四足机器人系统设计Word文档格式.docx

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1.3机器人学主要涉及的学科内容4

1.4课题简介5

2.机器人系统总体设计6

2.1机器人系统结构概述6

2.2四足机器人研发流程7

2.3四足机器人系统结构设计9

3.四足机器人机械系统的结构设计技术10

3.1机器人机械设计的内容及特点10

3.2机械结构总体设计11

3.3行走机构的研究13

3.4行走机构的设计计算19

3.5转弯机构的设计24

3.6腱机构28

3.7机器人的外形设计28

3.8驱动系统的设计29

4.控制系统的硬件设计35

4.1传感器35

4.2控制器36

4.3控制系统39

5.控制系统的软件设计42

5.1行走系统软件设计42

5.2转弯控制系统软件设计43

总结47

参考文献49

致谢51

凸轮控制驱动式的四足机器人系统设计

1.引言

1.1机器人及其相关技术的发展

自从人类制造出了一电子计算机为代表的各种信息处理和计算的工具，进一步拓展和延伸了人类大脑的功能。

机器人的诞生和相关技术的发展，成为二十世纪人类科学技术的重大成就之一。

1920年，捷克作家卡雷尔·

佩克（KarelCapek）在其幻想情节剧《罗沙姆的万能机器人》中描述了一个名为R.U.R的工厂，将人类从繁重而乏味的工作中解放出来，制造出一种与人类相似，但能不知疲倦工作的机器奴仆，取名ROBOTA。

Robot（机器人）一词由此演化而来。

1960年，美国Unimation公司根据Devol的专利技术研制出了第一台工业机器人样机，并定型生产Unimate工业机器人。

1962年，美国的GeneralMotors公司在压铸件生产线上安装了第一台工业Unimate机器人,标志着第一代机器人的正式诞生。

在此后的五十多年里，机器人技术取得了突飞猛进的发展，表1—1是近代机器人发展的重大事件的时间表。

时间

事件

1954年

1960年

1968年

1970年1978年

1984年

1998年

2002年

2006年

GeorgeDevol开发出第一台可编程机器人；

Unimation公司推出第一台工业机器人；

第一台智能机器人Shakey在斯坦福研究所（SRI）诞生；

ETL公司发明带视觉的自适应机器人；

美国推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人技术已经成熟；

机器人Helpmate问世，该机器人能在医院里为病人送饭、送邮件等；

丹麦乐高公司推出机器人（Mind-storms）套件；

iRobot公司推出吸尘机器人Roomba，是世界上销量最大的家用机器人；

微软公司推出的MicrosoftRoboticsStudio，机器人模块化、平台化的趋势越来越明显，比尔•盖茨预言，家用机器人会很快席卷全球。

1.2国内外四足行走机器人得研究概况

目前，常见的步行机器人以两足式、四足式、六足式应用较多。

其中，四足步行机器人机构简单且灵活，承载能力强、稳定性好，在抢险救灾、探险、娱乐及军事等许多方面有很好的应用前景，其研制工作一直受到国内外的重视。

本文介绍了国内外在机构设计、步态、控制等方面已经取得的进展，并分析了其中的关键技术。

最后，归纳总结了未来四足步行机器人的几个发展趋势，以期对以后的研究工作具有指导作用。

20世纪60年代，四足步行机器人的研究工作开始起步。

随着计算机技术和机器人控制技术的研究和应用，到了20世纪80年代，现代四足步行机器人的研制工作进入了广泛开展的阶段。

世界上第一台真正意义的四足步行机器人是由Frank和McGhee于1977年制作的。

该机器人具有较好的步态运动稳定性，但其缺点是，该机器人的关节是由逻辑电路组成的状态机控制的，因此机器人的行为受到限制，只能呈现固定的运动形式。

20世纪80、90年代最具代表性的四足步行机器人是日本ShigeoHirose实验室研制的TITAN系列。

1981～1984年Hirose教授研制成功脚部装有传感和信号处理系统的TITAN-III。

它的脚底部由形状记忆合金组成，可自动检测与地面接触的状态姿态传感器和姿态控制系统根据传感信息做出的控制决策，实现在不平整地面的自适应静态步行。

TITAN-Ⅵ机器人采用新型的直动型腿机构，避免了上楼梯过程中各腿间的干涉，并采用两级变速驱动机构，对腿的支撑相和摆动相分别进行驱动。

机器人Tekken-IV，如1—3所示。

它的每个关节安装了一个光电码盘、陀螺仪、倾角计和触觉传感器。

系统控制是由基于CPG的控制器通过反射机制来完成的。

Tekken-IV能够实现不规则地面的自适应动态步行，显示了生物激励控制对未知的不规则地面有自适应能力的优点。

它的另一特点是利用了激光和CCD摄像机导航，可以辨别和避让前方存在的障碍，能够在封闭回廊中实现无碰撞快速行走。

目前最具代表的四足步行机器人是美国Bostondynamics实验室研制的BigDog，如图1—4所示。

它能以不同步态在恶劣的地形上攀爬，可以负载高达52KG的重量，爬升斜坡可达35°

。

其腿关节类似动物腿关节，安装有吸收震动部件和能量循环部件。

同时，腿部连有很多传感器，其运动通过伺服电机来控制。

该机器人机动性和反应能力都很强，平衡能力极佳。

图1-3Tekken-IV图1-4美国“机器骡子”

国内四足机器人研制工作从20世纪80年代起步，取得一定成果的研究机构有上海交通大学、清华大学、哈尔滨工业大学等。

图1-5JTUWM—III图1-6清华大学四足机器人

上海交通大学机器人研究所于1991年开展了JTUWM系列四足步行机器人的研究。

1996年该研究所研制成功了JTUWM—III，如1-5所示。

该机器人采用开式链腿机构，每条腿有3个自由度，它采用力和位置混合控制，脚底装有PVDF测力传感器，利用人工神经网络和模糊算法相结合，实现了对角线动态行走。

但其步行速度较慢，极限步速仅为1.7km/h；

另外，其负重能力有限，故在实际作业时实用性较差。

清华大学所研制的一款四足步行机器人，如图1-6所示。

它采用开环关节连杆机构作为步行机构，通过模拟动物的运动机理，实现比较稳定的节律运动，可以自主应付复杂的地形条件，完成上下坡行走、越障等功能。

不足之处是腿运动时的协调控制比较复杂，而且承载能力较小。

综上所述，美国、日本的研究最具代表性，其技术水平已经较为先进，实用化程度也在逐步提高。

国内四足步行机器的研究起步比较晚，在上个世纪90年代以后才逐步有了成果，但研究水平据世界先进水平还有差距。

1.3机器人学主要涉及的学科内容

机器人学主要涉及控制论、仿生机构学和人工智能三大基础学科。

1、人工智能

人工智能的研究，采用计算机科学的观点和方法，撇开人脑的细微结构，单纯进行人脑宏观功能的模拟。

人工智能是在20世纪50年代后半期，即电子计算机的发展已具备各种复杂工作能力是形成的。

2、电子技术

电子技术的进步，特别是微处理器、存储器及大规模集成电路的发展，使得机器人的控制能力提高，而体积减小。

另外，大容量晶体管、栅控闸流晶体管、场效应管等电子元件的开发，促进了机器人伺服驱动技术的发展。

3、传感技术

这是涉及很多学科领域的技术。

机器人有视觉、听觉和触觉等感觉，相应传感技术包括视觉系统的模式识别技术，环境的情景分析，三维位置测量技术和皮肤的感觉（如触觉、压觉等力的感觉），其他还有语音识别和自然语言理解等。

4、机械技术

机器人的手和足要能像人一样灵活动作，必须要有精密灵巧的机械装置。

小型高强度机械装置的研制，对机器人手、足机构的改进起到了很大的推动作用。

5、仿生机构技术

机器人作为一种拟人（动物）的自动机械装置，就应该像人（动物）一样有手脚，而且实现像人或动物一样以步行方式行走是机器人学研究领域最重要的一个方向。

因此，必须进行行走步态、重心转移、移动导向、稳定步行等仿生问题的研究。

机器人还涉及到其他领域，如材料科学、心理学等其他学科。

总之，机器人学是一门综合性的学科，它的发展和进步与其他相关学科的发展密切相关。

1.4课题简介

本课题所设计的是一种四足行走机器人。

目前国际上对四足行走机器人的研究相当热门，技术也已相当成熟，主要集中在电子宠物机器人领域，如前所述的日本及美国的机器狗，均标志着两国在机器人和机器动物研制领域已处于世界领先地位。

由于现实世界中，狗占据着宠物的“霸主”地位，故本课题选择狗的外形作为四足行走机器人外形的参考模型；

而且，狗作为人类的得力助手，在福利助残（导盲犬），对付犯罪（缉毒犬、警犬等）等方面能发挥重要的作用，故本课题的研究就具有重大的现实意义。

本课题的研究重点是设计一种四足行走行走机构，并设计了一种脊柱转弯机构，以这两种机构为基础，以狗外形作为外形参考模型，设计了一种四足行走机器人（机器狗）。

本课题的主要任务是提供一个比较完善的行走机器人机械系统，为开发完整的行走机器人系统提供硬件支持。

本课题所设计的机器人的腿机构技术性能如下：

腿机构的自由度：

3个

机构所含的运动副：

转动副、移动副

在支撑相①中，足端相对于机身运动状况：

理论上绝对水平匀速直线运动

支撑相相位角：

3π/2

悬空相②相位角：

π/2

机构的外形：

具有哺乳动物腿的外形

本课题所设计的机器人技术性能如下：

外形尺寸：

895*808*322

●电源：

12V镉-镍碱性蓄电池

●运动形式：

可前进、后退、左转、右转

●步距：

150mm（正常前进时）

●步行速度：

可变

●智能水平：

无（待开发）

●负载：

无

2.机器人系统总体设计

2.1机器人系统结构概述

机器人基本上是由机械本体结构、伺服驱动系统、计算机控制系统、传感系统、通信接口等部分组成。

1、机械本体结构：

从机构学的角度来分析，机器人的机械结构可以看作有一系列连杆通过旋转关节（或移动关节）连接起来的开式运动链。

2、关节伺服驱动系统：

机器人本体机械结构的动作靠的是关节驱动，机器人的关节驱动大多是基于闭环控制的原理来进行的。

常用的驱动单元是各种伺服电机，由于一般伺服电机的输出转速很高（1000r/min~10000r/min），因此，在电机与负载之间用一套传动装置来进行转速和转矩的匹配。

3、计算机控制系统：

各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后在每个采样周期给出。

计算机通过轨迹规划，得到空间轨迹在各采样时刻的数据，通过逆运动学计算把空间数据转变为各关节的指令值。

4．感知系统与通信接口：

机器人要正常地进行工作，必须与周围环境保持密切的联系。

除了关节伺服驱动系统中供反馈用的位置、速度、加速度的传感器（称为机器人的内部传感器），机器人还可配备视觉、力觉、触觉、接近觉等等多种类型的传感器（称为机器人的外部传感器），以及传感信号的采集处理系统。

2.2四足机器人研发流程

四足行走机器人的研发流程如图2-1所示。

首先，采用虚拟样机技术（vitualprototype），利用三维造型软件（PRO/E）建立机器人机械部分的三维实体模型；

然后利用动力学分析软件（ADAMS）建立机械系统的运动学和动力学模型，进行动力学仿真；

与此同时，进行四足机器人的控制、驱动和传感器子系统设计。

最后，对机器人各个系统进行集成、调试，根据调试的结果修改设计缺陷，对整个系统进行循环改进，直至获得最优设计方案后，再制作物理样机。

2.3四足机器人系统结构设计

任务：

本课题并未要求规划机器人的任务，因此，在本节系统规划中将其纳入机器人系统中，但在后续设计中并不进行具体设计。

环境：

机器人的移动机构形式取决于移动环境。

广义的移动环境包括气体环境、液体环境、固体环境和混合环境。

本课题所设计的机器人的移动环境是陆上表面环境。

其特点是表面较硬、凹凸不平、有障碍、独立（即环境不应因机器人的运动而改变）。

控制系统：

控制系统由计算机系统及相应的软件组成。

计算机系统可由二级或三级组成，由主计算机完成智能控制功能，从计算机产生行走控制信号。

本设计完成了从计算机子系统，实现了行走控制功能。

机器人本体：

机器人本体主要由三个部分组成：

动力装置（伺服电机）、减速装置、执行机构（行走机构、转弯机构）。

通过内部传感器（光电编码器等）将这三部分有机地结合在一起。

本课题中使用了直流伺服电机作为动力装置，12V蓄电池为系统提供能量；

也使用了齿轮副作为二级、三级减速；

使用了一种三自由度的平面关节式腿机构作为行走机构；

转弯功能通过一种脊柱机构完成。

系统集成：

要把以上四个部分结合在一起，构成一个有机的机器人系统，完成了如下工作：

利用计算机语言将任务“告诉”控制系统，经控制系统处理后，产生控制信号，经过接口电路，控制伺服电机动作，机器人在具体的环境中运动，与环境相互作用，通过外部传感器，将环境信息采集处理后传输给控制系统，控制系统指导机器人如何动作。

3.四足机器人机械系统的结构设计技术

机构设计是四足机器人系统设计的基础，整体机械结构、自由度数、驱动方式和传动机构等都会直接影响机器人的运动和动力性能。

同时四足机器人在机构设计除了需要满足系统的技术性能外，还需要满足经济性要求，即必须在满足机器人的预期技术指标的同时，考虑用材合理、制造安装简单以及可靠性高等问题。

3.1机器人机械设计的内容及特点

所谓“机械”，经典的定义就是“按确定的位置相互联结，并按一定的规律相对运动的机构或零件的组合体。

通过这种组合可以达到减轻或代替人的劳动，完成有用的机械功或转换机械能的目的”。

机器人的机械设计与一般的机械设计相比，许多方面是类似的，但是也有不少特殊之处。

首先，从机构学的角度来分析，机器人的机械结构可以看作有一系列连杆通过旋转关节（或移动关节）连接起来的开式运动链。

开链结构使得机器人的运动分析和静力分析复杂化，两相邻连杆坐标系之间的位姿关系、手臂末端操作器的位姿与各关节变量之间的关系、末端操作器上的受力和各关节力矩（或力）之间的关系等，均不是一般机构分析方法能解决得了的，而要建立一套针对空间开链机构的特殊的运动学、静力学分析方法。

末端的位置、速度、加速度和各关节力矩（或力）之间的关系是动力分析的主要内容，在开链结构中，每个关节的运动受到其他关节运动的影响，作用在每个关节上的重力负载和惯性负载随着手臂的形位变化，在高速情况下，还存在不容忽视的力心理和哥氏力的影响，因此，严格地讲，机器人是一个多输入多输出的非线性的强耦合的位置时变的动力学系统，动力学分析十分复杂，即使经过一定程度的简化，也区别于一般的机构分析方法。

其次，机器人的开链结构形式比期一般机构来说，虽在灵巧性和空间可达性等方面要好得多，但是由于开链结构相当于一系列悬臂杆件串联在一起，机械误差和弹性变形的累积，使机器人的刚度和精度大受影响，也就是说，这种形式的机器人在运动传递上存在先天的不足。

一般机械设计主要是强度设计，机器人的机械设计既要满足强度要求，又要考虑刚度和精度设计。

为了克服开链机构的缺陷，目前已发展了基于闭链结构的机器人。

再次，机器人的机械结构，特别是关节传动系统，使整个机器人伺服系统中的一个组成环节，因此，机器人的机械设计具有机电一体化的特点，比如，一般机械对运动部件的惯量控制只是从减少驱动功率着眼的，而对机器人来说，常从缩短机电时间常数、提高机器人的快速响应能力这一角度出发来控制惯量的。

再如，一般的机械设计中控制机械谐振频率是为了保证不破坏，而在机器人上，是从运动的稳定性、快速性等伺服性能角度来控制机械谐振频率的。

此外，与一般机械的设计相比，机器人的机械设计在结构的灵巧性、紧凑性等方面有更高的要求。

3.2机械结构总体设计

对于行走机器人来说，总体机械结构可分为三大部分：

行走机构、转弯机构、动力传输机构（伺服驱动系统）。

四足行走机器人机械系统结构简图如图3-1，机械系统结构三维实体图3-2:

1.后腿髋关节2.脊柱3.螺旋齿轮4.二级减速齿轮5.谐波齿轮减速器6.联轴节7.前腿髋关节8.大腿9.膝关节10.小腿11.伺服电机12.膝关节凸轮13.髋关节凸轮14.主凸轮

图3-1机械系统结构简图

设计说明：

1、脊柱中有四根钢丝，拉放这四根钢丝，可使脊柱在空间任意弯曲，从而使机体具有柔性。

拉放左右两根钢丝，可使机体左右转弯；

2、腿的运动过程如下：

伺服电机11的输出通过谐波齿轮减速器5、二级减速齿轮4、螺旋齿轮副3减速，使膝关节凸轮、髋关节凸轮、主凸轮转动，这些凸轮相互配合使腿按照一定的规律运动，从而实现机体的运动。

3、前后两腿通过联轴节6联接。

3.3行走机构的研究

3.3.1概述

在行走机器人机械系统设计中，最重要的是行走机构（腿）的设计。

因此，对行走机构进行研究很有必要。

从仿生学的角度出发，我们将行走机构称为“腿”。

在行走机器人研究中，人们多是着力于让机器采用类似于动物的腿的机构，即关节式机构。

3.3.2腿机构的基本要求

从运动角度出发，在行走过程中，一般要求处于支撑状态的足端（贴在地面的足端）相对于机身走直线轨迹，这样才不至于因机身重心上下波动而消耗不必要的能量，同时有利于各支撑足驱动时的协调运动和机身姿态的控制。

为了使行走机器人能在不平的地面上行走，以及腿复位的需要，腿的伸长（即足端相对于机身的高度）应该是可变的。

从机器人整体的行走性能出发，一方面要求机体能走出直线运动或平面曲线轨迹（在严重崎岖不平地面），另一方面要求能够转向。

当前进运动和转向运动均由腿的运动完成时，腿机构应不少于三个自由度，并且足端具备一个实体的工作空间。

当机体的运动由腿机构之外的其他独立的转向机构完成时，腿机构可以是两自由度的平面机构。

当机器人机体的推进和转向运动均由复合机架完成时，只要求单自由度的伸缩腿机构。

行走机器人的腿在行走过程中交替地支撑机体的重量，并在附中状态下推进机体向前运动，因此，腿机构必须具备与整机重量相适应的刚性和承载能力，只有这样，在不至于患“软骨病”。

3.3.3四足动物行走的特点

四足动物（如狗）正常行走（非奔跑状态）时，四条腿的协调动作顺序一般按对角线原则，即如左前腿→右后腿→左后腿→右前腿→左前腿→……如此循环下去。

在每一时刻，至少有三条腿着地，支撑着机体，即最多只有一条腿抬起，脚掌离地。

因此，对于每条腿的运动来说，脚掌离地时间与着地时间之比为1:

3。

3.3.4四足行走机器人腿机构的要求

根据如前所述的腿机构的基本要求以及四足动物行走的特点，对四足行走机器人腿机构提出如下要求：

1.腿的足端部相对于机体的运动轨迹形状应如“”。

直线段对应的就是足支撑机体的运动轨迹（支撑相），曲线段对应的是脚掌离开地面部分的足端运动轨迹（悬空相）。

2.为了不至于使机器人在运动的过程中，因机体上下颠簸而消耗不必要的能量，应保证要求1中的直线段有一定的直线度。

3.为了不至于使机器人在运动的过程中，因支撑机体的三条腿的足端运动速度不相等而产生摩擦，而消耗不必要的能量，应保证足端在要求1中的直线段上匀速运动。

4.对于要求1中曲线段，没有形状要求，但对其最高点有要求，即其高度决定了机器人在起伏不平的地面上的通过能力。

5.在要求1中，足端通过直线段的时间是通过曲线段的时间的3倍，即支撑相的相位角①为3π/2，悬空相的相位角为π/2。

6.按要求1～5设计的机器人的四条腿的协调动作顺序应遵循对角线原则，先后动作的两条腿的相位相差π/2。

3.3.5腿机构的形式

为了满足3.3.4中所设计的要求1~4，提出一种三自由度的的平面机构，如图3—3所示，来作为四足机器人的腿机构。

从仿生学的角度来说，我们可以将图3-3中的BC为称为小腿，B为大腿，称为髋骨；

称B为膝关节，称为髋关节。

下面对应的各参数：

E——髋关节偏距；

——小腿长；

——大腿长；

S——步长；

——髋关节转角；

——步距角①；

——膝关节转角；

该机构完成满足（3.3.4）中所述要求的运动的机理如下：

先令髋关节及膝关节不动,即=0、=0；

只向右移动移动关节A，则足端C沿着以O