)際應(yīng)用中的效率與速度。STC15W4K32S4單片機(jī)在信號傳輸和運(yùn)算處理速度上，相較于傳統(tǒng)的51單片機(jī)，提升了大約十倍。內(nèi)置大量的SRAM，內(nèi)置10比特PWM與A/D變換器，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。在傳統(tǒng)51微控制器體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加了大量的高速、獨(dú)立的、非同步串行通訊界面，在很大程度上滿足了不同的設(shè)計(jì)需求。STC15W4K32S4系列MCU內(nèi)置R/C同步及重置回路，因此在硬件設(shè)計(jì)中不需要再增加晶體振蕩器及重置電路。這使得對應(yīng)的時鐘循環(huán)信號和低電平重置信號被直接地提供給外部電路組件，由此大大減少了費(fèi)用并且使設(shè)計(jì)過程得以簡化。STC15W4K32S4型號的芯片在能耗方面表現(xiàn)出色，其運(yùn)轉(zhuǎn)電壓范圍介于2.5v至5.5v。在節(jié)能機(jī)制的設(shè)計(jì)上，該芯片能夠在空閑、斷電以及低速模式下工作，允許設(shè)計(jì)師在創(chuàng)作時，根據(jù)項(xiàng)目的具體需求和各種可能的選擇，做出最佳決策。采用CH340G芯片作為原USB總線的繼電器，實(shí)現(xiàn)了對普通USB數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化。另外，該芯片還支持高速USB裝置的USB接口，因此在開發(fā)過程中不需要考慮其它的問題。在編程上，CH340G能很好地適應(yīng)Windows系統(tǒng)，不需要做任何附加的改動。CH340G是一種以調(diào)制解調(diào)器為主機(jī)添加非同步串口的設(shè)備，它還可以將常規(guī)的串口升級到USB接口。使用總線進(jìn)行串行通訊。該模塊具有與本項(xiàng)目中使用的MCU相匹配的單獨(dú)收發(fā)緩沖，并具有不同的異步串口通訊方式。在本項(xiàng)目的研究中，所使用的微控制器和舵盤，其波特率設(shè)定與甲醇40G變換器所能提供的通信速率是一致的。在(50bps~2Mbps)范圍內(nèi)，在一定程度上可以減少電路信號的錯誤發(fā)生。通過外加電平轉(zhuǎn)換器件,可兼容提供RS232、RS485、RS422等接口,軟件兼容傳統(tǒng)的CH341芯片,在使用時可以簡化使用CH341的驅(qū)動程序,5v或者3.3v的工作電壓也使得CH340具備較低功耗。依據(jù)多足機(jī)器人運(yùn)作特性及電子元件的挑選，借助AltiumDesigner軟件開展電路圖設(shè)計(jì)，以完成硬件系統(tǒng)的構(gòu)建，具體步驟如下所述：。圖4-1硬件電路圖在設(shè)計(jì)中，利用Kp輸出配合程序命令來實(shí)現(xiàn)對多足機(jī)器人控制系統(tǒng)的初始化，設(shè)定三個步驟。K1、K2、K3這幾個按鍵承擔(dān)著制造不同電平信號的重任，以此來操控多足機(jī)器人的行進(jìn)和轉(zhuǎn)向。連接CH340的發(fā)送和接收引腳至STC15W4K32S4單片機(jī)的相應(yīng)引腳時，需注意反向連接。具體來說，CH340G的TXD引腳應(yīng)連接至單片機(jī)的RXD引腳，同時單片機(jī)的TXD引腳應(yīng)連接至CH340的RXD引腳。LX-16A舵機(jī)通過串行接口與單片機(jī)的發(fā)送和接收引腳相連，并且各個舵機(jī)以串聯(lián)的方式連接在一起。在電路設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，選擇了5v的電源為STC15W4K32S4單片機(jī)和LX-16A舵機(jī)分別供能。這樣的電源選擇確保了其工作電壓處于兩者的工作區(qū)間內(nèi)，省去了變壓器的使用。此外，采取雙電源的設(shè)計(jì)方案，旨在保障電源模塊間的獨(dú)立供電，以此確保即便在一個電源模塊出現(xiàn)問題時，不會對另一模塊的數(shù)據(jù)造成損害。4.2.2多足機(jī)器人控制邏輯穩(wěn)定的多足機(jī)器人運(yùn)動依賴于堅(jiān)實(shí)的算法邏輯，而其算法核心是構(gòu)建于機(jī)器步態(tài)的邏輯之上。將運(yùn)動算法轉(zhuǎn)化為舵機(jī)控制命令，涉及對各個舵機(jī)在特定時刻旋轉(zhuǎn)特定角度的精準(zhǔn)調(diào)控。多足機(jī)器人算法設(shè)計(jì)的具體步驟如下：圖4-2多足機(jī)器人舵機(jī)ID（1）多足機(jī)器人直線運(yùn)動算法邏輯（a）4號舵機(jī)順時針轉(zhuǎn)動15度，3號舵機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動15度，5號舵機(jī)順時針轉(zhuǎn)動15度，2號舵機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動15度，15度，315度，（b）6號舵機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動15度，1號舵機(jī)順時針轉(zhuǎn)動15度，15度，215度，15度，115度。如需讓多足機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)，只需重復(fù)執(zhí)行（a）、（b）算法即可（2）多足機(jī)器人轉(zhuǎn)向運(yùn)動算法邏輯（以右轉(zhuǎn)為例）3號舵機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動15度，4號舵機(jī)順時針轉(zhuǎn)動15度，2號舵機(jī)順時針轉(zhuǎn)動15度，5號舵機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動15度，PAGEPAGE317號舵機(jī)順時針轉(zhuǎn)動45度，3號舵機(jī)順時針轉(zhuǎn)動15度，4號舵機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動15度；（a）1號舵機(jī)順時針轉(zhuǎn)動15度，6號舵機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動15度，2號舵機(jī)順時針轉(zhuǎn)動15度，5號舵機(jī)順時針轉(zhuǎn)動15度，7號舵機(jī)順時針轉(zhuǎn)動45度，1號舵機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動15度，6號舵機(jī)順時針轉(zhuǎn)動15度；（b）3號舵機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動15度，4號舵機(jī)順時針轉(zhuǎn)動15度，2號舵機(jī)順時針轉(zhuǎn)動15度，5號舵機(jī)順時針轉(zhuǎn)動15度，7號舵機(jī)順時針轉(zhuǎn)動45度，3號舵機(jī)順時針轉(zhuǎn)動15度，4號舵機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動15度。4.2.3控制程序在遵循多足機(jī)器人的動態(tài)原理及對其控制系統(tǒng)的全局規(guī)劃基礎(chǔ)上，利用所掌握的編程知識，多足移動機(jī)械臂的動作調(diào)整方案的建立。其中包括：系統(tǒng)啟動，串行通訊參數(shù)設(shè)置，機(jī)器人動作初始化組態(tài)，動作精確操作等幾個方面。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)多足機(jī)器人的操作方案，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的操作程序：:圖4-3機(jī)器人控制程序流程圖該模塊的初始化設(shè)計(jì)，以滿足控制系統(tǒng)串口通訊的要求，并根據(jù)串行通訊的要求，設(shè)計(jì)了一種適合于控制系統(tǒng)的工作方式。主要內(nèi)容有：設(shè)置微控制器和舵機(jī)間的串口，設(shè)置微控制器的通訊速率，并編寫相應(yīng)的命令。當(dāng)系統(tǒng)激活完畢后，它會把四條手臂的姿勢還原成原來的姿勢，以便讓它可以順利地進(jìn)行下一步的走路。多足移動機(jī)械臂的運(yùn)動控制部分，其運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)很大程度上取決于其運(yùn)動邏輯的編寫。在具體的程序設(shè)計(jì)中，僅需對相關(guān)的功能模塊進(jìn)行調(diào)用，即可完成該機(jī)器人的動作。采用STC15W4K32S4單片機(jī)，LX-16A執(zhí)行機(jī)構(gòu)，結(jié)合多足行走機(jī)構(gòu)的行走軌跡，開發(fā)了一種適合多足行走機(jī)構(gòu)的控制方案。為了保證所選擇的舵機(jī)串行通訊的波特率要求，將通訊波特率設(shè)置為115200bps。設(shè)置單芯片通訊的波特率為115200bps，設(shè)置1號串行通訊模式。圖4-4串口初始化程序設(shè)定串口發(fā)送程序，單片機(jī)讀取指令并根據(jù)串口發(fā)送中斷程序控制程序的發(fā)送和中斷。圖4-5串口發(fā)送中斷程序根據(jù)舵機(jī)的使用特點(diǎn)編寫控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動的程序，主函數(shù)中只需要設(shè)定舵機(jī)ID、轉(zhuǎn)動角度和時間直接調(diào)用程序即可。圖4-6舵機(jī)轉(zhuǎn)動程序根據(jù)對多足機(jī)器人直線前步態(tài)進(jìn)態(tài)規(guī)劃與算法邏輯，編寫多足機(jī)器人直線前進(jìn)控制程序圖4-7多足機(jī)器人直線前進(jìn)程序根據(jù)對多足機(jī)器人右轉(zhuǎn)步態(tài)規(guī)劃與算法邏輯，編寫多足機(jī)器人右轉(zhuǎn)控制程序圖4-8多足機(jī)器人右轉(zhuǎn)程序4.3本章小結(jié)在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于自主知識產(chǎn)權(quán)的類行為學(xué)方法，并對其進(jìn)行了研究。通過有目的地選取STC15W4K32S4MCU，加深了對MCU硬件的認(rèn)識，并通過對有關(guān)的編程語言的研究，實(shí)現(xiàn)了從一個簡單的問題到一個簡單的程序求解。為了保證控制系統(tǒng)的可靠性，通訊的穩(wěn)定是一個重要的要素。在硬件和軟件的設(shè)計(jì)階段，模塊化的方法被積極采用，這不僅有利于故障排查，同時也極大地提高了多足機(jī)器人在功能發(fā)展上的柔性，并對其進(jìn)行更深層次的控制研究。在編寫程序時，注重對各部件性能的綜合考慮，利用串行通訊界面給執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出命令，從而實(shí)現(xiàn)對機(jī)械臂的各項(xiàng)運(yùn)動的控制。該設(shè)計(jì)未能構(gòu)建實(shí)體多足機(jī)器人，因此其控制程序參數(shù)需在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)各種環(huán)境因素。

5步態(tài)規(guī)劃與仿真分析5.1引言多足機(jī)器人依賴各足之間的協(xié)同運(yùn)動來完成移動任務(wù)。在早期階段，由于受到硬件與軟件的限制，這些機(jī)器人通常只采用單一的移動方式，這使得它們的靈活性較低。然而，隨著科技進(jìn)步和對機(jī)器人移動行為研究的深化，其靈活性預(yù)計(jì)將得到顯著提升，從而迎來以足式機(jī)器人為核心的研究與成長的新紀(jì)元。為了提升足式機(jī)器人的靈活性和穩(wěn)定性，必須構(gòu)建優(yōu)秀的腿部結(jié)構(gòu)，并制定出色的步態(tài)規(guī)劃。在最近的時間里，大量的研究者對爬行生物進(jìn)行了廣泛的研究，提出了多種創(chuàng)新的步態(tài)設(shè)計(jì)。然而，時至今日，機(jī)器人的步態(tài)實(shí)現(xiàn)與真實(shí)生物的運(yùn)動能力之間依舊存在著一定的距離。通過對各類爬行生物扭擺前行的動作進(jìn)行深入研究，本研究項(xiàng)目構(gòu)建了模仿這些生物運(yùn)動的機(jī)器人機(jī)械框架。為了確保多足機(jī)器人能夠高效爬行，進(jìn)一步的步態(tài)策略設(shè)計(jì)是必不可少的，旨在對其運(yùn)動模式進(jìn)行精確調(diào)控。5.2步態(tài)規(guī)劃5.2.1步態(tài)的概念步態(tài)是指生物體在移動過程中的姿勢形態(tài)，對于爬行機(jī)器人而言，它是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)鍵因素。在執(zhí)行諸如前進(jìn)和轉(zhuǎn)向等預(yù)定動作時，是通過連續(xù)變換腿部支撐，來實(shí)現(xiàn)行走過程中的連續(xù)運(yùn)動。在行進(jìn)的途中，每當(dāng)一條腿作為支撐腿承托著身體并驅(qū)動另一條腿向前時，后者會依照身體的節(jié)奏向外擺出一定角度，而后又是一腳踩在了地面上，開始了下一步的支撐。在這個相繼變化的期間，有那么一小段時間，全部腿部起到了支持作用，即，在這個時刻，腿部受到了支持。在行進(jìn)的旅途上，每根肢體遵循特定的模式，在時間和空間的和諧統(tǒng)一中演繹著走路的姿勢。根據(jù)機(jī)器人步伐的循環(huán)特性，可將機(jī)器人的移動模式劃分為規(guī)律性步伐與非規(guī)律性步伐兩種類型。機(jī)器人的腿按照既定的規(guī)律和姿態(tài)周期進(jìn)行活動，這被稱為規(guī)則步態(tài)。不規(guī)則步態(tài)，指的是機(jī)器人的腿部運(yùn)動姿勢以及足部運(yùn)動的路徑具有不確定性。在行進(jìn)過程中，機(jī)器人會依據(jù)所處環(huán)境的差異，調(diào)整腿部擺動的順序和路徑，從而完成特定的功能。行走循環(huán)是指行走完成某一步步所需要的時間，它覆蓋了行走的每一條腿從抬起、搖擺到落下的全過程。當(dāng)一個完整的行走周期完成后，身體的重心相對于最初的位置改變，該改變的數(shù)值稱為步長5.2.2步態(tài)規(guī)劃目前，多足機(jī)器人的行走方式多是參考蜥蜴類、貓類、犬類等爬行類生物的行走方式。常見的步態(tài)包括對角線奔跑、跳躍以及定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)等。這些步態(tài)對于機(jī)器人的平穩(wěn)行走和爬行至關(guān)重要。在制定步態(tài)時，需要全面考慮以下個要素：（1）動作之間和諧流暢，腿部動作線路轉(zhuǎn)換無任何抵觸，保持出色的穩(wěn)定性。（2）足部受到的沖擊應(yīng)適度，保持身體與地面平行，且避免出現(xiàn)劇烈的顫動。（3）力求在改變角度和速度時做到漸進(jìn)平和，避免出現(xiàn)突兀的變化。為了使機(jī)身爬行運(yùn)動簡化，同時盡量提高爬行的穩(wěn)定性，結(jié)合本設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮采用具有交替對稱的特點(diǎn)的對角小跑步態(tài)作為本課題多足機(jī)器人的基本步態(tài)。同時考慮對角小跑步態(tài)不適應(yīng)多足機(jī)器人轉(zhuǎn)向的問題，本課題設(shè)計(jì)采用不規(guī)則步態(tài)輔助完成多足機(jī)器人的轉(zhuǎn)向運(yùn)動。（b）（c）1423ab152、3觸地，足1、4抬起同時舵機(jī)a、b轉(zhuǎn)動約15°，依次循環(huán)。（c）（b）（c）1423a/cb轉(zhuǎn)動一個角度，如圖(b)231/4a/c15b轉(zhuǎn)動一個角度，如圖(c).5.3仿真分析仿真是利用人機(jī)交互的圖形處理和運(yùn)動學(xué)原理，研究機(jī)械臂的3D建?；驇缀谓?，建立相應(yīng)的約束條件，揭示機(jī)械臂在運(yùn)動中的動力學(xué)狀態(tài)。通過對多足機(jī)器人進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，可以很容易地將產(chǎn)品從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)建模到產(chǎn)品的實(shí)際加工過程中進(jìn)行，以此來檢驗(yàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是否合理，并可以減少產(chǎn)品的誤差和重復(fù)勞動。在此之前，外國學(xué)者已經(jīng)認(rèn)識到了對機(jī)器人進(jìn)行仿真研究的意義，從上個世紀(jì)50年代開始，人們就開始了對機(jī)器人的仿真研究。本研究利用動態(tài)模擬軟件Adams，對一個精密的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬檢驗(yàn)。Adams是一款專業(yè)級的虛擬樣機(jī)與動態(tài)模擬工具，它使得用戶能夠?qū)Ω黝悪C(jī)械系統(tǒng)在真實(shí)操作條件下的表現(xiàn)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。通過該軟件，用戶可以觀察和分析系統(tǒng)在三維空間中的運(yùn)動軌跡以及對應(yīng)的力學(xué)響應(yīng)。此工具強(qiáng)化了研究團(tuán)隊(duì)對設(shè)計(jì)方案的評估速度，同時，它也為自動化機(jī)器人的運(yùn)動策略制定與精準(zhǔn)在這方面，我們提出了一個新穎的研究思路。在此基礎(chǔ)上，對該系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)，并對其進(jìn)行了優(yōu)化，以保證其達(dá)到了預(yù)期的效果。在程序接口中，利用該規(guī)則庫，可以很容易地實(shí)現(xiàn)對移動構(gòu)件和剛性固定構(gòu)件的約束。另外，人機(jī)交互的人機(jī)交互接口可以清楚的顯示新加入的運(yùn)動副、力矩、坐標(biāo)等參量，幫助建立并調(diào)節(jié)各運(yùn)動之間的聯(lián)系。該軟件可以將圖像中的運(yùn)動單位轉(zhuǎn)換成運(yùn)動學(xué)方程，并以交互式的人機(jī)交互方式展示模擬效果。通過對機(jī)構(gòu)的動力學(xué)行為進(jìn)行分析，將其運(yùn)動方程求解到動力學(xué)模擬階段，即可得到各個零件在不同運(yùn)動狀態(tài)下的各項(xiàng)參數(shù)變化規(guī)律。通過對機(jī)器的動力學(xué)特性進(jìn)行模擬，可以準(zhǔn)確地監(jiān)控各部件的位移、速度和力矩等隨時間的演變過程。通過該機(jī)構(gòu)的模擬動畫及相關(guān)的參量關(guān)系圖，可以從各構(gòu)件之間的相互影響、各部分的運(yùn)動學(xué)邊界等角度來評價該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案與預(yù)定的目的是否一致。5.3.1仿真步驟基于Adams平臺，利用Adams等有限元程序，通過對其進(jìn)行有限元建模，實(shí)現(xiàn)只對核心構(gòu)件的有限元計(jì)算。建立仿多足行走機(jī)器人時，有關(guān)參數(shù)需作理論上的設(shè)定。（1）假設(shè)多足機(jī)器人各運(yùn)動部件均為剛體，并鎖定無相對位置變化的構(gòu)件；（2）根據(jù)多足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動特征，在各關(guān)節(jié)處創(chuàng)建轉(zhuǎn)動副和驅(qū)動力矩；（3）在仿真環(huán)境中創(chuàng)建虛擬地面，在足端和地面之間添加實(shí)體接觸。在solidworks中首先構(gòu)建三維模型，隨后修改文件格式以適應(yīng)仿真程序的導(dǎo)入需求。接著，在仿真軟件內(nèi)配置環(huán)境參數(shù)、運(yùn)動關(guān)節(jié)以及扭矩等關(guān)鍵指標(biāo)，啟動仿真流程。通過此流程對一種多足機(jī)器人的構(gòu)造進(jìn)行深入分析?；诜治鼋Y(jié)果，對機(jī)械構(gòu)造中存在的缺陷進(jìn)行必要的修訂與優(yōu)化。最終，得出準(zhǔn)確的仿真成果或相關(guān)數(shù)據(jù)。5.3.2仿真及結(jié)果分析對所設(shè)計(jì)的具有四條腿的類行為爬行機(jī)器人的模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理后，接入Adams軟件平臺，并把其三維模型引入其中?？紤]到機(jī)器人機(jī)構(gòu)中有一些與運(yùn)動無關(guān)的部件，因此，我們對其結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了簡化，如附圖5-3所展示的那樣。接著，我們對導(dǎo)入的模型進(jìn)行了單位設(shè)置和環(huán)境配置，其中重力加速度g被設(shè)定為9.80665m/s2，其方向朝向z軸正向。此外，我們還為該三維模型指定了鋁合金作為其材料，并將其材料屬性指定為aluminum。圖5-3仿真模型導(dǎo)入Adams圖5-4添加運(yùn)動副和力矩如圖5-4所示，對多足機(jī)器人各個旋轉(zhuǎn)接頭施加相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)副限制，同時在無相對活動的部件上施加固定限制。依據(jù)多足機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃策略，為機(jī)器人的運(yùn)動接頭設(shè)定相應(yīng)的力矩和旋轉(zhuǎn)角度，以模擬舵機(jī)的輸出和仿真時間等相關(guān)的運(yùn)動參數(shù)。在完成參數(shù)設(shè)置后，點(diǎn)擊仿真按鈕，即可對機(jī)器人進(jìn)行虛擬仿真。?直線爬行運(yùn)動仿真及分析（a）（b） （c） （d）（b）（c）圖5-5機(jī)器人直線仿真步態(tài)圖如圖5-5呈現(xiàn)，在ADAMS仿真環(huán)境中，多足機(jī)器人以對角直線爬行步態(tài)存在于不同時間點(diǎn)的姿態(tài)。起初，機(jī)器人的所有足部均與地面接觸。依據(jù)直線對角小跑步態(tài)規(guī)劃（具體步態(tài)設(shè)計(jì)見5.2.2節(jié)），機(jī)器人完成了直線運(yùn)動的仿真。（a） （b）（c） （d）（e） （f）圖5-6多足機(jī)器人直線仿真關(guān)節(jié)角度變化通過觀察圖5-6呈現(xiàn)的多足機(jī)器人直線爬行過程中，仿真關(guān)節(jié)角度隨時間演變的曲線，可以明顯觀察到關(guān)節(jié)角度的波動呈現(xiàn)出周期性的特征。每個關(guān)節(jié)角度的變化波動范圍維持在15°左右，且波動的周期大約持續(xù)2.5秒。經(jīng)過對曲線的詳細(xì)分析，可以明確地得出結(jié)論：多足機(jī)器人關(guān)節(jié)角度的周期性變化與步態(tài)設(shè)計(jì)方案高度契合，這進(jìn)一步證明了步態(tài)規(guī)劃的科學(xué)性和有效性。機(jī)器人的動態(tài)主要依賴伺服電機(jī)在各個關(guān)節(jié)部位的協(xié)作，以實(shí)現(xiàn)其腿部的動作。在移動過程中，機(jī)器人會遇到阻礙，這就要求安裝在關(guān)節(jié)上的伺服電機(jī)必須對抗這種阻力，執(zhí)行正向的動力輸出，產(chǎn)生必要的扭矩來推動機(jī)器人的腳步執(zhí)行各種動作。利用ADAMS這樣的虛擬仿真平臺，可以在仿真測試中較為精確地計(jì)算出驅(qū)動各個關(guān)節(jié)所需的扭矩。（a） （b）（c） （d）（e） （f）圖5-7多足機(jī)器人直線仿真關(guān)節(jié)受力在圖5-7里，展示了在模擬過程中機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)所受的驅(qū)動力矩的走勢。去除了一些突兀的異常數(shù)據(jù)點(diǎn)后，可以觀察到機(jī)器人進(jìn)行抬腿動作的關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩值介于0至0.1牛頓·米之間，而進(jìn)行轉(zhuǎn)向動作的關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩值則介于0至1牛頓·米之間。這一觀察結(jié)果反映了為了克服地面的摩擦力以及推動機(jī)身前行，轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)所需的驅(qū)動力矩相較于抬腿關(guān)節(jié)有更寬的分布范圍。?進(jìn)行運(yùn)動模擬與評估，選用向右轉(zhuǎn)向作為具體實(shí)例。?轉(zhuǎn)向運(yùn)動仿真及分析（以右轉(zhuǎn)為例）（a）（b） （c） （d）圖5-8機(jī)器人轉(zhuǎn)向步態(tài)圖如圖5-8呈現(xiàn)，在ADAMS仿真環(huán)境中，多足機(jī)器人進(jìn)行右轉(zhuǎn)爬行，其位姿在各個不同時間點(diǎn)有所不同。開始時，機(jī)器人的多足均與地面接觸。基于設(shè)計(jì)的多足機(jī)器人轉(zhuǎn)向不規(guī)則步態(tài)規(guī)劃（具體步態(tài)設(shè)計(jì)見5.2.2節(jié)），實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在轉(zhuǎn)向運(yùn)動中的仿真。（a） （b）（c） （d）（e） （f）（g）圖5-9多足機(jī)器人右轉(zhuǎn)仿真關(guān)節(jié)角度變化觀察圖5-9所展示的多足機(jī)器人轉(zhuǎn)換至爬行模式時，其仿真關(guān)節(jié)角度隨時間演變的軌跡，可以明確地識別出抬腿關(guān)節(jié)以及前后腿的髖關(guān)節(jié)角度均呈現(xiàn)出周期性的波動。這些角度的變化波動其峰值穩(wěn)定在15°，且整個波動周期大約持續(xù)2.5秒。特別地，在6秒的時刻，中間關(guān)節(jié)的角度歸零，這標(biāo)志著機(jī)器人轉(zhuǎn)向過程的結(jié)束，隨后機(jī)器人便切換至直線行進(jìn)模式，此時中間關(guān)節(jié)不再參與動作。分析曲線顯示，多足機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動與其步態(tài)設(shè)計(jì)緊密匹配，證明了其轉(zhuǎn)向步態(tài)策略的有效性。（a） （b）（c） （d）（e） （f）（g）圖5-10多足機(jī)器人右轉(zhuǎn)仿真關(guān)節(jié)受力圖5-10展示了在機(jī)器人轉(zhuǎn)向仿真過程中，其各個關(guān)節(jié)的驅(qū)動力矩的變化曲線。在此場景中，機(jī)器人受到了各種力的作用。在爬行轉(zhuǎn)型過程中，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出非均衡狀態(tài)，這導(dǎo)致不同關(guān)節(jié)的輸出力矩出現(xiàn)差異。去除一些異常的突變數(shù)據(jù)點(diǎn)后，可以觀察到抬腿關(guān)節(jié)的驅(qū)動力矩分布在0至0.1牛頓·米之間，而轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)的驅(qū)動力矩分布在0至1牛頓·米之間。機(jī)身關(guān)節(jié)所使用的舵機(jī)主要功能是操縱機(jī)身進(jìn)行扭轉(zhuǎn)動作，以保障整體操作的靈活性，因此在曲線圖中這些舵機(jī)產(chǎn)生的力矩相對較小。5.4本章小結(jié)設(shè)計(jì)合理的機(jī)構(gòu)和準(zhǔn)確的行走方式是保證運(yùn)動平穩(wěn)運(yùn)行的前提。在此部分中，我們將討論多足行走機(jī)器人的構(gòu)造特征，并對其行走方式做進(jìn)一步的分析，尤其是對角線運(yùn)動方式?；谶@個，再通過在此基礎(chǔ)上，通過在多足行走機(jī)構(gòu)中加入虛擬的約束條件及力矩，實(shí)現(xiàn)了多足行走機(jī)構(gòu)在一個虛擬的空間中的運(yùn)動及行走過程的仿真，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的合理和運(yùn)動控制的正確性。由模擬結(jié)果可知，各關(guān)節(jié)的扭矩范圍為0~1N.m，其最大扭矩遠(yuǎn)小于本項(xiàng)目所選擇的方向。也就是說，選擇的方向是滿足規(guī)格要求的，而且可以承載一些附加的載荷。所以，該系統(tǒng)能夠在一般情況下完成對機(jī)械臂的負(fù)載要求。

6總結(jié)在深入探討了國際與國內(nèi)在已取得多足行走機(jī)器人機(jī)理研究成果的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目以解決現(xiàn)有多足行走機(jī)器人在力學(xué)構(gòu)造上存在的復(fù)雜、柔性不足和難以實(shí)現(xiàn)精確操控等問題為目標(biāo)，開展基于類行為學(xué)的多足行走機(jī)器人的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)避免了傳統(tǒng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)模式，而是選擇了類似平面桿件并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)造。結(jié)果表明，這種新型的多足機(jī)器人不僅具備高靈活性，而且結(jié)構(gòu)更為簡潔，非常適合執(zhí)行如復(fù)雜地形物料搬運(yùn)、情報偵察、外太空探索等多重任務(wù)。融合多足機(jī)械設(shè)計(jì)的規(guī)范與學(xué)術(shù)理論，本研究展開以下探索領(lǐng)域：依據(jù)多足生物的常見解剖特征，本研究模仿這些生物的移動方式，創(chuàng)建了一種多足機(jī)器人。該機(jī)器人的機(jī)械構(gòu)造并非純粹的生物類行為學(xué)復(fù)制，而是基于對生物結(jié)構(gòu)的精細(xì)觀察，對機(jī)器人的腿部關(guān)節(jié)進(jìn)行了改良。設(shè)計(jì)中，每一個腿部髖關(guān)節(jié)取代了常規(guī)多足機(jī)器人中需要兩個驅(qū)動器的功能，使得兩條腿能夠靈活轉(zhuǎn)動。這種新穎的結(jié)構(gòu)可以大大降低執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)目。通過對機(jī)體進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟季?，可以方便地布置多足機(jī)械臂的硬件線路，并方便其它各模塊的負(fù)載。利用位姿矩陣方法，建立了多足機(jī)械臂的運(yùn)動學(xué)模型，并對其進(jìn)行了分析。通過對多足機(jī)器人關(guān)鍵關(guān)節(jié)的動態(tài)研究，本研究詳盡地解析了其關(guān)節(jié)的相對位置等關(guān)鍵參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用運(yùn)動學(xué)原理對機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動特性進(jìn)行了深入探討，構(gòu)建了精確的關(guān)節(jié)位姿矩陣模型。通過將具體的關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)輸入該模型，可以有效地計(jì)算出各個關(guān)節(jié)在運(yùn)動過程中的具體位姿。在規(guī)劃多足機(jī)器人的步態(tài)時，依據(jù)其特定的機(jī)械構(gòu)造，最初設(shè)定了平行步態(tài)和對角步態(tài)兩種前進(jìn)方式。然而，經(jīng)過詳盡的分析，發(fā)現(xiàn)平行步態(tài)可能會引發(fā)機(jī)器人的側(cè)翻，因此決定放棄這種步態(tài)，換成了斜行的步態(tài)。在轉(zhuǎn)彎方面，采用了一種不規(guī)則的行走方式，以滿足各種行駛要求。在此基礎(chǔ)上，利用運(yùn)動模擬程序Adams對該多足行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行了模擬與優(yōu)選，驗(yàn)證了該機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)及行走方式的正確性?？刂贫嘧闩佬袡C(jī)器人的核心在于驅(qū)動舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)，這涉及到對LX-16A型舵機(jī)的串行控制特性進(jìn)行分析，并據(jù)此選擇了適當(dāng)?shù)奈⒖刂破髋c對應(yīng)的控制策略。針對控制計(jì)劃的實(shí)施，精心挑選了適宜的設(shè)備和能源，并構(gòu)建了一個基礎(chǔ)的硬件回路。借助多足機(jī)器人行走機(jī)制，設(shè)計(jì)運(yùn)動規(guī)劃算法，進(jìn)而編寫控制程序。編寫過程中，硬件與軟件均遵循模塊化設(shè)計(jì)，便于拓展多足機(jī)器人的研究范圍。足式機(jī)器人作為機(jī)器人技術(shù)研究的一個焦點(diǎn)，始終吸引著眾多研究者的目光。研究者們通過創(chuàng)新各種不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)，致力于開發(fā)出更加優(yōu)秀的足式機(jī)器人。這種新型的機(jī)械臂在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了優(yōu)化，使其具有較高的柔性和對各種不同的環(huán)境的適應(yīng)性。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于多足行走機(jī)構(gòu)的新型多足行走機(jī)構(gòu)，并對其進(jìn)行了深入的研究。改進(jìn)后的腳型結(jié)構(gòu)，使其具有更多的行走方式，并可安裝其它的模塊來擴(kuò)充其功能。比如，安裝了攝像機(jī)，就可以用來檢測環(huán)境；如果再加上一個磁性的吸盤，就可以讓使用者上下運(yùn)動了。

致謝時光匆匆，白駒過隙，四年的大學(xué)生活即將落下帷幕。站在畢業(yè)的門檻上，回首這段充滿挑戰(zhàn)與成長的歷程，我不禁感慨萬分。在這段寶貴的時光里，我認(rèn)識了很多好朋友，他們一直陪伴著我，鼓勵著我，幫助著我。光陰似箭，我的大學(xué)生活已經(jīng)接近尾聲，我不禁感嘆，歲月過得真快，真舍不得放棄這美好的大學(xué)生活?；仡欉@些年的生活，真的很寶貴，也很難忘記，這些都是我一生中最重要的記憶，也是我今后生活的基石。很感激這些年來在我生活中給予我?guī)椭娜伺c物，謝謝他們一直以來的相伴與支持。首先，我要感激母校給我們營造了一個很好的學(xué)習(xí)氣氛，經(jīng)過這些年的大學(xué)生活，我們已經(jīng)由懵懂的孩子變成了有獨(dú)立思考能力的人類，我們的思維發(fā)生了變化，我們的