《四足仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《四足仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（37頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、摘要 論文詳細(xì)介紹了四足仿生機(jī)器人等效運(yùn)動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)在保證四足仿生機(jī)器人各等效運(yùn)動(dòng)模型的運(yùn)動(dòng)范圍及功能驗(yàn)證需求的基礎(chǔ)上，能夠滿(mǎn)足適用于單SLIP、雙SLIP、四SLIP等效模型的控制性能測(cè)試要求。 本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的材料基本上都是采用日本MiSUMi公司生產(chǎn)的自動(dòng)化用零件組合而成，少部分零部件由于設(shè)計(jì)方案要求采取自行設(shè)計(jì)與其他零部件相配合以達(dá)到最終設(shè)計(jì)需求。這樣得到的模型在設(shè)計(jì)完成后能夠以最快的速度進(jìn)行組裝以完成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)體搭建。 最終在SolidWorks中進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的仿真以檢驗(yàn)實(shí)際方案的可實(shí)施性。 關(guān)鍵詞：四足仿生機(jī)器人，控制性能測(cè)試，SLIP，仿真。

2、 Abstract The thesis describes the experimental platform design of the quadruped biomimetic robot model of locomotion in detail. On the basis of assuring an enough range of every model’s locomotion and the functional verification, this platform could contend the need of test

3、ing the performance of control for one-SLIP, two-SLIP and four-SLIP models. Most of the material of this platform components by the automation parts of MiSUMi Corporation, only a few completes by own design to satisfy the need of assembly with others owing to the design requirements. In this way,

4、we could build up the solid platform as soon as finishing the model’s design. In the end, i carried out some simple simulation in SolidWorks to test the implementation of the practical scheme. Keywords: quadruped biomimetic robots, test of control performance, SLIP, simulation 目錄 摘要 I Abs

5、tract II 目錄 III 1 緒論 - 1 - 1.1課題來(lái)源 - 1 - 1.2本課題的目的及其意義 - 1 - 1.3 四足仿生機(jī)器人研究現(xiàn)狀 - 2 - 1.4本課題的研究?jī)?nèi)容 - 5- 2 四足仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型 - 7 - 2.1 四足仿生機(jī)器人基本運(yùn)動(dòng)步伐 - 7 - 2.2 SLIP運(yùn)動(dòng)模型 - 8 - 2.3控制系統(tǒng)及方法 - 9 - 3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì) - 11 - 3.1 Solidworks相關(guān)特性 - 11- 3.2 MiSUMi自動(dòng)化用零件 - 12 - 3.3 整體方案選型與最終定型 - 13 - 3.4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)尺寸確定與零件選型

6、 - 16 - 3.5四足仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)仿真 - 28 - 5總結(jié) - 30- 致謝 - 31 - 參考文獻(xiàn) - 32 - - 34 - 1 緒論 1.1課題來(lái)源 本項(xiàng)目來(lái)源于國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)要求。 1.2本課題的目的及其意義 近年來(lái)，隨著機(jī)器人、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、人工智能、傳感檢測(cè)等相關(guān)學(xué)科的不斷進(jìn)步，研究和開(kāi)發(fā)能夠在現(xiàn)有車(chē)輛難以到達(dá)的復(fù)雜地形環(huán)境下，攜帶有效載荷，自主完成長(zhǎng)途運(yùn)輸任務(wù)的高性能足式智能移動(dòng)機(jī)器人正在成為機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，并在科學(xué)探索、山地運(yùn)輸、農(nóng)林業(yè)開(kāi)發(fā)、地質(zhì)勘探、搶險(xiǎn)救災(zāi)乃至軍事行動(dòng)等領(lǐng)域展示了潛在的

7、應(yīng)用前景。近年來(lái)，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都將其作為具有戰(zhàn)略意義的前沿技術(shù)，紛紛投入巨資，支持開(kāi)展全面和深入的研究工作。例如美國(guó)Boston Dynamics公司在美國(guó)DARPA的支持下，于2004年發(fā)布了“BigDog”高速、重載四足仿生機(jī)器人原型系統(tǒng)，于2008年又發(fā)布了改進(jìn)版本。從現(xiàn)有公開(kāi)文獻(xiàn)和視頻可以看到，BigDog能夠在泥沼、冰面、雪地、斜坡、碎石等復(fù)雜路面實(shí)現(xiàn)較好地穩(wěn)定行走，如圖1-1所示，并能在側(cè)向外力沖擊擾動(dòng)下實(shí)現(xiàn)姿態(tài)恢復(fù)，展示了一定的復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力，掀起了研制具有實(shí)用性自律移動(dòng)機(jī)器人的新高潮。 圖1-1 四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和步態(tài)規(guī)劃直

8、接影響到最終產(chǎn)品的總體性能。平衡控制是四足機(jī)器人穩(wěn)定移動(dòng)必備的基本能力，也是當(dāng)前機(jī)器人研究面臨的主要挑戰(zhàn)，尤其是在野外地面（包括凸凹地面、低摩擦地面、碎石地面、松軟地面等）平衡控制更為困難。而在四足仿生機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃方面，目前研究比較多的是模仿死足仿生動(dòng)物如馬的行走典型步態(tài)：如對(duì)角小跑（Trot），溜蹄（Pace），跳躍（Bounding）等。。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題“四足仿生機(jī)器人等效運(yùn)動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)”正是基于這樣的一個(gè)目的，即設(shè)計(jì)一個(gè)保護(hù)平臺(tái)，并在其上采用動(dòng)態(tài)的實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)不同步態(tài)條件下的四足機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)態(tài)保護(hù)，并通過(guò)傳感器等裝置對(duì)整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)條件下的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行反饋，對(duì)四足機(jī)器

9、人的機(jī)械、控制部分進(jìn)行完善，進(jìn)而對(duì)四足機(jī)器人真正獨(dú)立行走做準(zhǔn)備。 1.3 四足仿生機(jī)器人研究現(xiàn)狀 平衡控制是四足機(jī)器人穩(wěn)定移動(dòng)必備的基本能力，也是當(dāng)前機(jī)器人研究面臨的主要挑戰(zhàn)，尤其是在野外地面（包括凸凹地面、低摩擦地面、碎石地面、松軟地面等）平衡控制更為困難。目前大多數(shù)足式機(jī)器人只能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)平坦地面的行走，僅有BigDog初步具備復(fù)雜地形下的自律移動(dòng)能力，且能夠抵抗一定程度的側(cè)向外力沖擊。盡管意大利、韓國(guó)的一些機(jī)構(gòu)相繼展示了類(lèi)似的四足仿生機(jī)器人技術(shù)系統(tǒng)，但是他們不得不承認(rèn)在平衡控制上距離BigDog還有相當(dāng)大的差距。 對(duì)于外部干擾下四足仿生機(jī)器人的平衡控制研究，國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域的研究幾屬空

10、白，國(guó)外已發(fā)表的相關(guān)成果也十分有限。1968年南斯拉夫?qū)W者M(jìn).Vukobratovic在其步行機(jī)器人動(dòng)態(tài)平衡理論中提出了ZMP（Zero Moment Point）的概念，隨后日本學(xué)者將這種思想運(yùn)用于實(shí)際機(jī)器人開(kāi)發(fā)并取得了一定的成功，如早稻田大學(xué)的加滕一郎等人將ZMP技術(shù)運(yùn)用于WABOT機(jī)器人家族系列WL-10RD機(jī)器人控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了兩足機(jī)器人平衡控制與間歇性步態(tài)緩慢行走；本田公司研制的ASIMO、索尼公司研制的QRIO均采用了ZMP步態(tài)規(guī)劃控制方法。盡管ZMP取得了一定的成功，但是基于ZMP的運(yùn)動(dòng)控制僅適用于足式機(jī)器人低速行走的情形，究其實(shí)質(zhì)，ZMP的基本思想是基于幾何力學(xué)作用關(guān)系使得機(jī)器

11、人運(yùn)動(dòng)能夠維持姿態(tài)穩(wěn)定。為了使ZMP適用于機(jī)器人動(dòng)態(tài)行走，不少學(xué)者在原有的ZMP理論上提出了改進(jìn)。平井等人(1998年)提出一種通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)器人的實(shí)際ZMP軌跡來(lái)趨近于設(shè)計(jì)的理想ZMP軌跡來(lái)保持機(jī)器人的步態(tài)平衡方法。雖然ZMP存在很多優(yōu)點(diǎn)，但其在某些方面仍存在局限性，正如Jo?o P. Ferreira指出盡管ZMP原理和由ZMP派生的LIPM原理已經(jīng)成功運(yùn)用于世界上最先進(jìn)的兩足機(jī)器人，但它們?cè)诳刂谱闶綑C(jī)器的步態(tài)時(shí)仍然缺乏柔順性。目前基于ZMP原理的步態(tài)控制方法鮮有應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境的高速四足機(jī)器人的實(shí)例。 另外一類(lèi)機(jī)器人平衡控制方法是基于姿態(tài)的主動(dòng)控制。根據(jù)對(duì)于模型的依賴(lài)性，又可分為無(wú)模型的

12、、模仿神經(jīng)活動(dòng)的控制方法和基于動(dòng)力學(xué)模型的方法。基于中樞模式發(fā)生器(CPG)的控制是一種代表性的無(wú)模型的、模仿神經(jīng)活動(dòng)的控制模式。CPG是模擬生物低級(jí)神經(jīng)中樞的自激行為引起自發(fā)節(jié)律性運(yùn)動(dòng)的控制方法，能夠在缺乏高層控制信號(hào)和外部反饋的情況下，自動(dòng)產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩行為。S.T.Venkataraman首次利用CPG實(shí)現(xiàn)了六足昆蟲(chóng)機(jī)器人的步態(tài)生成與控制，完成了節(jié)律運(yùn)動(dòng)的生成。Shinkichi Inagaki等人建立了CPG的數(shù)學(xué)模型并把它應(yīng)用到了多足機(jī)器人的控制上。P.Arena等人通過(guò)以CPG作為底層運(yùn)動(dòng)控制器的分層控制方法，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在不平路面上的平衡運(yùn)動(dòng)。盡管有這些成功案例，但是由于當(dāng)前計(jì)算

13、能力的制約，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)元個(gè)數(shù)十分有限，CPG控制遠(yuǎn)未成熟。因此，只能適用于相對(duì)簡(jiǎn)單的場(chǎng)合且靈活性和柔性均較差，不能適應(yīng)非結(jié)構(gòu)環(huán)境與復(fù)雜的地形擾動(dòng)。 基于動(dòng)力學(xué)模型的控制方法，則受到模型精度和復(fù)雜度的制約。通常情況下對(duì)于四足步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的研究，其一般方法是首先建立各坐標(biāo)系，如地面參考坐標(biāo)系、機(jī)體坐標(biāo)系、腿部坐標(biāo)系等，然后根據(jù)幾何條件及運(yùn)動(dòng)條件建立各坐標(biāo)系間的位姿變換矩陣，從而得到機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)部件間及地面參考坐標(biāo)系間的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。而動(dòng)力學(xué)模型的建立更為復(fù)雜，由于四足步行機(jī)器人是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、本質(zhì)上非線性和時(shí)變的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，要建立一個(gè)正確完整、完全符合實(shí)際的動(dòng)力學(xué)模型非常困難。為

14、了滿(mǎn)足控制的實(shí)時(shí)性要求，1986年美國(guó)麻省理工學(xué)院的Raibert獨(dú)辟蹊徑，出版了第一本介紹足式機(jī)器人動(dòng)態(tài)平衡控制的專(zhuān)著，開(kāi)創(chuàng)性地將等效虛擬腿的概念引入足式機(jī)器人中，把四足、兩足、單足機(jī)器人的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制問(wèn)題最終均簡(jiǎn)化為矢狀面內(nèi)的單彈簧加載倒立擺（SLIP）的動(dòng)態(tài)控制問(wèn)題，從而較好地實(shí)現(xiàn)了單足跳躍、雙足跳躍、四足機(jī)器人對(duì)角小跑、跳躍、奔跑等對(duì)動(dòng)態(tài)平衡控制要求較高的運(yùn)動(dòng)步態(tài)。隨后，許多學(xué)者在Raibert的研究基礎(chǔ)上進(jìn)行延伸和擴(kuò)展，Gregorio等人研制了1DOF單足跳躍機(jī)器人“ARL Monopod-I”，并在其基礎(chǔ)上增加了順應(yīng)機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了“ARL Monopod-II”；Berkemeier

15、和Desai設(shè)計(jì)了一種新型2DOF電驅(qū)動(dòng)單足跳躍機(jī)器人；Zeglin等人仿袋鼠運(yùn)動(dòng)研制了三連桿鉸鏈連接的單腿跳躍機(jī)器人“Uniroo”；為了更好地進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，Hyon等人增加了“肌-腱”系統(tǒng)并開(kāi)發(fā)了鉸鏈?zhǔn)椒律鷨巫闾S機(jī)器人“Kenken”等。在單足跳躍機(jī)器人研究的基礎(chǔ)上，研究者將等效SLIP模型平衡控制方法擴(kuò)展到雙足、四足、六足等足式機(jī)器人系統(tǒng)中，最為典型的為Mcgill等大學(xué)研制的“SCOUT-I&II”型四足機(jī)器人和六足機(jī)器人RHex。盡管如此，由于等效SLIP模型僅僅是機(jī)器人在矢狀面上的等效，只能適用于平整地形上的二維平面運(yùn)動(dòng)，對(duì)于各種外力沖擊擾動(dòng)和復(fù)雜地形慣性擾動(dòng)等情況則不適用。因此

16、，尋找適合擾動(dòng)情況下的空間等效模型依然是一個(gè)有待解決的問(wèn)題。 為了穩(wěn)定和可靠的步行，四足仿生機(jī)器人除了必須滿(mǎn)足在動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上分析得到的穩(wěn)定性條件外，還要滿(mǎn)足機(jī)體作用力的平衡以及腳底作用力的約束等，所以四足仿生機(jī)器人的力控制也非常重要，這就是所謂的腳力規(guī)劃和分配問(wèn)題。從1976年至今，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一系列的研究。McGhee和Orin運(yùn)用一種“最優(yōu)化方法”（optimization method）用于解決足式機(jī)器人腳力分配的不確定性問(wèn)題，Klein等人利用偽逆法得到腳力分配的最小歐氏范數(shù)解。Waldron和 Kumar將腳力系分解為交互力系和平衡力系，基于零作用力的假設(shè)得到其腳

17、力分配，該方法在后來(lái)的研究結(jié)果中得到了證明。Gao X.C.和 Song X.M.提出一種剛性矩陣法,該方法在解決腳力分配問(wèn)題時(shí)考慮了機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)器以及地面的彈性變形，更適用于實(shí)時(shí)控制或仿真實(shí)驗(yàn)。2005年，華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院陳學(xué)東等人在推導(dǎo)四足步行機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用平方規(guī)劃方法研究開(kāi)發(fā)適用于實(shí)時(shí)控制的四足步行機(jī)器人腳力分配的新算法。這些方法都是基于常規(guī)步態(tài)而提出的，而在擾動(dòng)情況下就引入了微分代數(shù)規(guī)劃問(wèn)題、時(shí)變拓?fù)?、時(shí)變摩擦錐等諸多問(wèn)題，使得腳力規(guī)劃與分配算法更為復(fù)雜。 此外，在外力大沖擊擾動(dòng)下，機(jī)器人動(dòng)態(tài)行走的漸進(jìn)穩(wěn)定性也是平衡控制必須解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。目前對(duì)于

18、足式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)漸進(jìn)穩(wěn)定性的研究主要集中在動(dòng)態(tài)步態(tài)（如奔跑）的控制策略，控制算法方面，且主要集中在兩足機(jī)器人方面，多足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)漸進(jìn)穩(wěn)定性研究較少?；跐u進(jìn)穩(wěn)定性的或考慮到漸進(jìn)穩(wěn)定性的針對(duì)兩足機(jī)器人或多足機(jī)器人的動(dòng)態(tài)步態(tài)的控制方法。這些方法有的控制精度高，如Guanzheng Tan的實(shí)時(shí)控制計(jì)算策略；有的地形適應(yīng)性廣，如J.P. Ostrowski的非線性反饋算法；有的控制性能和效率高，如Fumihiko Asano的步態(tài)發(fā)生和控制的方法；有的適用于二足乃至多足機(jī)器人的快速奔跑控制，如Uluc Saranli提出的控制器。然而，沒(méi)有哪一種方法綜合滿(mǎn)足地形適應(yīng)性、實(shí)時(shí)性、抗擾性、快速性等要求

19、。 綜上所述，雖然很多學(xué)者和公司在足式機(jī)器人平衡控制方面進(jìn)行了豐富的研究，但目前的研究成果尚不能滿(mǎn)足高性能足式機(jī)器人在多種復(fù)雜地面條件下（碎石、廢墟、坑洼、泥沼、雪地、陡坡等）或者受到外界大推力干擾條件下的平衡控制要求。因此，研究四足機(jī)器人在多種復(fù)雜地面條件和外力大沖擊擾動(dòng)情況下的姿態(tài)穩(wěn)定控制方法是四足機(jī)器人走向?qū)嵱妹媾R的一大挑戰(zhàn)。 1.4本課題的研究?jī)?nèi)容 1．熟練掌握CAD軟件工具 A、熟練掌握3D建模軟件，如SolidWorks、Inventer等； B、熟練掌握2D繪圖軟件，如AutoCAD等； 2．完成四足仿生機(jī)器人各等效運(yùn)動(dòng)模型控制性能測(cè)試需求分析 A、了解并分析四

20、足仿生機(jī)器人單SLIP、雙SLIP、四SLIP等效模型及單腿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式及運(yùn)動(dòng)范圍； B、分析各等效模型控制性能測(cè)試需求； C、提出等效模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)指標(biāo)，包括空間尺寸、主/被動(dòng)自由度數(shù)、可變構(gòu)型等； 3．完成四足仿生機(jī)器人等效運(yùn)動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)詳細(xì)設(shè)計(jì)； A、根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)詳細(xì)三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需實(shí)現(xiàn)基本功能包括： a. 單SLIP模型彈跳運(yùn)動(dòng)不間斷測(cè)試； b. 雙SLIP模型彈跳及俯仰運(yùn)動(dòng)測(cè)試； c. 四SLIP模型橫滾橫移及常規(guī)步態(tài)不間斷測(cè)試； d. 單腿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等效剛度測(cè)試；

21、 e. 必要的傳感器檢測(cè)分析； B、完成平臺(tái)搭建所需的器件選型 C、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能仿真； 2 四足仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型 2.1四足仿生機(jī)器人基本運(yùn)動(dòng)步伐 通常情況來(lái)講，四足仿生機(jī)器人的步態(tài)目前研究較多的是：爬行（Crawl），對(duì)角小跑（Trot），溜蹄（Pace），跳躍（Bounding），定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)（Rotation），轉(zhuǎn)向（Spinning）等，如圖2-1所示。這幾種步態(tài)在實(shí)驗(yàn)室條件下均有成功的實(shí)驗(yàn)記錄。有人將X-Crawl，Y- Crawl，O- Rotation及其相反方向的步態(tài)稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)比較容易實(shí)現(xiàn)，

22、現(xiàn)階段大量的文獻(xiàn)多研究的是這幾種標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)及其轉(zhuǎn)換的規(guī)劃和控制問(wèn)題。如爬行步態(tài)的規(guī)劃與穩(wěn)定性控制；對(duì)角小跑穩(wěn)定性步態(tài)的規(guī)劃與穩(wěn)定性控制；溜蹄步態(tài)的規(guī)劃與穩(wěn)定性控制。 對(duì)角小跑步態(tài)屬于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定步態(tài)，能夠提高運(yùn)動(dòng)速度。跳躍式步態(tài)較其他步態(tài)在前進(jìn)的效率上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但是由于受到腿機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)慣性力和關(guān)節(jié)處大沖擊力的影響，因此需要較大的瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)力并且腿機(jī)構(gòu)的緩沖裝置也是必不可少的，否則集體關(guān)節(jié)將受到很大的沖擊力，有可能損壞關(guān)節(jié)和驅(qū)動(dòng)元件。另外，跳躍的持續(xù)時(shí)間是比較短暫的，為了保證四足機(jī)器人的實(shí)時(shí)可控，必須在極短的時(shí)間內(nèi)采集多種信號(hào)，這對(duì)目前的驅(qū)動(dòng)元件和傳感器都提出了極高的要求。同時(shí)，根據(jù)仿生學(xué)的提示

23、，要解決足式運(yùn)動(dòng)的跳躍步態(tài)規(guī)劃和實(shí)用問(wèn)題，首先要提高腿機(jī)構(gòu)的能量利用率，解決能量利用的關(guān)鍵是采用高效的儲(chǔ)能和沖擊緩沖裝置，將部分接觸能儲(chǔ)存并反饋給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。目前所研究的各種步態(tài)中，跳躍步態(tài)的研究是最具挑戰(zhàn)性的難點(diǎn)問(wèn)題。 圖2-1 2.2 SLIP運(yùn)動(dòng)模型 目前學(xué)術(shù)界通常采用Spring Loaded Inverted Pendulum，SLIP（彈簧負(fù)載倒立擺模型）來(lái)分析機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性。此處以彈簧浮在倒立擺模型來(lái)等效關(guān)節(jié)型緩沖腿來(lái)表述腿機(jī)構(gòu)的跳躍運(yùn)動(dòng)特性。圖2-2為該倒立擺的運(yùn)動(dòng)模型。此模型由質(zhì)量和一個(gè)等效彈簧構(gòu)成

24、，為了簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型的分析，假設(shè)等效彈簧質(zhì)量為零，并且在足底與地面接觸時(shí)無(wú)滑動(dòng)。 ─指點(diǎn)質(zhì)量；─接觸地時(shí)的初始長(zhǎng)度；─彈簧剛度； ─接觸地時(shí)的廚師角度；─倒立擺與垂直線的夾角； ─接地過(guò)程中角變化量 圖2-2 等效質(zhì)量─彈簧倒立擺跳躍模型 從仿生學(xué)角度分析，四足哺乳動(dòng)物運(yùn)動(dòng)可等效成四肢為SLIP的運(yùn)動(dòng)模型如圖2-3所示，其經(jīng)典運(yùn)動(dòng)步態(tài)有對(duì)角小跑(trot)、溜蹄(pace)、跳躍(bound)等對(duì)稱(chēng)步態(tài)。如圖2-1所示，利用等效虛擬腿概念將作用力和作用力矩分別等效，可將四足仿生機(jī)器人的對(duì)角小跑步態(tài)等效為作用在中心的雙足交替運(yùn)動(dòng)構(gòu)型，進(jìn)而簡(jiǎn)化為中心單腿

25、跳躍構(gòu)型；將四足仿生機(jī)器人的溜蹄步態(tài)等效為作用在機(jī)身兩側(cè)的雙足運(yùn)動(dòng)構(gòu)型；將四足仿生機(jī)器人的跳躍步態(tài)等效為作用在前后的雙足運(yùn)動(dòng)構(gòu)型。在不考慮外界擾動(dòng)等情況下，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)分析方法建立各種等效運(yùn)動(dòng)構(gòu)型的動(dòng)力學(xué)模型。 圖2-3 2.3 控制系統(tǒng)及方法 足式機(jī)器人控制難點(diǎn)，從系統(tǒng)控制模型分析存在原因是： 1） 是非線性系統(tǒng)； 2） 在整個(gè)狀態(tài)空間中運(yùn)動(dòng)； 3） 在重力的作用下運(yùn)動(dòng)； 4） 與半結(jié)構(gòu)化的復(fù)雜環(huán)境相互作用； 5） 不穩(wěn)定； 6） 屬于多輸人多輸出系統(tǒng)； 7） 具有時(shí)變性和間歇?jiǎng)討B(tài)性； 8） 既需要連續(xù)控制又需要離散控制。

26、 另外從機(jī)器人與環(huán)境的交互方面考慮，則存在環(huán)境識(shí)別，導(dǎo)航，軌跡規(guī)劃等移動(dòng)機(jī)器人的共性問(wèn)題，使得控制系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜。 四足機(jī)器人從控制任務(wù)方面存在的困難是行走控制需要多個(gè)子系統(tǒng)的密切配合才能完成復(fù)雜的任務(wù)。這些子系統(tǒng)包括： 1）四腿共12個(gè)自由度的關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)控制子系統(tǒng)， 2）不同步態(tài)和足的相位序列的控制子系統(tǒng)（特有的控制子系統(tǒng)）； 3）整體機(jī)身的姿態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)； 4）地形環(huán)境的的感知建模子系統(tǒng)； 5）基于感知環(huán)境地圖的路徑規(guī)劃子系統(tǒng)； 6）障礙的躲避和越障策略子系統(tǒng)。 因而足式機(jī)器人的控制是很復(fù)雜的系統(tǒng)任務(wù)腿式機(jī)器人的控制研究取得了一定的進(jìn)展，但大多數(shù)都是圍繞底層的機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)空間、腿部

27、協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)、步態(tài)規(guī)劃與控制、穩(wěn)定性控制及多種傳感器的應(yīng)用等方面展開(kāi)的?，F(xiàn)階段足式機(jī)器人不僅僅是欠缺整體姿態(tài)與步態(tài)規(guī)劃的聯(lián)動(dòng)控制，且基于感知(perception-based)的高級(jí)控制方法的研究應(yīng)用還很少。 在步態(tài)生成和控制方面，有理論突破意義的是基于生物中樞模式發(fā)生器(CPG)原理的運(yùn)動(dòng)控制，這是近幾年取得的一種新的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方法[1]。動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)控制機(jī)理一直頗受生物學(xué)家的注意，生物學(xué)家普遍認(rèn)為，動(dòng)物的節(jié)律運(yùn)動(dòng)并不是大腦的刻意行為，而是位于脊髓中的中心模式發(fā)生器（CPG）產(chǎn)生。Shik等[2]于1966年提出動(dòng)物的節(jié)律運(yùn)動(dòng)是由CPG控制的。1979年，Grillner和Zangger驗(yàn)證

28、了脊椎動(dòng)物的脊髓中存在CPG。J．Duysens和W．A．A．Henry預(yù)測(cè)了靈長(zhǎng)類(lèi)和人體中存在CPG的可能性[3]，工程界一般將CPG 建模為一組互相耦合的非線性振蕩器組成的分布系統(tǒng), 通過(guò)相位耦合實(shí)現(xiàn)節(jié)律信號(hào)的發(fā)生。 從80年代初Cohen 提出第一個(gè)CPG 模型, 人們一直在這方面進(jìn)行著探索和研究。 A vis H. Cohen等通過(guò)對(duì)脊髓控制下七鰓鰻運(yùn)動(dòng)行為的研究, 構(gòu)造出CPG 控制電路, 實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人腿的“走”和“跑”兩種運(yùn)動(dòng)[4~6]。Shinkichi INA GA KI 等利用一個(gè)局部通信的非線性振蕩器來(lái)模擬CPG, 控制一個(gè)分布自律式四足機(jī)器馬, 實(shí)現(xiàn)了機(jī)器馬的“走”、“小

29、跑”、“奔跑”三種步態(tài)[7]。文[8]詳細(xì)介紹了CPG方法在機(jī)器人控制方面的研究應(yīng)用情況。CPG方法的應(yīng)用和發(fā)展有望將足式機(jī)器人的行走控制性能推進(jìn)一步。文[9]總結(jié)了另一種基于仿生學(xué)的動(dòng)作行為控制方式：根據(jù)對(duì)青蛙的研究證明，青蛙的脊椎中存在一種某些固定的放電模式――運(yùn)動(dòng)元，這些運(yùn)動(dòng)元的線性組合就可以形成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)模式。 這些基于仿生學(xué)的將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化的控制方法也許就是足式機(jī)器人不久要應(yīng)用的最有效的控制方式。 3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì) 本章主要介紹四足仿生機(jī)器人等效運(yùn)動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，主要包括SolidWorks MiSUMi 3.1 .SolidWorks相關(guān)特性

30、SolidWorks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。至此，SolidWorks所遵循的易用、穩(wěn)定和創(chuàng)新三大原則得到了全面的落實(shí)和證明，使用它，設(shè)計(jì)師大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，產(chǎn)品快速、高效地投向了市場(chǎng)。 Solidworks軟件功能強(qiáng)大，組件繁多。 Solidworks 功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks 的三大特點(diǎn)，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

31、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，同時(shí)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。對(duì)于熟悉微軟的Windows系統(tǒng)的用戶(hù)，基本上就可以用SolidWorks 來(lái)搞設(shè)計(jì)了。SolidWorks獨(dú)有的拖拽功能使用戶(hù)在比較短的時(shí)間內(nèi)完成大型裝配設(shè)計(jì)。SolidWorks資源管理器是同Windows資源管理器一樣的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks ，用戶(hù)能在比較短的時(shí)間內(nèi)完成更多的工作，能夠更快地將高質(zhì)量的產(chǎn)品投放市場(chǎng)。在強(qiáng)大的設(shè)計(jì)功能和易學(xué)易用的操作（包括Windows風(fēng)格的拖/放、點(diǎn)/擊、剪切/粘貼）協(xié)同下，使用Sol

32、idWorks ，整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是可百分之百可編輯的。 SolidWorks提供了技術(shù)先進(jìn)的工具，幫助用戶(hù)跨越交流的障礙。協(xié)同設(shè)計(jì)版本使得用其他CAD軟件，甚至根本不用CAD軟件的用戶(hù)進(jìn)行方便的交流。零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)和工程圖之間的是全相關(guān)的。 SolidWorks零件建模有如下特點(diǎn)： 1） SolidWorks提供了無(wú)與倫比的、基于特征的實(shí)體建模功能。通過(guò)拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁特征、高級(jí)抽殼、特征陣列以及打孔等操作來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。 2） 通過(guò)對(duì)特征和草圖的動(dòng)態(tài)修改，用拖拽的方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的設(shè)計(jì)修改。 3） 三維草圖功能為掃描、放樣生成三維草圖路徑，或?yàn)楣艿?、電纜、線和管線生成路徑

33、。 4） 加快特征樹(shù)回退、提高特征編輯性能，快速建模的菜單結(jié)構(gòu)大大提高建模速度。 5） 零件建模時(shí)提供自動(dòng)尺寸標(biāo)注、草圖共享、草圖著色、套合樣條曲線、可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)、分離的實(shí)體設(shè)計(jì)、輪廓與區(qū)域、本地化的操作、布爾運(yùn)算、特征范圍、插入零件。 SolidWorks在裝配設(shè)計(jì)是主要有以下特點(diǎn)： 1） 在SolidWorks 中，當(dāng)生成新零件時(shí)，你可以直接參考其他零件并保持這種參考關(guān)系。在裝配的環(huán)境里，可以方便地設(shè)計(jì)和修改零部件。對(duì)于超過(guò)一萬(wàn)個(gè)零部件的大型裝配體，SolidWorks 的性能得到極大的提高。 2） SolidWorks 可以動(dòng)態(tài)地查看裝配體的所有運(yùn)動(dòng)，并且可以對(duì)運(yùn)動(dòng)的零

34、部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)的干涉檢查和間隙檢測(cè)。 3） 鏡像部件是SolidWorks 技術(shù)的巨大突破。鏡像部件這一功能能夠產(chǎn)生基于已有零部件（包括具有派生關(guān)系或與其他零件具有關(guān)聯(lián)關(guān)系的零件）的新的零部件。 4） SolidWorks 用捕捉配合的智能化裝配技術(shù)，來(lái)加快裝配體的總體裝配。智能化裝配技術(shù)能夠自動(dòng)地捕捉并定義裝配關(guān)系。 SolidWorks中的有限元分析：SolidWorks是世界上第一家將結(jié)構(gòu)分析的的功能嵌在CAD環(huán)境中的軟件公司。COSMOSXpress模塊使得使用SolidWorks軟件的設(shè)計(jì)和工程隊(duì)伍可以直接對(duì)設(shè)計(jì)的零件進(jìn)行有限元分析，對(duì)產(chǎn)品的性能進(jìn)行評(píng)估，而不必花大量的時(shí)間和金錢(qián)

35、制造昂貴的樣機(jī)。 3.2MiSUMi自動(dòng)化用零件 MiSUMi標(biāo)準(zhǔn)系日本MISUMI株式會(huì)社提供模具用零件、工廠自動(dòng)化用零件等各種模具配件的制造標(biāo)準(zhǔn)。 MiSUMi標(biāo)準(zhǔn)與德國(guó)的HASCO標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)的DME標(biāo)準(zhǔn)齊名是世界三大模具配件制造標(biāo)準(zhǔn)之一。 使用MiSUMi標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，能夠最大程度的減少建模時(shí)的細(xì)節(jié)尺寸與各零件之間裝配所需的配合尺寸等。同時(shí)在建模成功之后，由于MiSUMi標(biāo)準(zhǔn)件的高精度性，能夠保證所設(shè)計(jì)內(nèi)容在現(xiàn)實(shí)的構(gòu)建過(guò)程中保證與所設(shè)計(jì)基本吻合，也能夠達(dá)到比較理想的預(yù)期效果。 同時(shí)，MiSUMi公司有配套的與產(chǎn)品目錄相關(guān)的三維導(dǎo)入軟件供設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行調(diào)用，實(shí)現(xiàn)了

36、方便快捷的設(shè)計(jì)過(guò)程。 3.3整體方案選型與最終定型 首先，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的作用是對(duì)四足仿生機(jī)器人在各種步態(tài)的運(yùn)動(dòng)下起一定的保護(hù)支撐作用，以防止其在產(chǎn)品試驗(yàn)過(guò)程中由于自身的不完善而造成不必要的剛性沖擊等不必要的損壞。 圖3-1 圖3-2 鑒于對(duì)BigDog視頻的觀看，得出Boston Dynamics公司在BigDog的試驗(yàn)階段所采用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是跟隨式懸掛移動(dòng)平臺(tái)，如圖3-1，它能夠伴隨“大狗”的運(yùn)動(dòng)而移動(dòng)，通過(guò)一些線的牽引對(duì)“大狗”進(jìn)行預(yù)保護(hù)，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)則由人觀看“大狗”的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)對(duì)整體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行推移。但是，此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相對(duì)來(lái)

37、說(shuō)造價(jià)過(guò)高，并且需要人為的驅(qū)動(dòng)顯得不方便，但是也有自動(dòng)跟隨式的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖3-2所示。不過(guò)其所能滿(mǎn)足的工作環(huán)境也相對(duì)來(lái)說(shuō)比較完善，優(yōu)越性還是比較高。而我們這里的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所要保護(hù)的“大狗”的基本運(yùn)動(dòng)方式僅為如下三種： a. 單SLIP模型彈跳運(yùn)動(dòng)不間斷測(cè)試； b. 雙SLIP模型彈跳及俯仰運(yùn)動(dòng)測(cè)試； c. 四SLIP模型橫滾橫移及常規(guī)步態(tài)不間斷測(cè)試； 因此，對(duì)于這種造價(jià)高，需要人為操作的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并不適合此次設(shè)計(jì)需求。 受哈工大仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)方案的啟發(fā)，最終得出如圖3-3所示的框架式滾輪移動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)節(jié)省了空間，造價(jià)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較便宜，并

38、且可以脫離人的控制來(lái)達(dá)到自主的保護(hù)支撐目的。 圖3-3 圖中：1─整體框架；2─導(dǎo)軌、滑塊；3─連桿組件； 4─滑塊檔桿；5─軸承座組件；6─滑軌組件；7滾輪 該設(shè)計(jì)主要基本理念為：將“大狗”置于其中，并通過(guò)連桿與“大狗”的重心想連，這樣可以保證連桿3的波動(dòng)幅度不至于太大，如圖3-4所示。大狗的行進(jìn)方式為一個(gè)三維空間的擾動(dòng)，這樣在“大狗”進(jìn)行各種步態(tài)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，“大狗”的運(yùn)動(dòng)形態(tài)通過(guò)連桿3傳遞到導(dǎo)軌滑塊2上去，進(jìn)而通過(guò)導(dǎo)軌與鋁合金組件的組裝帶動(dòng)整體框架1隨大狗一起移動(dòng)。 圖3-4 在這一個(gè)過(guò)程當(dāng)中，以跳躍（Bounding）為例，“大狗”的基本運(yùn)動(dòng)為跳躍式前進(jìn)，在此過(guò)程中

39、“大狗”的重心會(huì)有一定的兩自由度移動(dòng)，這是通過(guò)滑塊來(lái)緩沖其縱向的位移，同時(shí)通過(guò)“大狗”對(duì)連桿、滑塊組合的橫向作用分力來(lái)驅(qū)使整體框架的橫向移動(dòng)，以達(dá)到與“大狗”并行的基本工作狀態(tài)。于此同時(shí)由于滑軌6的存在，“大狗”在行進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)的偏離軌跡的小幅度擾動(dòng)可以通過(guò)它的小幅度滑動(dòng)來(lái)緩沖掉。 由于各種步態(tài)的不同需求，各個(gè)步態(tài)之間的位移方向的不同，有受橫向外沖擊的情況，因此需要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠?qū)Σ煌姆较蜻M(jìn)行保護(hù)，這就需要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠靈活的在兩種步態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。次試驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)5軸承座組件與6滑軌組件，并通過(guò)人為的波動(dòng)與拉伸，將滑軌組件轉(zhuǎn)移九十度的同時(shí)拉伸，縮短滑軌引出件的長(zhǎng)短便可以在兩種狀態(tài)下對(duì)“大狗”形

40、式保護(hù)，支撐功能，直行如圖3-5與橫移圖3-6所示。 圖3-5 圖3-6 而在“大狗”出現(xiàn)不穩(wěn)定墜倒時(shí)，可以通過(guò)滑塊檔桿4與連桿3組合來(lái)防止“大狗”產(chǎn)生過(guò)大的剛性沖擊，損壞零部件。 3.4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)尺寸確定與零件選型 基于“大狗”本身的基本尺寸尺寸為L(zhǎng):1000mm；W：500mm；H：1000mm，同時(shí)考慮到其運(yùn)動(dòng)范圍的考慮，最終定義的尺寸如下： 1 框架 框架的長(zhǎng)：1500mm；寬1000mm；高：1800mm，主要考慮因素為“大狗”的跳躍高度與其行走時(shí)的前沖程度來(lái)確定框架的高度寬度與長(zhǎng)度。

41、而零件的選擇全部為HFS6-3030鋁合金型材如圖3-7，各處的連接件則選擇為HBLFSN6如圖3-8，HNTTSN6如圖3-9與CBM6-12如圖3-10，三個(gè)零件組成的連接件如圖3-11，最終與框架的組裝如圖3-12所示。 圖3-7 圖3-8 圖3-9 圖3-10 圖3-11 圖3-12 2 滑軌組件 滑軌組件的尺寸則由“大狗”的本身尺寸與框架的整體尺寸相結(jié)合得出如圖3-13所示，單位為（m

42、m）。其主要的考慮因素有，滑軌的伸出長(zhǎng)度能否滿(mǎn)足在“大狗”橫向移動(dòng)時(shí)的連接長(zhǎng)度，因此定義滑軌底座為850mm可以保證在“大狗”自身寬500mm的同時(shí)還能保證其身長(zhǎng)1000mm的要求；導(dǎo)軌的長(zhǎng)度主要考慮為“大狗”在跳躍的過(guò)程中產(chǎn)生的縱向位移為最大，但是經(jīng)查資料顯示，其重心位置所產(chǎn)生的徑向位移不會(huì)超過(guò)500mm因此，定義導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為600mm；而導(dǎo)軌連接桿的長(zhǎng)度主要是考慮到滑塊通過(guò)連桿組件連接“大狗”的時(shí)候保證導(dǎo)軌上有足夠的行程滿(mǎn)足其對(duì)于縱向位移的要求?；壍鬃c滑軌的組裝如圖3-14所示，其中滑軌底座采用HFS6-3090如圖3-15所示，導(dǎo)軌滑塊采用SSXRLZ28，為重載直線導(dǎo)軌其基本額定動(dòng)

43、載荷為11.1kN,如圖3-16所示。 圖3-13 圖3-14 圖3-15 圖3-16 3 軸承的選型 根據(jù)軸的受力方向主要為為軸向載荷，故選擇推力球軸承作為轉(zhuǎn)動(dòng)滑軌組件的軸部組件。此處選擇B51202型號(hào)止推滾珠軸承，如圖3-17所示。其基本動(dòng)態(tài)額定負(fù)載為16.7kN，基本靜態(tài)額定負(fù)載為24.8kKN。 圖3-17 軸承的應(yīng)力分析圖例如下所示， 算例結(jié)果 名稱(chēng) 類(lèi)型 最小 位置 最大 位置 應(yīng)力1 VON:von Mises 應(yīng)力 189.656

44、N/m^2 節(jié): 923 (15.7569 mm, -5.4 mm, 2.77837 mm) 14444.8 N/m^2 節(jié): 22162 (-7.51877 mm, -6 mm, 5.12621 mm) 位移1 URES:合位移 0 mm 節(jié): 932 (13.3368 mm, -6 mm, -7.7 mm) 1.97546e-007 mm 節(jié): 29895 (8.06761 mm, 5.82426 mm, 13.6133 mm) 應(yīng)變1 ESTRN :對(duì)等應(yīng)變 1.31409e-009 單元: 4497 (-0.454243 mm,

45、-5.41845 mm, 15.7815 mm) 3.51628e-008 單元: 4844 (-6.76742 mm, -2.8944 mm, 6.89745 mm) 位移2 URES:合位移 0 mm 節(jié): 932 (13.3368 mm, -6 mm, -7.7 mm) 1.97546e-007 mm 節(jié): 29895 (8.06761 mm, 5.82426 mm, 13.6133 mm) 應(yīng)變2 ESTRN :對(duì)等應(yīng)變 7.70664e-010 節(jié): 923 (15.7569 mm, -5.4 mm, 2.77837 mm) 5

46、.86965e-008 節(jié): 22162 (-7.51877 mm, -6 mm, 5.12621 mm) 應(yīng)力2 VON:von Mises 應(yīng)力 189.656 N/m^2 節(jié): 923 (15.7569 mm, -5.4 mm, 2.77837 mm) 14444.8 N/m^2 節(jié): 22162 (-7.51877 mm, -6 mm, 5.12621 mm) B51202-算例 應(yīng)力-應(yīng)力1 圖3-18 B51202-算例 位移-位移1 圖3-19 B51202-算例 應(yīng)變-應(yīng)變1 圖 3-20 結(jié)論 此軸承B51

47、202在受1500N的軸向載荷與400N的徑向載荷時(shí)是可靠的 4 軸的設(shè)計(jì) 軸的設(shè)計(jì)在每一個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)當(dāng)中都是比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)在此處這樣的一個(gè)關(guān)系到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工作效率問(wèn)題的轉(zhuǎn)軸上來(lái)說(shuō)，更是重中之重，軸的設(shè)計(jì)及其一系列的構(gòu)思都是在這個(gè)軸的設(shè)計(jì)上來(lái)完成的。 首先，需要確定軸的尺寸，根據(jù)軸承的型號(hào)得知軸與軸承的配合尺寸為Φ15，同時(shí)由于軸承的外徑為Φ32，故有此確定軸的最上端軸徑為Φ25，長(zhǎng)度根據(jù)軸承座的原因定義為=8mm；與軸承配合處的軸徑為Φ15，長(zhǎng)度有軸承高度H=12mm定義為=12mm；接下來(lái)為了裝配軸時(shí)能夠順利進(jìn)入軸承，給一個(gè)Φ1的軸肩，因此接下來(lái)的軸徑為Φ14，其長(zhǎng)度為=23mm；

48、接下來(lái)是一段在軸端加工螺紋的情況下給一個(gè)墊片的預(yù)留一定的圈度以保證其能夠固定螺釘與連接件，此處給出其軸徑根據(jù)M4的螺釘給為Φ12，其長(zhǎng)度為=25mm；最后一段為一個(gè)M4─10的螺釘，還預(yù)留有長(zhǎng)度為=2mm的墊片厚度，故此段總長(zhǎng)為=12mm。由此得出軸的總長(zhǎng)為=80mm，其效果如圖3-18所示。經(jīng)給定最大軸向力=1.5kN，最大徑向力=0.3kN的情況下校核軸的剛度合格。 圖3-21 軸的裝配如圖3-19所示， 圖3-22 軸的應(yīng)力分析圖例如下所示 算例結(jié)果 名稱(chēng) 類(lèi)型 最小 位置 最大 位置 應(yīng)力1 VON:von Mises 應(yīng)力 47242 N/m^2

49、 節(jié): 10850 (-10.2396 mm, 2.80961e-007 mm, 7.16945 mm) 1.3755e+010 N/m^2 節(jié): 7780 (1.63802 mm, 69 mm, 1.16205 mm) 位移1 URES:合位移 0 mm 節(jié): 1 (10.8253 mm, 8 mm, 6.25 mm) 0.685964 mm 節(jié): 464 (1.38902 mm, 79.9999 mm, 1.59403 mm) 應(yīng)變1 ESTRN :對(duì)等應(yīng)變 5.5693e-007 單元: 3387 (-0.0196686 mm, 0

50、.841995 mm, -0.0379551 mm) 0.0424165 單元: 2374 (-0.135465 mm, 68.8097 mm, 1.53796 mm) 應(yīng)力2 VON:von Mises 應(yīng)力 47242 N/m^2 節(jié): 10850 (-10.2396 mm, 2.80961e-007 mm, 7.16945 mm) 1.3755e+010 N/m^2 節(jié): 7780 (1.63802 mm, 69 mm, 1.16205 mm) 位移2 URES:合位移 0 mm 節(jié): 1 (10.8253 mm, 8 mm, 6.25

51、 mm) 0.685964 mm 節(jié): 464 (1.38902 mm, 79.9999 mm, 1.59403 mm) 應(yīng)變2 ESTRN :對(duì)等應(yīng)變 1.91967e-007 節(jié): 10850 (-10.2396 mm, 2.80961e-007 mm, 7.16945 mm) 0.0558933 節(jié): 7780 (1.63802 mm, 69 mm, 1.16205 mm) 應(yīng)變3 GMXY:YZ 基準(zhǔn)面上的 Y 方向抗剪 -0.0921398 節(jié): 7799 (-0.548061 mm, 69.163 mm, 1.9351 mm)

52、 0.0964583 節(jié): 7689 (0.18596 mm, 69.0001 mm, -2.00006 mm) 軸-算例 應(yīng)力-應(yīng)力1 圖3-23 軸-算例 位移-位移1 圖3-24 軸-算例 應(yīng)變-應(yīng)變1、 圖3-25 結(jié)論 該軸的總體設(shè)計(jì)在承受最大軸向、徑向力與扭矩的情況下，軸的無(wú)論從應(yīng)力、位移還是應(yīng)變上都能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。 5 連桿組件的設(shè)計(jì) 連桿的設(shè)計(jì)主要考慮為在“大狗”進(jìn)行特定步態(tài)行進(jìn)時(shí)，如若用一個(gè)直桿進(jìn)行直接連接則可能因?yàn)閴毫堑脑?，是?dǎo)軌滑塊產(chǎn)生磨損破壞，影響實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的跟隨精度。因此引入連桿組的作用便是減小壓力角，并且在

53、突然“大狗”突起、急停之時(shí)能夠給與一定的緩沖。 此處選用的連桿類(lèi)型為自潤(rùn)滑襯套壓入型，且為雙襯套型的LNMWB，=12mm，=12mm，=90mm，外形如圖3-26所示，自潤(rùn)滑襯套如圖3-27所示。其連桿組組裝如圖3-28所示，與滑塊組裝如圖3-29所示。 圖3-26 圖3-27 圖3-28 圖3-29 算例結(jié)果 名稱(chēng) 類(lèi)型 最小 位置 最大 位置 應(yīng)力1 VON:von Mises 應(yīng)力 0 N/m^2

54、 節(jié): 3761 (59.1856 mm, -1.45418 mm, -28.0222 mm) 32914.9 N/m^2 節(jié): 8972 (-13.0131 mm, -3.82635 mm, -3.04358 mm) 位移1 URES:合位移 0 mm 節(jié): 3761 (59.1856 mm, -1.45418 mm, -28.0222 mm) 1.06747e-007 mm 節(jié): 3369 (62.8932 mm, 0.642308 mm, -6.46025 mm) 應(yīng)變1 ESTRN :對(duì)等應(yīng)變 0 單元: 2207 (56.6306

55、 mm, 8.86769 mm, -28.1587 mm) 6.37181e-008 單元: 1702 (57.1119 mm, -3.42093 mm, 1.99578 mm) 應(yīng)變2 ESTRN :對(duì)等應(yīng)變 0 節(jié): 3761 (59.1856 mm, -1.45418 mm, -28.0222 mm) 1.33749e-007 節(jié): 8972 (-19.3856 mm, -3.71512 mm, -3.04358 mm) 位移2 URES:合位移 0 mm 節(jié): 3761 (59.1856 mm, -1.45418 mm, -28

56、.0222 mm) 1.06747e-007 mm 節(jié): 3369 (62.8932 mm, 0.642308 mm, -6.46025 mm) 應(yīng)力2 VON:von Mises 應(yīng)力 0 N/m^2 節(jié): 3761 (59.1856 mm, -1.45418 mm, -28.0222 mm) 32914.9 N/m^2 節(jié): 8972 (-13.0131 mm, -3.82635 mm, -3.04358 mm) 連桿-算例 應(yīng)力-應(yīng)力1 圖3-30 連桿-算例 位移-位移1 圖3-31 連桿-算例 應(yīng)變-應(yīng)變1 圖3-

57、32 結(jié)論 此連桿設(shè)計(jì)在受到500N的拉力情況下無(wú)論從應(yīng)力、位移還是應(yīng)變上都能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。 6 其他零部件設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的移動(dòng)要通過(guò)可以保證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)順暢移動(dòng)的零部件來(lái)完成，因此此設(shè)計(jì)選用的是一個(gè)萬(wàn)向腳輪來(lái)完成，其型號(hào)為HSMC─65，如圖3-24所示。 圖3-33 另外滑塊檔桿與吊桿的連接處也是另外一種新的零件，選擇了HBLBS6b，如圖3-25所示，之所以選擇這種而不是上面所提到的如圖3-11所示的連接件是因?yàn)榛瑝K在最底端時(shí)需要與下面的鋁合金桿件先接觸而不是與連接件相碰撞。另外其連接桿件的方式如圖3-26所示。 圖3-34

58、 圖3-35 除此之外還有兩個(gè)自己設(shè)計(jì)的零部件，軸承座如圖3-27所示與連桿底座如圖3-28所示。 圖3-36 圖3-37 3.5四足仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)仿真 首先將“大狗”置于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)當(dāng)中通過(guò)自身的軀干的側(cè)邊螺孔座與連桿組件相連，得到如圖3-28所示的效果。 圖3-28 由于，對(duì)于“大狗”而言其跳躍的步態(tài)為最為困難的部分，在此對(duì)“大狗”的跳躍步態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)單的仿真，首先，假設(shè)圖3-28為初始狀態(tài)，在跳躍的過(guò)程當(dāng)中，軀干不發(fā)生任何旋轉(zhuǎn)，如圖3-29。 圖3-29 在這里

59、，大狗的跳躍步伐以前后雙足交替抬起為特點(diǎn)，并且每次雙前腿（雙后腿）是同步的，也如圖3-29所示。而實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的作用則是通過(guò)圖3-29中所示的連桿組件與“大狗”相連，在這里起到一個(gè)與“大狗”運(yùn)動(dòng)同步的作用，其主要傳遞大狗的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)還能小范圍的緩沖大狗的垂直方向運(yùn)動(dòng)，為滑塊的垂直移動(dòng)提供支持。這樣在“大狗”將進(jìn)行移動(dòng)的時(shí)候，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)就能夠通過(guò)連桿組件、滑塊、懸架等將“大狗”的運(yùn)動(dòng)傳遞到滾輪上，期間通過(guò)連桿與導(dǎo)軌滑塊來(lái)平衡掉“大狗”給實(shí)驗(yàn)平臺(tái)“帶來(lái)”的豎直位移，這樣就能夠與“大狗”的運(yùn)動(dòng)保證實(shí)時(shí)同步，以達(dá)到動(dòng)態(tài)保護(hù)的作用。 另外，還有一些諸如對(duì)角小跑，溜蹄等步態(tài)的仿真在此就不做贅述。所有的動(dòng)態(tài)

60、仿真，基本上遵循的原則就是旋轉(zhuǎn)加移動(dòng)，在不同的幀上定義相應(yīng)的動(dòng)作即可實(shí)現(xiàn)四足機(jī)器人與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組裝體的動(dòng)態(tài)仿真。 5總結(jié) 四足仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性在四足仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的。四足仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性對(duì)四足仿生機(jī)器人的等效運(yùn)動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)都有著重要的指導(dǎo)作用。了解四足仿生機(jī)器人的這些運(yùn)動(dòng)特性，在一定的工作條件下，我們就可以得出四足仿生機(jī)器人的工作狀態(tài)，進(jìn)而設(shè)計(jì)出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 四足仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步態(tài)有比較多種，工作環(huán)境也是各種各樣，不同的步態(tài)與不同的工作環(huán)境，對(duì)四足仿生機(jī)器人的工作狀態(tài)都有著至關(guān)重要的影響，進(jìn)而影響到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)。但是，此次設(shè)計(jì)的所需要實(shí)現(xiàn)的基本功

61、能主要包括：?jiǎn)蜸LIP模型彈跳運(yùn)動(dòng)不間斷測(cè)試；雙SLIP模型彈跳及俯仰運(yùn)動(dòng)測(cè)試；四SLIP模型橫滾橫移及常規(guī)步態(tài)不間斷測(cè)試。工作環(huán)境不定，因此所需的步態(tài)并不復(fù)雜，工作環(huán)境也可以相對(duì)理想化一些為平面。由此得出的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)只要滿(mǎn)足機(jī)器人保證兩個(gè)自由度的前提下出現(xiàn)小范圍立體擾動(dòng)的工作條件即可。 在建模的過(guò)程當(dāng)中，由于MiSUMi標(biāo)準(zhǔn)件的引入使得對(duì)于零件的選型是一個(gè)比較麻煩的問(wèn)題。因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)思路成型之后，很難與自己最初的設(shè)想有相符的零件存在，也可能是自己的經(jīng)驗(yàn)太少，沒(méi)有充分考慮零件的加工條件。另外，在運(yùn)動(dòng)模型仿真的過(guò)程當(dāng)中，由于在裝配零部件的時(shí)候裝配出了點(diǎn)問(wèn)題導(dǎo)致最終的模型不能很好的進(jìn)行仿真，最

62、終還是重新裝配后才得以實(shí)現(xiàn)。有以上兩點(diǎn)總結(jié)出在今后的設(shè)計(jì)過(guò)程中，注重對(duì)于經(jīng)驗(yàn)的積累，同時(shí)加強(qiáng)裝配體的配合干涉等問(wèn)題。 本論文主要介紹對(duì)四足仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性與等效運(yùn)動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)。希望這個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的思路能夠?qū)λ淖惴律鷻C(jī)器人設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)起到幫助作用。 致謝 本論文是在導(dǎo)師羅欣老師，韓斌博士，的悉心指導(dǎo)下完成的。他們?cè)谖疫M(jìn)行課題研究及論文寫(xiě)作過(guò)程中都給予了極大的指導(dǎo)和鼓勵(lì)，在論文的研究過(guò)程中富有指導(dǎo)性和啟發(fā)性的建議使本文得以順利完成，韓師兄的每一次切身的指導(dǎo)都推動(dòng)著論文的發(fā)展，使我的思路更加開(kāi)闊。羅老師淵博的學(xué)識(shí)水平，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)風(fēng)范，勤勉的工作精神都使我受益匪淺。在此向?qū)煴硎旧?/p>

63、深的謝意和崇高的敬意。 在我的研究過(guò)程中也得到了同組其他同學(xué)的關(guān)心和幫助，如周博、洪漢、別永超、黃鑫等，他們?cè)谖艺n題完成過(guò)程中所給予了莫大支持與鼓勵(lì)，同時(shí)在收尾階段又給予了理論支援，在此一并向他們表示由衷的感謝。 付國(guó)忠 20011年6月9日 參考文獻(xiàn) [1] McGhee. R. B. Robot locomotion[A].

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