IV美國(guó)卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)開發(fā)出有纜的八足步行機(jī)器人DANTE，用于對(duì)南極的埃里伯斯火山進(jìn)行了考察，其改進(jìn)型DANTE-II（圖1.1）也在實(shí)際中得到了應(yīng)用REF_Ref24033\r\h[6],如圖1所示。在1994年，DANTE-II項(xiàng)目對(duì)位于安克雷145公里處的斯伯火山進(jìn)行了研究任務(wù)，成功返回了豐富的數(shù)據(jù)和圖像資料。研究人員KeisukeArikawn等開發(fā)了TITAN-VII型號(hào)的四足機(jī)器人，該機(jī)器人具備在不平坦地面上穩(wěn)定行走的能力，能夠通過非接觸方式規(guī)避地面障礙，實(shí)現(xiàn)多方向移動(dòng)，并且其腿部自由度可被應(yīng)用于執(zhí)行任務(wù)。TITAN系列機(jī)器人最新型號(hào)是TITAN-VIII型四足機(jī)器人（圖1.2），相比于前幾種型號(hào)，增加了動(dòng)態(tài)擺動(dòng)補(bǔ)償算法，所以它具有更好的動(dòng)態(tài)平衡能力。其設(shè)計(jì)參數(shù)有所調(diào)整，重心更低，整機(jī)重40Kg，腿長(zhǎng)僅為40CM，地形適應(yīng)能力更好。另外該機(jī)器人還可作為通用研究平臺(tái)，在高校和科研院所得到廣泛應(yīng)用。山東大學(xué)研發(fā)出仿生四足機(jī)器人（圖1.6)，該機(jī)器人采用線性液壓伺服缸提供動(dòng)力，極限速度可達(dá)6.18km/h。其關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度重量比的鋁合金機(jī)械結(jié)構(gòu)組合而成，每條腿有3個(gè)主動(dòng)自由度。其體長(zhǎng)為1m、寬為0.4m，初始站立高度為0.68m，去除液壓動(dòng)力源重65kg。在運(yùn)動(dòng)時(shí)，線性液壓伺服驅(qū)動(dòng)器給四足機(jī)器人提供足夠的動(dòng)力，可以充分保障其在高負(fù)荷條件下行進(jìn)。“BIGDOG”被稱為“當(dāng)前世界上最先進(jìn)適應(yīng)崎嶇地形的機(jī)器人”。但該機(jī)器人研發(fā)費(fèi)用高，約3000萬美元，而且其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、噪聲大，制造和維護(hù)成本高，無法滿足實(shí)地使用的需求，因此一直處于實(shí)驗(yàn)室研究階段REF_Ref24092\r\h[7]。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局委托波士頓動(dòng)力工程公司研制的機(jī)器人“獵豹”，如圖1.4所示。該四足機(jī)器人以獵豹后肢肌肉骨骼為仿生原型，腿部采用腿骨協(xié)同結(jié)構(gòu)，可有效降低腿部轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，有利于減少電機(jī)轉(zhuǎn)矩，但這種腿部機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)與地面產(chǎn)生較大沖擊力REF_Ref24409\r\h[8]REF_Ref24399\r\h[9]。圖1.1DANTE-II圖1.2TITAN-VIII型四足機(jī)器人圖1.3BIGDOG圖1.4四足機(jī)器人“獵豹”與國(guó)外相比較國(guó)內(nèi)研究步行機(jī)器人較晚，但經(jīng)過科研工作者不懈努力，取得了巨大的進(jìn)步。新型八足步行仿生機(jī)器人（圖1.5）與傳統(tǒng)相比不僅具有質(zhì)量輕盈、成本低的特點(diǎn)，還具有控制簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)靈活、爬坡能力良好、轉(zhuǎn)彎半徑小等特點(diǎn)REF_Ref24582\r\h[10]REF_Ref24592\r\h[11]。把可重構(gòu)機(jī)器人和仿生多足機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)融合起來的仿生甲蟲可重構(gòu)機(jī)器人的研究對(duì)在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境或未知環(huán)境中執(zhí)行特殊任務(wù)如空間及海底探索、軍事偵察、核電站檢修、災(zāi)難救援等具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義REF_Ref24693\r\h[12]。山東大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)成功研制了一款具備生物啟發(fā)式的四足機(jī)器人（圖1.6)。該機(jī)器人利用線性液壓伺服缸為其提供驅(qū)動(dòng)力，其最大速度可達(dá)到6.18公里/小時(shí)。機(jī)器人的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)是由高強(qiáng)度與輕質(zhì)化的鋁合金材料構(gòu)成的機(jī)械組件，且每個(gè)肢體擁有三個(gè)獨(dú)立的主動(dòng)活動(dòng)自由度。該機(jī)器人的整體長(zhǎng)度為1米，寬度為0.4米，起始站立高度為0.68米，且不包含液壓動(dòng)力源的總重量為65公斤。在移動(dòng)過程中，線性液壓伺服驅(qū)動(dòng)單元為四足機(jī)器人提供了必要的動(dòng)力，確保了機(jī)器人在承受重載情況下依然可以穩(wěn)定前行。2013年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制出能夠?qū)崿F(xiàn)腿式、輪式、和混合式三種運(yùn)動(dòng)模式的機(jī)器人HyTRo-I（圖1.7)，該機(jī)器人不僅擁有輪式機(jī)構(gòu)的快速移動(dòng)性，還具備腿式機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)靈活性REF_Ref24481\r\h[13]。圖1.5新型八足步行仿生機(jī)器人圖1.6仿生四足機(jī)器人圖1.7HyTRo-I1.3本文主要研究?jī)?nèi)容在新的市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，在工業(yè)中乃至其他更加巨大的行業(yè)都有許許多多的變化，正因?yàn)槿绱藱C(jī)器人在近幾年得到了空前絕后的發(fā)展，此次我通過設(shè)計(jì)完成了切比雪夫連桿步行機(jī)構(gòu)的建模然而真正我需要去操作以及計(jì)算的是對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性的分析，這個(gè)是當(dāng)前論文中的主要環(huán)節(jié)，也需要通過此次的設(shè)計(jì)能夠了解各個(gè)連接桿在運(yùn)動(dòng)是提供的作用。具體研究?jī)?nèi)容概括如下：（1）學(xué)習(xí)了解傳統(tǒng)切比雪夫步行機(jī)構(gòu)的基本知識(shí)后，通過用球副和圓柱副替代原機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)副的方式，對(duì)只能進(jìn)行直線行走的傳統(tǒng)切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)開展構(gòu)型演化設(shè)計(jì)；（2）構(gòu)建基于RHRSR空間5桿的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，對(duì)可轉(zhuǎn)向連桿步行機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)建模，采用CREO/ADAMS作為工具，通過機(jī)械系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)，利用CREO建立基于切比雪夫連桿的可轉(zhuǎn)向步行機(jī)構(gòu)的三維模型；（3）在建立切比雪夫機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用matlab編程開展足端軌跡分析，提出一組桿長(zhǎng)參數(shù)；（4）利用ADAMS建立虛擬樣機(jī)模型，對(duì)其行走過程進(jìn)行模擬，分析運(yùn)動(dòng)特性。

第二章足端軌跡分析連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡在特定情況下具有對(duì)稱性，如圖2.1所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)桿長(zhǎng)滿足BC=CD=CE時(shí)，其連桿上E點(diǎn)所生成的連桿曲線即為對(duì)稱曲線，該曲線的對(duì)稱軸垂直于機(jī)架AD。該機(jī)構(gòu)也被稱為切比雪夫連桿機(jī)構(gòu)，通過設(shè)置合理的桿長(zhǎng)參數(shù)，可以用于步行機(jī)器人的腿部結(jié)構(gòu)。因此采用切比雪夫連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)需要的切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)REF_Ref23922\r\h[14]REF_Ref23929\r\h[15]。圖2.1切比雪夫連桿機(jī)構(gòu)2.1平面運(yùn)動(dòng)足端軌跡建模為了對(duì)步行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，先建立直角坐標(biāo)系，如圖2.2。圖2.2步行機(jī)構(gòu)直角坐標(biāo)系2.1.1位置分析結(jié)合圖2.3，可由封閉圖形ABCDA寫出步行機(jī)構(gòu)各桿矢所構(gòu)成的封閉矢量方程（2-1）其中：表示，表示，表示，表示。由式（1）向x軸y軸投影，得（2-2）其中，表示∠BAD，表示直線BC與水平面的夾角，表示∠XDC。由于式（2-2）是一個(gè)非線性方程組，直接求解比較困難，在這里借助幾何方法進(jìn)行求解，在圖中連接BD，由此得（2-3）（2-4）（2-5）（2-6）其中，表示，表示。2.1.2速度分析將式（2-1）對(duì)時(shí)間求一次導(dǎo)數(shù)并向x軸y軸投影，得得速度關(guān)系（2-7）其中，表示構(gòu)件AB的角速度，表示構(gòu)件BC的角速度，表示構(gòu)件CD的角速度。若用矩陣形式表示，則式（2-7）可寫為（2-8）解式（2-8）即可求得兩個(gè)角速度、。2.1.3加速度分析將式（2-1）對(duì)時(shí)間求二次導(dǎo)數(shù)，可得加速度關(guān)系表達(dá)形式（2-9）其中，表示構(gòu)件AB的角加速度，表示構(gòu)件BC的角加速度，表示構(gòu)件CD的角加速度。解式（2-9）即可求得兩個(gè)角加速度、。2.1.4運(yùn)動(dòng)軌跡利用MATLAB編程，可以得到不同桿長(zhǎng)參數(shù)下足端的運(yùn)動(dòng)軌跡?，F(xiàn)選取具有代表性地三組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖2.4（a）~（c）所示，是以曲柄lAB=10，機(jī)架lAD分別為15，20，25時(shí)，不同連桿lBC長(zhǎng)度時(shí)，得到的足端軌跡曲線。需要說明的是：這里為了方便觀察，將不同桿長(zhǎng)參數(shù)產(chǎn)生的軌跡放在一張圖內(nèi)，并對(duì)軌跡位置進(jìn)行了偏移以避免重疊，軌跡所處的空間位置不具有實(shí)際意義。在軌跡選擇過程中，需要充分考慮仿生步行的步距、抬腿高度和運(yùn)行平順性。其中：步距影響行走效率，步距長(zhǎng)，行走快，但穩(wěn)定性弱；抬腿高度小不利于越障，抬腿高度高，影響行走效率；地面接觸段應(yīng)當(dāng)盡可能平順，保持對(duì)地面的有效支撐，以提升行走穩(wěn)定性。綜上，通過觀察圖圖2.4（a）~（c），在lAB=10，lAD=25時(shí)，lBC在22~26之間時(shí)，軌跡將具有更加有利于行走的形態(tài)。因此，以lAB=10，lAD=25，lBC=25作為桿長(zhǎng)參數(shù)。（a）機(jī)架lAD=15時(shí)，不同連桿lBC產(chǎn)生的軌跡（b）機(jī)架lAD=20時(shí)，不同連桿lBC產(chǎn)生的軌跡（c）機(jī)架lAD=25時(shí)，不同連桿lBC產(chǎn)生的軌跡圖2.4不同桿長(zhǎng)參數(shù)時(shí)的足端軌跡以lAB=10×4=40，lAD=25×4=100，lBC=25×4=100作為桿長(zhǎng)參數(shù)，得到的足端運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2.5所示。當(dāng)滿足該桿長(zhǎng)參數(shù)之間比例關(guān)系時(shí)，將得到相同的足端軌跡形狀REF_Ref5923\r\h[16]REF_Ref5926\r\h[17]REF_Ref5515\r\h[18]。圖2.5足端軌跡圖其中各部分桿長(zhǎng)具體數(shù)據(jù)如表2.1。表2.1切比雪夫連桿步行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)比例比例我所設(shè)計(jì)的長(zhǎng)度原動(dòng)節(jié)AB140mm長(zhǎng)靜止節(jié)AD2.5100mm長(zhǎng)從動(dòng)節(jié)CD2.5100mm長(zhǎng)中間節(jié)BC2.5100mm長(zhǎng)延長(zhǎng)中間節(jié)CE2.5100mm長(zhǎng)2.2空間運(yùn)動(dòng)足端軌跡建模根據(jù)前文的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與軌跡分析分析，傳統(tǒng)的切比雪夫連桿機(jī)構(gòu)用于仿生步行具有可行性，但平面機(jī)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向行走，成為限制切比雪夫連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)用的關(guān)鍵。對(duì)此，本文開展了可轉(zhuǎn)向切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的思路是利用自由度高的運(yùn)動(dòng)副代替原有自由度低的運(yùn)動(dòng)副，將原平面機(jī)構(gòu)演化為如圖2.6所示的空間機(jī)構(gòu)。圖2.6可轉(zhuǎn)向切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計(jì)原理圖結(jié)合圖2.6得出如下的演化過程：1、將原曲柄lAB與連桿lBE鉸接點(diǎn)B的旋轉(zhuǎn)副演化為球副；2、將原機(jī)架lAD與搖桿lDC鉸接點(diǎn)D的旋轉(zhuǎn)副演化為圓柱副；3、將原機(jī)架lAD在中點(diǎn)處斷開為機(jī)架AB和轉(zhuǎn)向搖桿BC，在B點(diǎn)由一個(gè)旋轉(zhuǎn)副連接。根據(jù)式（2-10）所示的Grübler公式，計(jì)算構(gòu)型演化后的RHRSR空間5桿機(jī)構(gòu)自由度為2REF_Ref6468\r\h[19]。（2-10）其中：m為剛體自由度數(shù)目，空間機(jī)構(gòu)取6；N為構(gòu)件數(shù)，取5；J為關(guān)節(jié)數(shù)，取5；fi為第i個(gè)關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的自由度數(shù)目；f1為關(guān)節(jié)A，取1；f2為關(guān)節(jié)B，取1；f3為關(guān)節(jié)D，取2；f4為關(guān)節(jié)E，取1；f5為關(guān)節(jié)F，取3。與平面切比雪夫連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模方法類似，利用空間矢量法進(jìn)行RHRSR空間5桿機(jī)構(gòu)建模，能夠快速有效地得到足端軌跡與桿長(zhǎng)之間的關(guān)系。根據(jù)圖2.2，構(gòu)建如式（2-11）所示的封閉矢量方程。在建立方程的過程中，作如下說明：空間坐標(biāo)系的原點(diǎn)固定于A點(diǎn)，AB桿為機(jī)架固定；用l1，l2，l3，l4，l0，l5，l6分別表示矢量，，，，，，的長(zhǎng)度；轉(zhuǎn)向搖桿BC與x軸夾角為θ2，桿DC與BC垂直，都位于A-xy平面內(nèi)；桿AG與x軸夾角為θ0，位于A-xz平面內(nèi)，桿GF與桿AG垂直且垂直于A-xz平面并與y軸平行；桿DE與桿FE的夾角為Ψ，與桿DC垂直；桿FE與x，y，z軸的夾角分別為α，β，γ，其在A-xy平面內(nèi)的投影和桿BC平行。（2-11）將式（2-11）等式兩邊分別向x軸，y軸和z軸投影得到如式（2-12）所示的RHRSR空間5桿機(jī)構(gòu)位置分析方程組。由于RHRSR空間5桿機(jī)構(gòu)為2自由度空間機(jī)構(gòu)，只要確定α，β，γ與自變量θ0，θ2的代數(shù)關(guān)系，即可求解足端軌跡。（2-12）其中：（2-13）聯(lián)立式（2-12），式（2-13）得到足端H點(diǎn)軌跡表達(dá)式。按照桿BCθ2從0~20°變化，每變化1°，繪制θ0旋轉(zhuǎn)1周得到的足端H軌跡如圖2.7所示。圖2.7足端軌跡圖2.3本章小結(jié)本章對(duì)可轉(zhuǎn)向切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了平面運(yùn)動(dòng)足端軌跡建模和空間運(yùn)動(dòng)足端軌跡建模，并在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用matlab編程開展足端軌跡分析，提出一組桿長(zhǎng)參數(shù)，為后續(xù)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。第三章機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)在上一章節(jié)提出的可轉(zhuǎn)向切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)一組桿長(zhǎng)參數(shù)的基礎(chǔ)上，本章對(duì)可轉(zhuǎn)向切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)的行走過程進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)方式和柔性足部，并進(jìn)行壓桿穩(wěn)定分析，建立機(jī)械系統(tǒng)三維模型。3.1步行過程分析3.1.1機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理前搖桿、前支撐腿、主動(dòng)曲柄、錐齒輪軸、前彈性支撐腿、中前搖桿、中后搖桿、從動(dòng)曲柄、旋轉(zhuǎn)軸、后彈性支撐腿、后支撐腿、后搖桿、機(jī)架共同組成基于切比雪夫四桿的行走機(jī)構(gòu)，位于機(jī)架的左右兩側(cè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的穩(wěn)定跨步行走。其中主動(dòng)曲柄設(shè)置于機(jī)架底盤前半部分，從動(dòng)曲柄設(shè)置于機(jī)架底盤后半部分，前者通過錐齒輪軸與機(jī)架相連，后者通過旋轉(zhuǎn)軸與機(jī)架相連。每根曲柄的自由端分別通過鉸接連接一根支撐腿，再通過鉸接的方式連接前彈性支撐腿和后彈性支撐腿。而兩根彈性支撐腿的末端相鉸接形成六足中的中間足。每根彈性支撐腿的中間部分均鉸接有一根搖桿，搖桿的另一端與機(jī)架的側(cè)面相鉸接。行走電機(jī)為機(jī)器人提供運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力，安裝在電機(jī)支架上，再通過螺栓連接固定在行走電機(jī)支架安裝孔中，位于機(jī)架下方。行走系統(tǒng)采用切比雪夫十桿機(jī)構(gòu)，時(shí)刻保持三點(diǎn)支撐，增強(qiáng)機(jī)器人的跨步行進(jìn)的穩(wěn)定性。3.1.2步行過程分析機(jī)架下安裝行走電機(jī)，驅(qū)動(dòng)跨步行走系統(tǒng)。當(dāng)需要跨步行走時(shí)，驅(qū)動(dòng)行走電機(jī)，通過錐齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸以及位于車架左右兩側(cè)的主動(dòng)曲柄整周旋轉(zhuǎn)，從動(dòng)曲柄也隨之整周旋轉(zhuǎn)，而前、后轉(zhuǎn)向支撐腿以及彈性支撐腿來回?cái)[動(dòng)。圖3.1結(jié)構(gòu)圖（1—轉(zhuǎn)向支撐腿；2—轉(zhuǎn)向搖桿；3—圓柱副銷軸；4—軸承座；5—轉(zhuǎn)向搖臂連桿；6—轉(zhuǎn)向搖臂；7—曲柄；8—彈性足部；9—中間搖桿；10—中間支撐腿；11—球關(guān)節(jié)；12—機(jī)架）根據(jù)切比雪夫四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)行原理可知，每個(gè)彈性支撐腿末端的運(yùn)動(dòng)軌跡類似一個(gè)扇形，使得足端運(yùn)行軌跡具有支撐、抬腿和放腿的動(dòng)作過程。當(dāng)主動(dòng)曲柄與機(jī)架平齊時(shí)，前、后轉(zhuǎn)向支撐腿末端均位于最低位置落地，前、后彈性支撐腿形成的中間支撐腿的末端位于最高位置懸空。車身右側(cè)十桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與左側(cè)相反，前、后轉(zhuǎn)向支撐腿末端位于最高位置懸空，中間彈性支撐腿位于最低位置落地，進(jìn)而左右兩側(cè)實(shí)現(xiàn)三點(diǎn)落地支撐，三點(diǎn)懸空擺動(dòng)。隨著行走電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，彼此交替地?cái)[動(dòng)和支撐，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的穩(wěn)定跨步行進(jìn)REF_Ref5988\r\h[20]REF_Ref5991\r\h[21]。圖3.2步行過程分析3.2驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)該步行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由兩部分組成：1.行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；2.轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)REF_Ref6566\r\h[22]REF_Ref6579\r\h[23]。曲柄由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)行走，步行機(jī)構(gòu)左右兩側(cè)的曲柄相位角相差180°，以保證3腿支撐；轉(zhuǎn)向搖臂由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，調(diào)整RHRSR空間5桿機(jī)構(gòu)的位形以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。為了縮小轉(zhuǎn)彎半徑，提高行走的靈活性，可轉(zhuǎn)向切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)采用前后雙轉(zhuǎn)向的結(jié)構(gòu)布局，因此，前后轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程應(yīng)當(dāng)保持同步。如圖3.3（a）所示，是轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)三維模型。運(yùn)動(dòng)原理概述如下：轉(zhuǎn)向電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)轉(zhuǎn)向齒輪軸和同步帶錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，兩者轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，同步帶輪隨著轉(zhuǎn)向齒輪軸同向轉(zhuǎn)動(dòng)，即同步帶輪與同步帶錐齒輪始終保持相反的轉(zhuǎn)向。進(jìn)而后同步帶輪與前同步帶輪之間、前后轉(zhuǎn)向搖臂之間轉(zhuǎn)向均相反。因基于切比雪夫四桿的行走機(jī)構(gòu)中存在兩個(gè)球關(guān)節(jié)，以上的相反轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)可傳遞給基于切比雪夫四桿的行走機(jī)構(gòu)中的前轉(zhuǎn)向支撐腿與后轉(zhuǎn)向支撐腿，從而實(shí)現(xiàn)某個(gè)方向的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)向電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)即可實(shí)現(xiàn)另一個(gè)方向的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。如圖3.3（b）所示，是行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)三維模型，行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由一級(jí)錐齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)REF_Ref6638\r\h[24]REF_Ref6658\r\h[25]。（a）轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)三維模型（1—同步帶輪；2—同步帶；3—同步帶錐齒輪；4—轉(zhuǎn)向錐齒輪；5—轉(zhuǎn)向齒輪軸）（b）行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)三維模型圖3.3驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)三維模型3.3柔性足部設(shè)計(jì)該步行機(jī)構(gòu)提出了如圖3.4柔性的足部結(jié)構(gòu)，使機(jī)器人能夠在行進(jìn)的過程中可根據(jù)地勢(shì)變化自由的調(diào)整各個(gè)支撐腿的伸出長(zhǎng)度，隨時(shí)進(jìn)行自身姿態(tài)的調(diào)整以保持機(jī)身穩(wěn)定；也具有一定的彈性和減振性能，提高了該步行機(jī)構(gòu)的應(yīng)用價(jià)值。3.3.1彈性支撐腿結(jié)構(gòu)如圖3.4，彈性支撐腿結(jié)構(gòu)包括彈性支撐腿末端2、限位銷3、導(dǎo)向槽4、緩沖彈簧、彈性支撐腿套筒5和石墨套筒1、6、7，具有一定的彈性和減振性能，彈性支撐腿末端上部的限位銷使得彈性支撐腿能沿著導(dǎo)向槽進(jìn)行伸縮，由此適應(yīng)不同的地勢(shì)，可保持機(jī)架水平。圖3.4彈性支撐腿結(jié)構(gòu)示意圖（1-石墨套筒，2-彈性支撐腿末端，3-限位銷，4-導(dǎo)向槽，5-彈性支撐腿套筒，6-石墨套筒，7-石墨套筒）3.3.2彈性支撐腿原理說明結(jié)合圖3.4，對(duì)彈性支撐腿原理說明如下：彈性支撐腿套筒的下部沿著縱向開設(shè)有導(dǎo)向槽，導(dǎo)向槽內(nèi)置有限位銷，限位銷緊密放置于彈性支撐腿末端的上端，使支撐腿末端能沿著導(dǎo)向槽上下移動(dòng)，限位銷的頂部安置有緩沖彈簧，通過調(diào)節(jié)支撐腿的伸縮程度保持機(jī)架水平，同時(shí)緩沖外界地面的沖擊力，提高穩(wěn)定性。彈性支撐腿的上部被切制成平面，且安裝兩個(gè)石墨套筒，用以安裝銷釘，使形成轉(zhuǎn)動(dòng)副。3.4壓桿穩(wěn)定分析可轉(zhuǎn)向切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)由ABS工程塑料制成，將其彈性支撐腿假定為空心圓管，σs=45MPa,σp=40MPa,E=2GPa。長(zhǎng)度l=200mm,直徑D=20mm，d=9mm。最大壓力Fmax=10N。規(guī)定穩(wěn)定安全因數(shù)為n由公式（3-1）λp求出λp可轉(zhuǎn)向切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為一端固定，一端自由，μ=2。截面為圓形，i=I柔度為λ=即λ>λσer臨界壓力為Fer可轉(zhuǎn)向切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)的工作安全因數(shù)為n=F所以滿足穩(wěn)定性要求。3.5結(jié)構(gòu)總成如圖3.5所示，是可轉(zhuǎn)向切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)機(jī)械系統(tǒng)總成。除了銷軸、螺栓、銅套等標(biāo)準(zhǔn)件以外，其余零部件都為ABS工程塑料。為提高美觀和實(shí)用性，設(shè)計(jì)了ABS外殼安裝于頂部，以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)向搖臂、轉(zhuǎn)向齒輪軸的軸向限位。圖3.5可轉(zhuǎn)向切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)三維模型3.6本章小結(jié)本章對(duì)可轉(zhuǎn)向切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)的行走過程進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)方式和柔性足部，還進(jìn)行了壓桿穩(wěn)定分析。因此，將各個(gè)模塊結(jié)合組成了整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)，機(jī)械系統(tǒng)三維模型也能夠建立，為后續(xù)利用Adams驗(yàn)證其可行性提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

第四章基于CAE技術(shù)的可行性分析在上一章節(jié)建立的可轉(zhuǎn)向切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)三維模型基礎(chǔ)上，本章基于Adams建立可轉(zhuǎn)向切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型，并進(jìn)行虛擬仿真，分析其運(yùn)動(dòng)特性曲線，并驗(yàn)證其機(jī)構(gòu)原理與應(yīng)用可行性。4.1虛擬樣機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)4.1.1虛擬樣機(jī)建模為了驗(yàn)證理論分析的內(nèi)容，研究該仿生步行機(jī)構(gòu)的行走、轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性與可靠性，以指導(dǎo)樣機(jī)開發(fā)。本節(jié)將在機(jī)械系統(tǒng)精細(xì)化建模的基礎(chǔ)上，基于ADAMS建立可轉(zhuǎn)向切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型，驗(yàn)證其行走機(jī)理和轉(zhuǎn)向能力。在虛擬樣機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)過程中，嚴(yán)格定義各項(xiàng)參數(shù)。主要包括彈性足部和地面的接觸屬性、彈簧預(yù)緊力、行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)角等REF_Ref286\r\h[26]。（1）建立模型將前面完成好的Solidworks的三維建模保存為裝配體的格式，這為了讓Adams能夠更加快捷的調(diào)出來。這時(shí)候打開AdamsView這個(gè)軟件，然后在開始新建一個(gè)工作單元，在開始菜單欄中選擇導(dǎo)入按鈕，雙擊文件選擇區(qū)域選擇SW保存的裝配體文件，導(dǎo)入到Adams中。（2）定義參數(shù)對(duì)導(dǎo)入的模型各個(gè)部件進(jìn)行材料屬性編輯，右擊左邊一欄其中一個(gè)物件進(jìn)行“修改”，彈出“ModifyBody”對(duì)話框，如圖4.1所示進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，其它部件亦是如此，模型各個(gè)部件材料均定義為“wood”，從而定義材料的密度、彈性模量和泊松比。圖4.1工件材料屬性的定義（3）接觸參數(shù)。以橡膠和木質(zhì)地面接觸為依據(jù)，設(shè)定接觸參數(shù)為：剛度系數(shù)（stiffness）：2855；碰撞指數(shù)（forceexponent）：1.1；最大阻尼系數(shù)（damping）：0.57；切入深度（penetrationdepth）：0.1；靜摩擦滑移速度（staticfrictionvel.）：0.1；動(dòng)摩擦滑移速度（dynamicfrictionvel.）：10；靜摩擦系數(shù)（staticfrictioncoeff.）：0.7；動(dòng)摩擦系數(shù)（dynamicfrictioncoeff.）：0.4。圖4.2接觸參數(shù)的設(shè)定（4）彈簧預(yù)緊力?？赊D(zhuǎn)向切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有彈性足部以降低行走過程中，腿部機(jī)構(gòu)和地面的接觸沖擊，中間支撐腿和轉(zhuǎn)向支撐腿內(nèi)有彈簧，當(dāng)彈性足部和地面接觸之后，彈簧會(huì)被適度壓縮，以提升路面適應(yīng)力和行走穩(wěn)定性。根據(jù)步行機(jī)構(gòu)本身自重和多次行走實(shí)驗(yàn)，得出一組適宜的彈簧參數(shù)：剛度系數(shù)為10N/mm，阻尼系數(shù)為0.1，預(yù)緊力為10N。圖4.3彈簧參數(shù)的設(shè)定（5）驅(qū)動(dòng)函數(shù)。通過STEP函數(shù)嵌套實(shí)現(xiàn)行走和轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)，其中行走驅(qū)動(dòng)函數(shù)為：300d·time，即每秒鐘轉(zhuǎn)過300°，；轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)為：STEP(time,2,0,3,-20d)+STEP(time,3.5,0,4.5,20d)+STEP(time,5,0,6,20d)。（a）行走驅(qū)動(dòng)函數(shù)的設(shè)定（b）轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)函數(shù)的設(shè)定圖4.4驅(qū)動(dòng)函數(shù)的設(shè)定設(shè)置Dynamics求解器類型，積分器為GSTIFF，類型選擇SI2進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。圖4.5求解器的設(shè)定4.1.2仿真實(shí)驗(yàn)（1）仿真參數(shù)設(shè)置對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，模擬可轉(zhuǎn)向切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)運(yùn)行的一個(gè)完整過程。在仿真測(cè)試時(shí)，持續(xù)時(shí)間設(shè)置為35秒，步數(shù)設(shè)置為7000步，在通過結(jié)果模塊中，后處理分析運(yùn)行并輸出了各個(gè)關(guān)節(jié)的重要參數(shù)，這也方便了整體進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，下圖就是對(duì)整體的仿真結(jié)果以及速度的參數(shù)設(shè)計(jì)。圖4.6仿真參數(shù)的設(shè)定（2）仿真結(jié)果通過仿真運(yùn)動(dòng)，可以清晰地觀察到轉(zhuǎn)向切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行效果和運(yùn)動(dòng)軌跡，結(jié)果表明可轉(zhuǎn)向切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)具有穩(wěn)定性走的能力，并能夠平穩(wěn)轉(zhuǎn)向，行走過程中不會(huì)發(fā)生傾倒。（3）運(yùn)行軌跡分析之后，得到如圖4.7所示的運(yùn)動(dòng)過程截圖。圖4.7（a）為可轉(zhuǎn)向切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的截圖，圖4.7（b）為質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡圖。（a）可轉(zhuǎn)向切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程截圖（b）可轉(zhuǎn)向切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡圖圖4.7運(yùn)動(dòng)過程截圖4.1.3后處理通過ADAMS的后處理功能，得到如圖4.8所示的可轉(zhuǎn)向切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)動(dòng)力需求特性曲線。如圖4.8（a）所示，步行機(jī)構(gòu)行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值扭矩為：0.986N.m；如圖4.8（b）所示，步行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值扭矩為:1.253N.m。（a）行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩圖（b）轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩圖圖4.8可轉(zhuǎn)向切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)動(dòng)力需求特性曲線4.2關(guān)鍵零部件強(qiáng)度校核為了確保通過增材制造得到的實(shí)驗(yàn)用原理樣機(jī)關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合使用要求，利用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)可轉(zhuǎn)向切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵零部件進(jìn)行受力分析。主要包括：齒輪、齒輪軸和轉(zhuǎn)向搖臂。4.2.1參數(shù)設(shè)置按照ABS定義材料屬性，其中彈性模量：2Gpa，泊松比：0.35，密度：1060kg/m3，屈服強(qiáng)度45Mpa。根據(jù)關(guān)鍵零部件在運(yùn)行過程中的實(shí)際工況定義約束和載荷。4.2.2分析結(jié)果如圖4.9所示的有限元分析結(jié)果。圖4.9（a）為行走驅(qū)動(dòng)齒輪與齒輪軸在極限工況下的受力云圖，最大接觸應(yīng)力為31.97Mpa，小于材料屈服強(qiáng)度45Mpa；圖4.9（b）為轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)齒輪與齒輪軸在極限工況下的受力云圖，最大接觸應(yīng)力為36.98Mpa，小于材料屈服強(qiáng)度45Mpa；圖4.9（c）為轉(zhuǎn)向搖臂在極限工況下的受力云圖，最大接觸應(yīng)力為29.09Mpa，小于材料屈服強(qiáng)度45Mpa。（a）行走驅(qū)動(dòng)齒輪與齒輪軸應(yīng)力分布云圖（b）轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)齒輪與齒輪軸應(yīng)力分布云圖（c）轉(zhuǎn)向搖臂應(yīng)力分布云圖圖4.9關(guān)鍵零部件應(yīng)力分布云圖限元分析結(jié)果表明，以ABS為材料制作可轉(zhuǎn)向切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的可行性。4.3本章小結(jié)本章通過基于Adams建立可轉(zhuǎn)向切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型，并進(jìn)行虛擬仿真，分析其運(yùn)動(dòng)特性曲線，并驗(yàn)證了其機(jī)構(gòu)原理與應(yīng)用可行性。還通過關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度校核驗(yàn)證了以ABS為材料制作可轉(zhuǎn)向切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的可行性。因此，本文所設(shè)計(jì)的可轉(zhuǎn)向切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)達(dá)到了行走、轉(zhuǎn)向的設(shè)計(jì)目的。結(jié)論本文為了通過簡(jiǎn)單控制實(shí)現(xiàn)仿生步行，對(duì)基于切比雪夫連桿的一種步行機(jī)構(gòu)開展設(shè)計(jì)與性能分析。通過精準(zhǔn)的控制技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了仿生步行機(jī)制。在傳統(tǒng)切比雪夫機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，我們具有創(chuàng)新性地提出了一種基于RHRSR空間五桿機(jī)構(gòu)的可轉(zhuǎn)向仿生步行機(jī)構(gòu)，從而大大提升了其應(yīng)用范圍和價(jià)值。首先，我們通過使用球副和圓柱副來替代原本機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)副，對(duì)只能進(jìn)行直線行走的傳統(tǒng)切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了構(gòu)型演化設(shè)計(jì)。我們利用矢量方法建立了空間五桿的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，深入研究了仿生步行機(jī)構(gòu)足端軌跡的運(yùn)動(dòng)空間。在建立切比雪夫機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用matlab編程開展足端軌跡分析，提出一組桿長(zhǎng)參數(shù)。然后，進(jìn)行足端的軌跡分析，創(chuàng)新性地提出了柔性足底結(jié)構(gòu)，并以此開展了機(jī)械系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。同時(shí)，進(jìn)行壓桿穩(wěn)定分析，利用CREO建立基于切比雪夫連桿的可轉(zhuǎn)向步行機(jī)構(gòu)的三維模型。最后，在機(jī)械系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用虛擬樣機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)可轉(zhuǎn)向切比雪夫步行機(jī)構(gòu)的行走機(jī)理和轉(zhuǎn)向能力進(jìn)行了全面的研究。不僅機(jī)器人在行走時(shí)各個(gè)桿件的聯(lián)動(dòng)做的非常好還不會(huì)打架，而且在數(shù)據(jù)圖像上的穩(wěn)定性也表現(xiàn)的非常優(yōu)異，可以清晰看出機(jī)器人在每一個(gè)階段下所需要的時(shí)間，還可利用X軸圖像觀察出機(jī)器人每走一步的距離。同時(shí)，進(jìn)行關(guān)鍵零部件強(qiáng)度校核，驗(yàn)證了以ABS為材料制作可轉(zhuǎn)向切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的可行性。綜上所述，空間五桿機(jī)構(gòu)和柔性足底的引入，使切比雪夫仿生步行機(jī)構(gòu)不僅具備了穩(wěn)定的行走能力，還獲得了靈活轉(zhuǎn)向的能力。實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果充分驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的科學(xué)性和可行性，為同類型步行機(jī)器人的研發(fā)提供了有力的技術(shù)支持。參考文獻(xiàn)陳雯柏,吳細(xì)寶,許曉飛,等.智能機(jī)器人原理與實(shí)踐[M].北京:清華大學(xué)出版社,2016.劉彥偉,劉三娃,梅濤,等.一種仿生爪刺式履帶爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)器人,2019,41(4):526-533.張春林.仿生機(jī)械學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.4~6.王國(guó)彪，陳殿生，陳科位，張自強(qiáng).仿生機(jī)器人研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2015，51(13)：27-44.陳斯琴，李思瑤，魯志剛，國(guó)忠義，解自國(guó).六足機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].機(jī)電工程技術(shù)，2022，51(11)：146-152.WettergreenD,PangelsH,BaresJ.Behavior-basedgaitexecutionfortheDante-IIwalkingrobot[C].IEEE/RJSInternationalCon-ference,1995,3:274-279.RAIBERTM，BLANKESPOORK，NELSONG，etal.BigDog，therough-terrainquadrupedrobot[C]//Proceedingsofthe17thIFACWorldCongress.Oxford，UK:IFAC，2008：10822-10825.SeokS,WangA,MengYC,etal.DesignPrinciplesforEnergy-EfficientLeggedLocomotionandImplementationontheMITCheetahRobot[J].IEEE/ASMETransactionsonMecha