复杂环境下四足机器人的结构设计(附件)【字数：9388】
摘 要机器人技术综合了多学科的发展成果，代表了高技术的发展前沿，它在人类生活应用领域的不断扩大，正引起国际上重新认识机器人技术的作用和影响。机器人集力学、机械工程学、电子学、计算机科学和自动控制为一体，是一门综合性学科。控制是机器人设计的其中一个重要部分，本论文就四足爬行机器人的步行机构的设计作了阐述。四足机器人关节具有传动原理简单、结构凑紧、所占空间体积小、相对的工作空间大等优点。综合以上几点考虑，以及为了提高生产效率和降低劳动强度，满足特定的工作要求，课题设计了四足爬行机器人，采用了电机驱动，实现了各个关节的摆动。由于驱动电机的个数与腿部自由度的个数是紧密联系的，因此来简化整个系统的动力学与运动学的分析。在总结机器人关节构型的优缺点基础上，选用了由电机驱动的多自由度爬行机器人。四足爬行机器人采用开环关节连杆机构主要是因为机构具有结构简单、运行平稳、无死点等诸多优点，使运动更加平稳流畅，选用的驱动为舵机，这是因为舵机具有较好的机械特性和调节特性、调速范围广、启动平稳、寿命长、噪声小等优点。在选材方面,为了使机器人重量较轻,以及腿部能够灵活的运动,故选取轻型材料，传动精度高、重量轻的特点。设计中大多采用了常用件，降低了设计和制造的成本。
Keywords ：quadruped robot; multijoint; crawling robot 目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景及意义 1
1.1.1课题背景 1
1.1.2 国内外发展现状 1
1.2 课题任务、重点研究内容 3
1.2.1 主要任务 3
1.2.2 重点研究内容 3
第二章 机构总体设计 5
2.1 自由度 5
2.2 腿部机构整体方案的设计 5
2.2 .1 常见腿部机构方案 6
2.2.2 腿部机构选定 7
2. 3关节机构的设计 7
2.3.1髋关节结构设计与分析 7
2.3.2 膝关节结构设计与分析 8
2.3.3 足部结构分析 8
2.4 本章小结 9
第三章 关键零部件的机械结构设计 10
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
3.1总体尺寸 10
3.2小臂 10
3.3 大臂 11
3.4 舵机架 11
3.5 舵盘 12
3.5 本章小结 13
第四章 关节驱动选择及分析 14
4.1 驱动方式的选择 14
4.1.1 驱动方式的比较 14
4.1.2驱动方式的最终选定 14
4.2 舵机 14
4.2.1 舵机简介 14
4.2.2舵机工作原理 15
4.2.3 舵机控制方式 16
4.3 舵机选型 17
4.4本章小结 18
结论与展望 19
致 谢 20
参考文献 21
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
1.1.1课题背景
在自然界或者人类社会中，存在人类无法到达的地方和可能危机人类生命的特殊场合，如工地，防灾救援现场等许多领域，对这些复杂环境的不断探索和研往往需要有机器人的介入[1]。与轮式或履带式机器人相比，由于足式机器人的立足点是离散的点，可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点，足式机器人对崎岖路面也具有很好的适应能力。常见的足式步行机器人包括双足步行机器人，四足步行机器人，六足步行机器人，八足步行机器人等。其中四足步行机器人是一种对复杂地形具有高度适应性和具有实际应用价值的移动机器人，比双足步行机器人承载能力强，稳定性好。同时又比六足，八足步行机器人结构简单，因此受到各国研究人员的普遍重视。
四足机器人是一门集仿生学，机械学及控制工程学等多学科融合交汇的综合性的学科。不仅涉及到线性，非线性，基于多种传感器信息控制以及实施控制技术，而且还囊括了复杂机电系统的建模，数字仿真技术及混合系统的控制研究等方面的技术。其发展往往代表一个国家的科技实力和机电一体化的最新产品。
1.1.2 国内外发展现状
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阶段。世界上第一台真正意义的四足步行机器人是由Frank和McGee于1977年制作的。该机器人具有较好的步态运动稳定性，但缺点是，该机器人的关节是由逻辑电路组成的状态机控制的，因此机器人的运动受限制，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Shindig Hiroshima实验室研制的TITAN系列。1981~1984年Hiroshima教授研制成功脚步装有传感和信号处理系统TITANIII。它的脚底步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步行。TITANVI机器人采用新型的直动性腿机构，避免了上楼梯过程中两腿的干涉，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。
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图11 TITANVIII机器人
20002003年，日本电气通信大学的木村浩等人研制成功了具有宠物狗外形的机器人Tentative,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。Tentative能够实线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。
目前最具代表性的四组步行机器人是美国Boston Dynamics实验室研制的BigDog，它能以不同的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控制。该机器人机动性和反应能力都很强，平衡能力极佳。但由于汽油发电机需携带油箱，故工作时受环境影响大，可靠性差。另外，当机器人行走时引擎会发出怪异的噪音。
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Keywords ：quadruped robot; multijoint; crawling robot 目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景及意义 1
1.1.1课题背景 1
1.1.2 国内外发展现状 1
1.2 课题任务、重点研究内容 3
1.2.1 主要任务 3
1.2.2 重点研究内容 3
第二章 机构总体设计 5
2.1 自由度 5
2.2 腿部机构整体方案的设计 5
2.2 .1 常见腿部机构方案 6
2.2.2 腿部机构选定 7
2. 3关节机构的设计 7
2.3.1髋关节结构设计与分析 7
2.3.2 膝关节结构设计与分析 8
2.3.3 足部结构分析 8
2.4 本章小结 9
第三章 关键零部件的机械结构设计 10
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
3.1总体尺寸 10
3.2小臂 10
3.3 大臂 11
3.4 舵机架 11
3.5 舵盘 12
3.5 本章小结 13
第四章 关节驱动选择及分析 14
4.1 驱动方式的选择 14
4.1.1 驱动方式的比较 14
4.1.2驱动方式的最终选定 14
4.2 舵机 14
4.2.1 舵机简介 14
4.2.2舵机工作原理 15
4.2.3 舵机控制方式 16
4.3 舵机选型 17
4.4本章小结 18
结论与展望 19
致 谢 20
参考文献 21
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
1.1.1课题背景
在自然界或者人类社会中，存在人类无法到达的地方和可能危机人类生命的特殊场合，如工地，防灾救援现场等许多领域，对这些复杂环境的不断探索和研往往需要有机器人的介入[1]。与轮式或履带式机器人相比，由于足式机器人的立足点是离散的点，可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点，足式机器人对崎岖路面也具有很好的适应能力。常见的足式步行机器人包括双足步行机器人，四足步行机器人，六足步行机器人，八足步行机器人等。其中四足步行机器人是一种对复杂地形具有高度适应性和具有实际应用价值的移动机器人，比双足步行机器人承载能力强，稳定性好。同时又比六足，八足步行机器人结构简单，因此受到各国研究人员的普遍重视。
四足机器人是一门集仿生学，机械学及控制工程学等多学科融合交汇的综合性的学科。不仅涉及到线性，非线性，基于多种传感器信息控制以及实施控制技术，而且还囊括了复杂机电系统的建模，数字仿真技术及混合系统的控制研究等方面的技术。其发展往往代表一个国家的科技实力和机电一体化的最新产品。
1.1.2 国内外发展现状
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阶段。世界上第一台真正意义的四足步行机器人是由Frank和McGee于1977年制作的。该机器人具有较好的步态运动稳定性，但缺点是，该机器人的关节是由逻辑电路组成的状态机控制的，因此机器人的运动受限制，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Shindig Hiroshima实验室研制的TITAN系列。1981~1984年Hiroshima教授研制成功脚步装有传感和信号处理系统TITANIII。它的脚底步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步行。TITANVI机器人采用新型的直动性腿机构，避免了上楼梯过程中两腿的干涉，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。
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图11 TITANVIII机器人
20002003年，日本电气通信大学的木村浩等人研制成功了具有宠物狗外形的机器人Tentative,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。Tentative能够实线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。
目前最具代表性的四组步行机器人是美国Boston Dynamics实验室研制的BigDog，它能以不同的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控制。该机器人机动性和反应能力都很强，平衡能力极佳。但由于汽油发电机需携带油箱，故工作时受环境影响大，可靠性差。另外，当机器人行走时引擎会发出怪异的噪音。
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