PAGE1六足仿生機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析PAGE7六足仿生機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析StructureDesignandAnalysisofHexapodBionicRobot

摘要六足仿生機(jī)器人是一種可以在復(fù)雜地表上高效移動(dòng)的步行機(jī)器人。它模仿節(jié)肢動(dòng)物的肢體結(jié)構(gòu)，采用六足支撐，在平地上高速移動(dòng)時(shí)，采用三足支撐，三足前擺的高效穩(wěn)定步態(tài)，除此之外，六足仿生機(jī)器人還有其他多種步態(tài)，適應(yīng)不同速度，不同載荷下的要求，同時(shí)由于肢體結(jié)構(gòu)上存在富余，可以在失去若干肢體的情況下繼續(xù)執(zhí)行一定工作，六足仿生機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)尤為適合野外偵察，水下搜尋以及太空探測(cè)等對(duì)自主性、可靠性要求較高的工作。本課題是設(shè)計(jì)一種六足仿生機(jī)器人，并對(duì)機(jī)器人的行走機(jī)理及其控制策略開(kāi)展相關(guān)研究，為今后設(shè)計(jì)自主控制的智能六足仿生機(jī)器人積累經(jīng)驗(yàn)。首先以節(jié)肢動(dòng)物肢體為仿生對(duì)象，對(duì)肢體進(jìn)行抽象簡(jiǎn)化，設(shè)計(jì)出六足仿生機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)，并分別對(duì)自由度的選取和足位置分布等進(jìn)行研究。對(duì)機(jī)器人的控制進(jìn)行分析，確定其是否符合在不同環(huán)境下運(yùn)動(dòng)的功能，此外，還對(duì)六足仿生機(jī)器人進(jìn)行簡(jiǎn)單的仿真模擬，進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。關(guān)鍵字：六足機(jī)器人仿生學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)分析

AbstractHexapodbionicrobotisakindofwalkingrobotwhichcanmoveefficientlyonthecomplexground.Itimitatesthelimbstructureofthearthropod,adoptstheHexapodsupport,adoptsthetripodsupportwhenmovingontheflatgroundathighspeed,andtheefficientandstablegaitofthetripodfrontswing.Inaddition,thehexapodbionicrobothasmanyothergait,whichadaptstotherequirementsofdifferentspeedsanddifferentloads.Atthesametime,duetothesurplusofthelimbstructure,itcancontinuetocarryoutinthecaseoflosingseverallimbsForcertainwork,theadvantagesofhexapodbionicrobotareparticularlysuitableforfieldreconnaissance,underwatersearch,spaceexplorationandotherworkrequiringhighindependenceandreliability.Thistopicistodesignakindofhexapodbionicrobot,andcarryouttherelevantresearchonthewalkingmechanismandcontrolstrategyoftherobot,soastoaccumulateexperienceforthefuturedesignofintelligenthexapodbionicrobotwithindependentcontrol.Firstly,takingthelimbofarthropodasthebionicobject,thebodystructureofhexapodbionicrobotisdesigned,andtheselectionofdegreesoffreedomandthedistributionoffootpositionarestudied.Thecontroloftherobotisanalyzedtodeterminewhetheritconformstothefunctionofmovementindifferentenvironments.Inaddition,asimplesimulationofthehexapodbionicrobotiscarriedouttocarryoutdynamicanalysis.Keywords:hexapodrobotbionicsStructuraldesignInstitutionalAnalysis

目錄摘要第一章緒論1.1課題背景及研究目的1.2國(guó)內(nèi)外六足仿生機(jī)器人的相關(guān)資料1.2.1國(guó)內(nèi)六足仿生機(jī)器人資料1.2.2國(guó)外六足仿生機(jī)器人資料1.3分析現(xiàn)有六足機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與優(yōu)缺點(diǎn)第二章機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析.2.1機(jī)器人總體設(shè)計(jì)思路2.1.1設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械構(gòu)造2.1.2確定腿部關(guān)節(jié)數(shù)量2.2設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)并繪制機(jī)構(gòu)原理圖第三章六足仿生機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)模擬分析3.1機(jī)構(gòu)可行性與動(dòng)態(tài)模分析三維設(shè)計(jì)4.1介紹solidworks4.2用solidworks軟件設(shè)計(jì)三維示意圖......第五章結(jié)論與展望......5.1總結(jié)5.2展望..參考文獻(xiàn)..致謝..1緒論1.1課題背景及研究目的隨著經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的發(fā)展，在生產(chǎn)生活中出現(xiàn)了越來(lái)越多的需要取代人為接觸的情況出現(xiàn)，比如一些人類達(dá)不到或者對(duì)人類有高度危險(xiǎn)性的地方。如地震救災(zāi)；外星表面物質(zhì)采集；危險(xiǎn)建筑內(nèi)部探測(cè)。在生產(chǎn)生活中，人類已經(jīng)致力于研發(fā)眾多應(yīng)用于不同環(huán)境中且功能強(qiáng)大的機(jī)器人，例如：汽車制造生產(chǎn)中用于貨物體搬運(yùn)的機(jī)械臂；排除地雷或者炸藥的履帶機(jī)器人；疫情期間用于測(cè)量體溫運(yùn)送物品的多功能機(jī)器人；在極端環(huán)境比如外星、深海進(jìn)行探測(cè)取樣的采集探測(cè)機(jī)器人等等。但是這些機(jī)器人或多或少都存在局限性，那就是他們機(jī)動(dòng)性不強(qiáng)，無(wú)法適應(yīng)在復(fù)雜環(huán)境下運(yùn)行，比如上下樓梯，在凹凸不平的地面行走。我們從爬蟲(chóng)的運(yùn)行模式中得到了靈感，引入多足機(jī)器人，利用更多的受力點(diǎn)來(lái)獲得更高的機(jī)動(dòng)能力，這里我們初步選用六足仿生機(jī)器人來(lái)進(jìn)行研究。多足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，六足機(jī)器人作為典型的多足機(jī)器人，具有良好的爬坡能力和在非結(jié)構(gòu)化地形上行走的容錯(cuò)能力。它特別適用于復(fù)雜環(huán)境中的任務(wù)，如在外層空間的探索或運(yùn)輸、野外探測(cè)和極端環(huán)境中的操作，其中高可靠性是必不可少的。因此，研制一種能夠在非結(jié)構(gòu)化地形上行走的六足機(jī)器人具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2國(guó)內(nèi)外六足仿生機(jī)器人的相關(guān)資料1.2.1國(guó)內(nèi)六足仿生機(jī)器人資料在仿生機(jī)器人行走研究方面，作為國(guó)內(nèi)著名的地面-車輛系統(tǒng)力學(xué)研究專家，吉林工業(yè)大學(xué)的陳秉聰在20世紀(jì)50年代就開(kāi)始致力于仿生機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)研究，先后研制出半步行輪、步行輪、塑料鑲齒和高花紋等機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行田間試驗(yàn)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的分析研究。我國(guó)開(kāi)始進(jìn)行機(jī)器人行走的研究是在20世紀(jì)80年代，隨后研究取得了成，于1900年，全方位六足步行機(jī)被研發(fā)出來(lái)，由中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究研制的該步行機(jī)具有平地上行走和上下樓梯的功能。不僅如此，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所還研發(fā)出了能夠在水下進(jìn)行行走作業(yè)的水下六足步行機(jī)，另外應(yīng)用連桿機(jī)構(gòu)方面的知識(shí)，研制出的四足步行機(jī)模型也具備了行走功能。圖1-2Ariel和RobotII圖1-2為華中科技大學(xué)研制了一款“4+2”機(jī)器人，該機(jī)器人具有的一個(gè)亮點(diǎn)是它的條腿不僅以用于支撐整個(gè)機(jī)器人的站立及行走還可以充當(dāng)機(jī)械臂來(lái)使用。由于具有六足已進(jìn)行支撐行走，“4+2”機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下平穩(wěn)的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)作業(yè)，而在地勢(shì)較為平坦的區(qū)域，它的兩條腿可以轉(zhuǎn)換為機(jī)械臂用以搬運(yùn)抓取物體，剩下的四條腿實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，極大地體現(xiàn)了機(jī)器人的多功能性接下來(lái)從六足仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、建模、運(yùn)行軌跡規(guī)劃、系統(tǒng)理論控制等研究方向進(jìn)行綜述，對(duì)于機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出了模擬多足昆蟲(chóng)進(jìn)行建模，設(shè)計(jì)自由度為三且足分布呈橢圓形的機(jī)器人行走結(jié)構(gòu)建模；利用舵機(jī)來(lái)帶動(dòng)足部運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)平行四邊形的連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，使其具有多方位移動(dòng)運(yùn)行的能力。參考足部設(shè)計(jì)比例、連接部位的軸線方向和在參考坐標(biāo)系下機(jī)器人軀干的六維坐標(biāo)。構(gòu)建機(jī)器人運(yùn)行靈活度函數(shù)，從而優(yōu)化機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)。機(jī)器人由硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)組成，硬件控制系統(tǒng)部分由主控制器、上位機(jī)PC、信號(hào)采集傳感器和運(yùn)行控制器組成。軟件控制系統(tǒng)由傳感器控制模塊、步態(tài)控制模塊、關(guān)節(jié)及軀干控制模塊、通訊控制模塊組成。其中，針對(duì)步行控制任務(wù)，提出分布式步態(tài)控制和自由步態(tài)行走控制方法，同時(shí)結(jié)合足部的反饋控制模式。在運(yùn)動(dòng)方式和動(dòng)力研究方面，參考多足昆蟲(chóng)進(jìn)行建模，構(gòu)建六足仿生機(jī)器人運(yùn)行和動(dòng)力模型，結(jié)合串、并聯(lián)連桿結(jié)構(gòu)知識(shí)，研究單足運(yùn)動(dòng)和多足配合運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)方程?；谶_(dá)朗伯原理建立六足機(jī)器人的拉格朗日動(dòng)力學(xué)模型，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)影響系數(shù)機(jī)構(gòu)學(xué)理論將系統(tǒng)受到的所有力都折算到廣義坐標(biāo)上來(lái)建立力平衡方程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)求解，推導(dǎo)出拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程；探討了驅(qū)動(dòng)力矩超確定輸入問(wèn)題，依據(jù)能量守恒原理和運(yùn)動(dòng)影響系數(shù)理論，推導(dǎo)了所有輸入力矩的協(xié)調(diào)方程。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)正確性驗(yàn)證及機(jī)器人動(dòng)力學(xué)特性的仿真測(cè)試。腿部軌跡規(guī)劃方面，分別針對(duì)地形平坦或輕度崎嶇以及重度崎嶇的情形，提出了輕度崎嶇地形軌跡規(guī)劃策略和重度崎嶇地形腿部反射軌跡規(guī)劃策略。對(duì)于前者，構(gòu)建了統(tǒng)一的擺動(dòng)相和支撐相軌跡規(guī)劃描述，提出了基于緩沖區(qū)的擺動(dòng)相組合多項(xiàng)式曲線軌跡規(guī)劃策略，并依據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理將支撐相規(guī)劃的并聯(lián)閉鏈問(wèn)題轉(zhuǎn)化為串聯(lián)開(kāi)鏈問(wèn)題。對(duì)于后者，采用具有圓弧過(guò)渡的組合直線足端軌跡建立了抬腿和尋落反射機(jī)制的人工實(shí)現(xiàn)模型；并根據(jù)步行需要提出了單次反射、多次反射、復(fù)合反射的人工反射模式。步態(tài)規(guī)劃方面，通過(guò)多足昆蟲(chóng)步態(tài)分析和抽象，推導(dǎo)出步行速度與步態(tài)模式間的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)，提出了多足步行的調(diào)速方法；提出了基于相位時(shí)鐘的腿間相序描述方法和基于腿間相序調(diào)整的自由步態(tài)形成原理。1.2.2國(guó)外六足仿生機(jī)器人資料美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)的“機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)”（RobotDesign&experimental）課程中，一個(gè)叫ScienceParrot的學(xué)生團(tuán)隊(duì)根據(jù)“生物仿生機(jī)器人”主題，設(shè)計(jì)了一個(gè)新版本的仿生六足機(jī)器人RHex。RHex是在2001年由密歇根大學(xué)和麥吉爾大學(xué)專門(mén)為在崎嶇地形中運(yùn)動(dòng)而設(shè)計(jì)的仿生六足機(jī)器人，而ScienceParrot團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的新版本名為T(mén)-RHex，發(fā)音為T(mén)-Rex，就像恐龍一樣。雖然T-RHex同樣是仿生六足機(jī)器人，但它除了擁有原版RHex的特性外，還能夠完成更多的攀爬和懸掛操作。T-RHex有尾巴，可以防止自己向后傾斜。更重要的是，它腿上有細(xì)小的錐形腳趾，有助于抓住像磚塊、木頭和混凝土等粗糙的表面。另外，依靠那細(xì)小的腳趾，它還能爬上非常陡峭的山坡并懸在上面，防止掉落。早在1976年，俄亥俄州立大學(xué)研發(fā)了一臺(tái)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的仿六足生物的機(jī)器人HexapodVehicle[4]。1981年至1985年，RobertMcGhee團(tuán)隊(duì)又成功研制了一臺(tái)六足機(jī)器人ASV[5]，該機(jī)器人采用六條縮放式腿，且每條腿具有3個(gè)自由度，靠一臺(tái)70馬力的內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)，自重達(dá)2700kg，能承載重約200kg的物資。機(jī)器人機(jī)身前部設(shè)置有駕駛艙，操作員可以自由操控實(shí)現(xiàn)在各種不規(guī)則地形地面運(yùn)動(dòng)，如圖所示。為滿足機(jī)器人的特殊條件要求，采用仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)可以模仿某些動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的六足機(jī)器人，提出采用STC微控制器作為控制電路的核心，采用AET168P1轉(zhuǎn)向器控制面板進(jìn)行控制。通過(guò)YZW-Y09G型轉(zhuǎn)向器驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，可以在軟件控制下實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用需求。機(jī)器人對(duì)各種地面條件適應(yīng)性強(qiáng)，不易掉入地面。該系統(tǒng)具有成本低，抗干擾能力強(qiáng)，靈敏度高，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)仿生學(xué)原理和六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，分析了六足機(jī)器人的三角形步態(tài)運(yùn)動(dòng)原理。提出了利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理進(jìn)行步態(tài)研究的方法，使用Fischertechnik零件的組件來(lái)構(gòu)建六足機(jī)器人。該模型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)獨(dú)特，可前后行走，避免小障礙的特點(diǎn)，該機(jī)器人具有良好的機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性。分析六足仿生機(jī)器人典型行走步態(tài)和不同步態(tài)下的機(jī)器人落足點(diǎn)位置矢量表達(dá)式，提出運(yùn)用AT89S52內(nèi)部?jī)蓚€(gè)定時(shí)器，采用多舵機(jī)分時(shí)控制方法，設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制器可驅(qū)動(dòng)機(jī)器人足部12個(gè)舵機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了六足仿生機(jī)器人按步態(tài)規(guī)劃運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)測(cè)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的正確性和可靠性。結(jié)合目前六足類昆蟲(chóng)的生物學(xué)研究成果，提出了仿生六足類機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法，模仿了蟑螂的體形和結(jié)構(gòu)特征。三腳架步態(tài)被選為機(jī)器人的步態(tài)，這對(duì)六足機(jī)器人來(lái)說(shuō)是最穩(wěn)定，最快速的步態(tài)，通過(guò)在基于Virtools的仿真系統(tǒng)上進(jìn)行測(cè)試來(lái)評(píng)估設(shè)計(jì)的性能，驗(yàn)證了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)合理性和運(yùn)動(dòng)靈活性。自由步態(tài)的生成方法一直是研究的熱點(diǎn)。這包括應(yīng)用于蝎子機(jī)器人的基于中心模式發(fā)生器的方法，以及應(yīng)用于多個(gè)機(jī)器人設(shè)計(jì)的Cruse步行網(wǎng)。自由步態(tài)使兩條腿之間的自主協(xié)調(diào)生效。自提出腿的柔順控制以來(lái)，為了提高六足步行機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化地形上的穩(wěn)定性，人們的研究工作得到了擴(kuò)展。該策略成功地應(yīng)用于機(jī)器人LAURON和DLRCrawler中，這兩個(gè)機(jī)器人基于力傳感器來(lái)定位腿。在柔順控制下，有效地抑制了由于擺姿狀態(tài)轉(zhuǎn)換引起的干擾，提高了步行的穩(wěn)定性。六足機(jī)器人的研究目的是實(shí)現(xiàn)其在非結(jié)構(gòu)化地形上的自主穩(wěn)定行走。穩(wěn)定性強(qiáng)是其廣泛適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化地形的必要條件，姿態(tài)調(diào)整是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效途徑。應(yīng)用于機(jī)器人RHex的姿態(tài)預(yù)測(cè)技術(shù)，通過(guò)計(jì)算支撐多邊形中重心的投影位置來(lái)調(diào)整姿態(tài)，由于該結(jié)構(gòu)為串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，且有18個(gè)自由度，運(yùn)動(dòng)計(jì)算復(fù)雜。針對(duì)六足機(jī)器人在垂直面上運(yùn)動(dòng)時(shí)的足力分布問(wèn)題，提出了一種基于力分配與補(bǔ)償?shù)淖藨B(tài)控制策略。利用分布的腳力作為姿態(tài)控制的反饋，避免了計(jì)算齒輪的位置，并與補(bǔ)償?shù)哪_力相結(jié)合，抑制了軀干的振動(dòng)。六足機(jī)器人HITCR-II是為適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境而研制的，設(shè)計(jì)了機(jī)器人的視覺(jué)、力等傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境的感知和對(duì)自身狀態(tài)的感知，從而成功地穿越非結(jié)構(gòu)化地形。對(duì)于第一代機(jī)器人HITCR-I來(lái)說(shuō)，在平坦的地形上自由行走的六足機(jī)器人是成功的?；谌杂啥攘鞲衅鞯牡诙銠C(jī)器人HITCR-II腿部柔順控制，自由步態(tài)提供了機(jī)器人獨(dú)立行走的能力，腿部的柔順控制提高了機(jī)器人對(duì)微粗糙地形的適應(yīng)能力。通過(guò)姿態(tài)控制策略來(lái)提高機(jī)器人的行走穩(wěn)定性，這是機(jī)器人穿越非結(jié)構(gòu)化地形甚至爬過(guò)障礙物的關(guān)鍵技術(shù)。提出了一種適合在非結(jié)構(gòu)化地形上行走的新型六足機(jī)器人HITCR-II。它具有高集成度和多傳感器控制的特點(diǎn)。建立了優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)以提高靈巧度的目標(biāo)函數(shù)。利用力傳感器和位姿傳感器的傳感信息，提出了PCFDC策略來(lái)提高六足步行的穩(wěn)定裕度。首先，建立足力分布模型，得到任意步態(tài)下各站姿腿所需的足力分布。其次，建立足力補(bǔ)償模型，得到足力的補(bǔ)償值，以抑制機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化地形上行走時(shí)軀干的振動(dòng)。對(duì)比分析了現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外六足機(jī)器人整機(jī)構(gòu)型和單腿構(gòu)型,總結(jié)幾種常見(jiàn)構(gòu)型的足端活動(dòng)空間及穩(wěn)定性后,建立了六足機(jī)器人單腿簡(jiǎn)化模型。設(shè)計(jì)了三種單腿結(jié)構(gòu)并選取極限工況,分析所設(shè)計(jì)的幾種單腿結(jié)構(gòu)在極限工況下的表現(xiàn)。依據(jù)機(jī)器人最大行進(jìn)速度指標(biāo)對(duì)機(jī)器人液壓系統(tǒng)的最大流量和功率進(jìn)行計(jì)算和分析,依據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)各主要元件進(jìn)行選型和布置。考慮到大型六足機(jī)器人在工作中力流線不斷變化的特點(diǎn),有針對(duì)性的分析了本文設(shè)計(jì)的機(jī)身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。擬定了對(duì)六足機(jī)器人機(jī)身受力計(jì)算的邊界條件施加方式,將機(jī)身受力計(jì)算結(jié)果與整機(jī)受力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,其結(jié)果表現(xiàn)一致,驗(yàn)證了對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)擬定的邊界條件的正確性。對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析,結(jié)果表明機(jī)器人機(jī)身結(jié)構(gòu)能夠合理避免共振。對(duì)六足機(jī)器人整機(jī)進(jìn)行了剛?cè)狁詈戏治?分析了在該構(gòu)型下單腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及足端受力等。對(duì)運(yùn)行速度繼續(xù)研究，進(jìn)而合理規(guī)劃六足機(jī)器人的足端運(yùn)動(dòng)軌跡。在六足機(jī)器人常規(guī)平路步態(tài)中采用基于速度的足端軌跡規(guī)劃后,六足機(jī)器人行走過(guò)程中質(zhì)心前后加減速現(xiàn)象消除。最后對(duì)單腿結(jié)構(gòu)各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了跟隨實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證結(jié)果表明了大腿和小腿關(guān)節(jié)跟隨性好,滿足需求,側(cè)擺關(guān)節(jié)跟隨性有待提升。1.3分析現(xiàn)有六足機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與優(yōu)缺點(diǎn)六足機(jī)器人或者更為廣泛的足式機(jī)器人是近些年較為火熱的研究課題，無(wú)論是科研單位還研究生本科生。首先機(jī)器人，人工智能就是未來(lái)發(fā)展的大方向。為了降低人工成本，保護(hù)個(gè)人安全，機(jī)器人的發(fā)展對(duì)于國(guó)家，制造業(yè)都有至關(guān)重要的作用，特別是足式機(jī)器人。國(guó)外在這方面的研究成果較多，但是大多都結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)昂貴，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人民的經(jīng)濟(jì)承受能力，不具備在市場(chǎng)上投放的基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)的研究相對(duì)較晚，雖然也誕生了很多專利，但由于受到體積，重量，穩(wěn)定性級(jí)安全問(wèn)題同樣還沒(méi)有產(chǎn)品真正投入使用。另外與機(jī)器人相關(guān)的技術(shù)比如電池，電動(dòng)機(jī)，材料等等也達(dá)不到人們期待的足式機(jī)器人的要求。總體來(lái)說(shuō)足式機(jī)器人在全球范圍內(nèi)都處于正在研究的階段，只是各國(guó)研究進(jìn)度各有不同，它也需要與之配套的輔助技術(shù)符合實(shí)際要求。2機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析2.1機(jī)器人總體設(shè)計(jì)思路老師給我們的課題是六足仿生機(jī)器人，六足仿生機(jī)器人屬于爬行類機(jī)器人，從爬行動(dòng)物比如蜘蛛，蟑螂等獲得的靈感。這類爬行動(dòng)物能夠在較為復(fù)雜的地表移動(dòng)并具有很好的穩(wěn)定性，所以我們?cè)O(shè)計(jì)的足式機(jī)器人也應(yīng)該模仿這一點(diǎn)，同時(shí)老師給我們提出了機(jī)器人要具備爬樓梯的能力，這一點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中非常重要。另外足類昆蟲(chóng)也有很多是四足，六足昆蟲(chóng)行進(jìn)采用三角步態(tài)，每次會(huì)有三條腿落地支撐，四足對(duì)于外骨骼來(lái)說(shuō)可能不好用，它的生體靈活度不如脊椎動(dòng)物，不能隨時(shí)調(diào)節(jié)重心實(shí)現(xiàn)四足或者雙足行走，四足節(jié)肢動(dòng)物在自然界的罕見(jiàn)就是佐證。也正是基于這一點(diǎn)我們淘汰了4足機(jī)器人，應(yīng)為4足機(jī)器人在爬樓梯的過(guò)程中會(huì)更加困難且重心不穩(wěn)，而六足機(jī)器人因?yàn)楦臃€(wěn)定的結(jié)構(gòu)所以比四足機(jī)器人更好。另外八足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，參數(shù)量大且計(jì)算復(fù)雜，對(duì)八足的仿生及其困難，所以我們最終的設(shè)計(jì)課題是六足仿生機(jī)器人。在設(shè)計(jì)開(kāi)始之前老師和我們討論了仿真機(jī)器人足肢數(shù)量的問(wèn)題，重點(diǎn)是關(guān)于4足與6足的優(yōu)劣性，4足機(jī)器人可以滿足在平緩路面行走但由于機(jī)構(gòu)與重心很難完成上樓梯這種動(dòng)作，而六足機(jī)器人卻有可能，所以我們最終確定本課題研究如圖2-1所示，六足仿生機(jī)器人的機(jī)體及足部桿件均為鋁合金制作而成。軀體縱向長(zhǎng)174cm，寬152cm，站立式高154cm，大腿長(zhǎng)133mm，小腿長(zhǎng)78mm。圖2-1六足仿生機(jī)器人實(shí)體2.1.1設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械構(gòu)造六足仿生機(jī)器人，顧名思義，六足機(jī)器人在我們理想架構(gòu)中，我們借鑒了自然界昆蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)方式，特別是蜘蛛。足肢是爬蟲(chóng)類昆蟲(chóng)的主要運(yùn)動(dòng)器官。昆蟲(chóng)有一般三對(duì)足，在前胸、中胸和后胸各有一對(duì)，我們相應(yīng)地稱為前足、中足和后足，在生物學(xué)上對(duì)每一對(duì)足肢的作用都有詳細(xì)的介紹。每個(gè)足肢由基節(jié)、轉(zhuǎn)節(jié)、腿節(jié)、脛節(jié)、跗節(jié)和前跗節(jié)幾部分組成，有多少個(gè)部分就有多少個(gè)關(guān)節(jié)。其中基節(jié)是足肢最下部分的一節(jié)，普遍粗短。轉(zhuǎn)節(jié)常與腿節(jié)緊密相連，兩者基本沒(méi)有活動(dòng)。腿節(jié)是最長(zhǎng)最粗的節(jié)。第四節(jié)叫脛節(jié)，一般比較細(xì)長(zhǎng)，長(zhǎng)著成排的刺。第五節(jié)叫跗節(jié)，一般由2-5個(gè)亞節(jié)組成﹔這種亞節(jié)組成的部分具有很好的穩(wěn)定性能，利于行走。經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的生物進(jìn)化后腿根部出現(xiàn)倒刺，這樣有利于捕捉獵物。昆蟲(chóng)依靠這種腿部結(jié)構(gòu)獲得了很好的活動(dòng)能力。行走是以三條腿為一組進(jìn)行的，就是一邊前后兩條腿和另一邊中間那條腿。這樣就形成了一個(gè)穩(wěn)定的三角形支架結(jié)構(gòu)，這樣也是在這種環(huán)境中所能達(dá)到的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，當(dāng)這三條腿放在地面并向后蹬時(shí)，另外三條腿即抬起向前準(zhǔn)備替換。前足用爪固定物體后拉動(dòng)蟲(chóng)體向前，中足用來(lái)支持并舉起所屬一側(cè)的身體，后足則推動(dòng)蟲(chóng)體前進(jìn)，同時(shí)使蟲(chóng)體轉(zhuǎn)向。這種行走方式使昆蟲(chóng)可以隨時(shí)隨地停息下來(lái)，因?yàn)橹匦目偸锹湓谌侵Ъ苤畠?nèi)。并不是所有成蟲(chóng)都用六條腿來(lái)行走，有些昆蟲(chóng)由于前足發(fā)生了特化，有了其他功用或退化，行走就主要靠中、后足來(lái)完成了。下圖為昆蟲(chóng)腿部示意圖圖2-2綜上，六足仿生機(jī)器人也依照昆蟲(chóng)的外形，分為主體部分與六足。2.1.2確定腿部關(guān)節(jié)數(shù)量為了達(dá)到爬樓梯的功能所以需要三維運(yùn)動(dòng)，確定為3個(gè)關(guān)節(jié)。六足仿生機(jī)器人的每條腿都有三個(gè)關(guān)節(jié)，三個(gè)關(guān)節(jié)代表了三個(gè)自由度，每個(gè)自由度都由舵機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，舵機(jī)的位置在身體的四周和各個(gè)關(guān)節(jié)上，以減少肢體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，增加機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性和整體剛性。該仿生機(jī)器人共擁有18個(gè)自由度，各腿部能夠按照已經(jīng)編輯好的程序靈活運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保證有至少三條腿進(jìn)行支撐，保證機(jī)身的穩(wěn)定，這一點(diǎn)與六足昆蟲(chóng)高度一致。下圖2-3為各關(guān)節(jié)的模擬圖圖2-32.2設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)并繪制機(jī)構(gòu)原理圖六足仿真機(jī)器人實(shí)現(xiàn)的是真正意義上的步行,它的腿應(yīng)該具備有步行動(dòng)物最簡(jiǎn)單原始的功能:邁步與收步。用一個(gè)最簡(jiǎn)單的模型來(lái)概括就是機(jī)器人的腿應(yīng)具有繞著某一關(guān)節(jié)點(diǎn)來(lái)回?cái)[動(dòng)的功能。本課題中機(jī)器人腿的結(jié)構(gòu)采用了連桿機(jī)構(gòu)。如圖2-3所示:圖2-3下圖2-4為足肢的模擬仿真圖圖3六足仿生機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)模擬分析3.1機(jī)構(gòu)可行性與動(dòng)態(tài)模擬分析六足仿生機(jī)器人的步態(tài)是多樣的，其中三角步態(tài)是六足步行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)步行的典型步態(tài)。（1）三角步態(tài)介紹：“六足綱”昆蟲(chóng)步行時(shí)，一般不是六足同時(shí)直線前進(jìn)，而是將三對(duì)足分成兩組，以三角形支架結(jié)構(gòu)交替前行。目前，大部分六足機(jī)器人采用了仿昆蟲(chóng)的結(jié)構(gòu)，6條腿分布在身體的兩側(cè)，身體左側(cè)的前、后足及右側(cè)的中足為一組，右側(cè)的前、后足和左側(cè)的中足為另一組，分別組成兩個(gè)三角形支架，依靠大腿前后劃動(dòng)實(shí)現(xiàn)支撐和擺動(dòng)過(guò)程，這就是典型的三角步態(tài)行走法，如下圖所示。圖中機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)在水平和垂直方向上運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，B、D、F腳為擺動(dòng)腳，A、C、E腳原地不動(dòng)，只是支撐身體向前。由于身體重心低，不用協(xié)調(diào)Z向運(yùn)動(dòng)，容易穩(wěn)定，所以這種行走方案能得到廣泛運(yùn)用。下圖為三角步態(tài)示意圖圖3-1（2）機(jī)器人行走步態(tài)分析：項(xiàng)目設(shè)計(jì)共使用12個(gè)舵機(jī)用于步態(tài)實(shí)現(xiàn)。每條腿上有兩個(gè)舵機(jī)，分別控制髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，舵機(jī)安裝呈正交，構(gòu)成垂直和水平方向的自由度。由于腿只有水平和垂直平面的運(yùn)動(dòng)自由度，所以只考慮利用三角步態(tài)實(shí)現(xiàn)直線行走。分別給12個(gè)舵機(jī)編號(hào)(1～12)，如圖所示。圖3-2直線行走步態(tài)分析由1、2、5、6、9、10號(hào)舵機(jī)控制的A、C、E腿所處的狀態(tài)總保持一致（都是正在擺動(dòng)，或者都在支撐）；同樣，3、4、7、8、11、12所控制的B、D、F腿的狀態(tài)也保持一致。當(dāng)處在一個(gè)三角形內(nèi)的3條腿在支撐時(shí)，另3條腿正在擺動(dòng)。支撐的3條腿使得身體前進(jìn)，而擺動(dòng)的腿對(duì)身體沒(méi)有力和位移的作用，只是使得小腿向前運(yùn)動(dòng)，做好接下去支撐的準(zhǔn)備。步態(tài)函數(shù)的占空系數(shù)為0.5，支撐相和擺動(dòng)相經(jīng)過(guò)調(diào)整，達(dá)到滿足平坦地形下的行走步態(tài)要求和穩(wěn)定裕量需求。轉(zhuǎn)彎步態(tài)分析項(xiàng)目設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用以一中足為中心的原地轉(zhuǎn)彎方式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，下圖為右轉(zhuǎn)的示意圖，圖中E腿為支撐中足。右轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)的過(guò)程如下：1）首先A、C、E腿抬起，然后A、C腿向前擺動(dòng)，E腿保持不動(dòng)，B、D、F腿支撐。2）A、C、E腿落地支撐，同時(shí)B、D、F腿抬起保持不動(dòng)。3）A、C腿向后擺動(dòng)。整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中B、D、E、F不做前后運(yùn)動(dòng)，只是上下運(yùn)動(dòng)。圖3-34三維設(shè)計(jì)4.1介紹solidworksSolidWorks軟件是世界上第一個(gè)基于Windows開(kāi)發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，由于技術(shù)創(chuàng)新符合CAD技術(shù)的發(fā)展潮流和趨勢(shì)，SolidWorks公司于兩年間成為CAD/CAM產(chǎn)業(yè)中獲利最高的公司。由于使用了WindowsOLE技術(shù)、直觀式設(shè)計(jì)技術(shù)、先進(jìn)的parasolid內(nèi)核(由劍橋提供)以及良好的與第三方軟件的集成技術(shù)，SolidWorks成為全球裝機(jī)量最大、最好用的軟件。Solidworks軟件功能強(qiáng)大，組件繁多。Solidworks有功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點(diǎn)，這使得SolidWorks成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)過(guò)程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks不僅提供如此強(qiáng)大的功能，而且對(duì)每個(gè)工程師和設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，操作簡(jiǎn)單方便、易學(xué)易用。我們采用的是solidworks2014版。4.2用solidworks設(shè)計(jì)三維示意圖5總結(jié)與展望5.1總結(jié)本次課題我的任務(wù)是六足仿生機(jī)器人機(jī)構(gòu)與設(shè)計(jì)分析，我的主要任務(wù)是確腿部關(guān)節(jié)數(shù)量，腿部的機(jī)構(gòu)以及整體的可行性分析。六足機(jī)器人具有高適應(yīng)性，不易側(cè)翻，可爬樓梯等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)六足機(jī)器人設(shè)計(jì)難度不大，生產(chǎn)運(yùn)輸方便，且適合城市，叢林等大多數(shù)環(huán)境。本次課題對(duì)我是一次非常重要的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，分析設(shè)計(jì)當(dāng)中要熟悉機(jī)械原理等專業(yè)課程，也學(xué)會(huì)solidworks的操作。同時(shí)讓我對(duì)六足機(jī)器人的設(shè)計(jì)有了較為清晰的認(rèn)識(shí)，懂得了機(jī)器人步態(tài)原理，也通過(guò)同組同學(xué)的設(shè)計(jì)任務(wù)知道了六足機(jī)器人受力的分析，讓我對(duì)機(jī)器人設(shè)計(jì)有了自己的思路。5.2展望六足仿生機(jī)器人是機(jī)器人發(fā)展中的重要一環(huán)，它完美的體現(xiàn)了昆蟲(chóng)類仿生機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)。六足仿生機(jī)器人要融合機(jī)械設(shè)計(jì)與程序設(shè)計(jì)，在人工智能時(shí)代的大潮中有光明的發(fā)展前景。六足仿生機(jī)器人是融合了多學(xué)科的高新技術(shù)產(chǎn)物，對(duì)于它的研究就目前形式來(lái)講，仍處在起步階段，許多關(guān)鍵技術(shù)并沒(méi)有得到解決，特別是材料和電池技術(shù)，同時(shí)，許多新的理論和技術(shù)也對(duì)步行機(jī)器人的領(lǐng)域滲透性提出了新的要求，極大地拓展了六足仿生機(jī)器人的研究方向。基于六足仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的研究，將發(fā)揮更重要的作用。由經(jīng)驗(yàn)得出，認(rèn)為六足仿生機(jī)器人未來(lái)的研究將在以下幾個(gè)方面進(jìn)一步拓展：動(dòng)力學(xué)分析理論，雖然它有很多動(dòng)力學(xué)算法被提出，但在系統(tǒng)包括閉環(huán)需要考慮的情況下，柔性連桿機(jī)構(gòu)需要大量的計(jì)算，不能滿足實(shí)時(shí)控制的要求；六足機(jī)器人的能耗、行走機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能耗比做相同運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)物的能耗大，這限制了其應(yīng)用步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)間，關(guān)于減少能耗方面仍需科研人員的不懈努力；步行機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性、柔韌性等方面都遠(yuǎn)未達(dá)到昆蟲(chóng)和動(dòng)物的柔韌性，而且存在速度慢、效率低等問(wèn)題。這一部分的深入研究也將是今后提高仿生機(jī)器人靈活性和效率，充分發(fā)揮六足仿生機(jī)器人優(yōu)勢(shì)的研究重點(diǎn)。研究或成果與社會(huì)、環(huán)境、文化、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等關(guān)系六足機(jī)器人能比其他類型的機(jī)器人具有更加廣泛的應(yīng)用價(jià)值，六足機(jī)器人的研究過(guò)程中會(huì)提高智能控制的水平，提高對(duì)肢體機(jī)械的研究成果。六足機(jī)器人在城市災(zāi)難中具有難以替代的重要作用，比如地震過(guò)后的危房，六足機(jī)器人攜帶生命探測(cè)儀進(jìn)去執(zhí)行任務(wù)會(huì)比人工更為安全。在社會(huì)生活中，六足機(jī)器人可以擔(dān)任巡邏任務(wù)，或者在擁堵路斷替交通警察執(zhí)行任務(wù)。在我國(guó)青藏高原地區(qū)，交通非常不方便，特別是在中印邊界無(wú)法大規(guī)模駐軍情況下六足機(jī)器人可以擔(dān)任巡邏警告任務(wù)。六足機(jī)器人在生產(chǎn)生活中的高適應(yīng)性能在中國(guó)制造2025中貢獻(xiàn)一份力量，他能取代很多危險(xiǎn)崗位也能降低成本。在太空探測(cè)中，六足仿生機(jī)器人能夠通過(guò)安裝攝像頭的方式實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，多自由度的靈活性能到達(dá)一些輪腿式探測(cè)機(jī)器人無(wú)法到達(dá)的地方，有效的動(dòng)力學(xué)分析和運(yùn)動(dòng)仿真能保證在太空這種沒(méi)有能源供給的條件下，機(jī)器人能夠使用最節(jié)能的步態(tài)，最低能源損耗的運(yùn)動(dòng)方式。隨著全球人工智能的快速發(fā)展，六足機(jī)器人與之相結(jié)合將對(duì)生活造成巨大的改變，它能有效的降低成本并創(chuàng)造更加廣闊的發(fā)展前景隨著仿生機(jī)器人應(yīng)用日益廣泛，社會(huì)生產(chǎn)效率也有顯著提高，從而進(jìn)一步加快社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。我國(guó)在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域落后西方，如果能夠在仿生機(jī)器人領(lǐng)域占據(jù)先機(jī)必然能夠如同互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)一樣在全球擁有較重的分量，也能進(jìn)一步縮短和發(fā)達(dá)國(guó)家特別是美國(guó)的科技產(chǎn)業(yè)差距。致謝在畢業(yè)設(shè)計(jì)中我始終都能得到學(xué)校，熊征老師的幫助和提醒。在老師耐心的講解下我對(duì)自己的任務(wù)，要學(xué)習(xí)的知識(shí)，需要了解的領(lǐng)域有清晰的認(rèn)識(shí)，從開(kāi)題報(bào)告開(kāi)始老師就幫我們分析糾錯(cuò)，對(duì)我們的進(jìn)度也嚴(yán)格要求。同時(shí)也要感謝同學(xué)們的支持與鼓勵(lì)。最后也要感謝學(xué)校，學(xué)院，輔導(dǎo)員和各科老師對(duì)我的教育與栽培。祝老師們身體健康，祝同學(xué)們工作順利。參考文獻(xiàn)許宏巖,付宜利,王樹(shù)國(guó),劉建國(guó).仿生機(jī)器人的研究.機(jī)器人.2004,26(3):283-288J.Ayers,J.Witting.BiomimeticApproachestotheControlofUnderwaterWalkingMachines.PhilosophicalTransactionsoftheRoyalSocietyA.2007,365:273-295R.D.Quinn,G.M.Nelson,R.J.Bachmann.ParallelComplementaryStrategiesforImplementingBiologicalPrinciplesintoMobileRobots.TheInternationalJournalofRoboticsResearch.2003,22(3):169-186陳學(xué)東,周明浩,孫詡,賈文川.模塊化多足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究.中國(guó)機(jī)械工程.2006,17(10):1071-1074陳學(xué)東,孫詡,賈文川.多足步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制.華中科技大學(xué)出版社,2006:295-338B.L.Luk,D.S.Cooke,S.Galt,A.A.Collie,S.Chen.IntelligentLeggedClimbingServiceRobotforRemoteMaintenanceApplicationsinHazardousEnvironments.RoboticsandAutonomousSystems.2005,53(11):142-152ChayoothTheeravithayangkura,TomohitoTakubo,YasushiMae,TatsuoArai.StairRecognitionwithLaserRangeScanningbyLimbMechanismRobot“ASTERISK”.TheIEEEInternationalConferenceonRoboticsandBiomimetics,Bangkok,Thailand,2009:915-920ShotaFujii,KenjiInoue,TomohitoTakubo,TatsuoArai.ClimbingupontoStepsforLimbMechanismRobot“ASTERISK”.TheInternationalSymposiumonAutomationandRoboticsinConstruction,Tokyo,Japan,2006:225-230ShotaFujii,KenjiInoue,To