四足机器人行走机构设计与动态仿真
摘 要综合调查表明，在地球上有时候并不适合传统的轮式或者履带式车辆行走，但是多足机器人却能在崎岖的地面上稳定行走。因此多足机器人的研究得到了广泛的推广。又因为四足机器人比双足机器人行走更加稳定，而且又比六足机器人的结构更加简单，方便设计。所以四足机器人的研究得到了许多国内外专家的青睐，已经逐渐成为多足机器人研究的热门领域。本文首先是分析了国内外传统四足机器人的机构设计，并且根据其优点与不足，提出了相关的备选方案改进，并最终提出了自己的总体结构方案。其次，通过对四足机器人的整体结构、工作原理等的分析，本次采用UG对我所设计出来的四足机器人进行整体的三维建模。并且利用集融合结构、热、流体、电磁、声学与一体的大型通用有限元分析软件ANSYS对关键部位进行了强度校核。最后，根据四足机器人的结构，进行了相应的步态规划设计，建立了四足机器人的虚拟样机，并且利用动力学仿真软件ADAMS对其进行了仿真研究，得到了机器人的重心位移曲线图和相关结果。关键词：四足机器人；机构设计；有限元分析；步态规划；ADAMS目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 国内外四足机器人研究现状 1
1.2.1 国外四足机器人研究现状 1
1.2.2我国四足机器人研究概况 3
1.3 课题的目的和意义 5
1.4 本课题主要研究内容 5
第二章 四足机器人总体结构设计 6
2.1 引言 6
2.2 四足机器人的结构组成 6
2.3 四足机器人驱动选择 6
2.4 四足机器人的总体机构方案 8
2.5 本章小结 9
第三章 四足机器人建模及其关键结构强度分析 10
3.1 引言 10
3.2 四足机器人三维建模 10
3.3四足机器人联轴件校核分析 11
3.4四足机器人腿部校核分析 17
3.5本章小结 22
第四章 四足机器人步态规划 23
4.1 引言 23
4.2步态基本概念 23
4.3 稳定性分析 24
4.4 步态规划 25
4.5
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/> 3.2 四足机器人三维建模 10
3.3四足机器人联轴件校核分析 11
3.4四足机器人腿部校核分析 17
3.5本章小结 22
第四章 四足机器人步态规划 23
4.1 引言 23
4.2步态基本概念 23
4.3 稳定性分析 24
4.4 步态规划 25
4.5本章小结 26
第五章 四足机器人步态仿真 28
5.1 引言 28
5.2 UG文件导入ADAMS 28
5.3 添加约束 29
5.4接触力 30
5.5添加驱动 30
5.6本章小结 32
结 论 33
致 谢 34
参考文献 35
第一章 绪论
1.1 引言
现在的移动机器人如果是按照移动方式大体可以分为两大类：一，轮式移动机器人;二，基于仿生技术的仿生机器人。而运动仿生机器人按照其移动方式可以分为足式移动、蛇行、蠕动、扑翼飞行和游动等形式，其中足式机器人逐渐成为研究的最多的一类仿生机器人。
在地球上，有大约50%以上的地形，比如草地湿地、森林、山林、崎岖的高原中拥有巨大的资源，但是轮式或者履带式的车轮是无法到达的[1]，为了可持续发展，我们要通过一种有效的方式，既能够摸索到这些资源，然后进行加工为人类造福。也能够避免对环境的毁坏。这时候足式机器人就因为其功能和行动方面的优势得到人们的青睐。所以相关的科研工作者越来越把更多的精力投入到足式机器人的研究中去。至今为止，研制成功的足式机器人有一足，二足，四足，六足，八足等系列，大于八足的研究的很少。
古人的智慧是无穷的，曾经长期作为人类交通工具的牛，马，骆驼，驴等四足动物因其尤其突出的自由行走能力和较好的负载能力，得到人们的重视，并且成为专家主要的仿生对象。纵观古今，不难发现四足机器人的研究具有极高的实用价值和社会意义。
1.2 国内外四足机器人研究现状
1.2.1 国外四足机器人研究现状
进入20世纪60年代，才开始四足机器人的研究。科学正处于不断的发展和变化之中，已经成为一种事实。而机器人技术当然也是不断提高到一个更高的层面。不过，历经20多年的发展进步，机器人的研究才开始迅速发展起来。
当我们涉及到四足步行机器人这个话题的时候，我们不得不提到 Frank 和 McGhee [2]，他们是早期研究机器人比较出名的两个专家。该机器人具有比较良好的运动特性，当然凡事都有它的优势和劣势，该机器人部分机构是由电路板通过计算机来操作的，所以大部分情况下，它的行为会受到一定的约束，只能以某一种单一的模式展示给我们。
20世纪80和90年代初期，轰动一时的ShigeoHirose实验室研发成功了一种叫做TITTAN系列的四足机器人，它是日本的科研成果，不过在当时已经处于领先水平了。它的腿步安装上了一种具有记忆功能的芯片，可以实现探测它的足部与地面产生的一系列的碰撞的情况。然后根据一些相关情况，这种系列的机器人好像有自己的意识一样，做出自己的判断。从而实现在崎岖地面的稳定行走。而TITANVI[3]机器人采用的是新型直动腿部结构，从而可以简化腿部的结构，避免了不少的问题，如腿部间的关键部位会发生碰撞，或者发生接触，利用双级变速的方法发动机器人。
图11: TekkenVI 机器人
美国实验室研制的BigDog成为了当代的典范之作。（如下图12）这种机器人无论是怎么样的地形都能够依据自身的优势去实现爬行，而且它能够载重很大的重量，实现较大角度的行走。当然它也是一种比较高能的机器人，它的腿部实际上安装了很多的接触器之类的科技设备，能够通过电来控制它的一般性的规律运动。当然作为一种比较先进的机器人，它的优势在于自控能力很强，智能化程度较高，能够实现比较稳定的行走。但是，由于它需要能量的补充，需要背负一个较大的容器，所以机器人在地面上步行的时候机器内部会发出非常刺耳的声音。
图12: BigDog
1.2.2我国四足机器人研究概况
我国对于四足机器人的研究是从20世纪80年代开始的，1985年之后，中科院沈阳自动化研究所，上海交通大学，清华大学，华中科技大学，哈尔滨工业大学等都对机器人的研究和发展有了自己的成果。
通过对哺乳动物的运动机理的模仿，清华大学所研究的四足机器人Biosbot[4]取得了成功,如图13，它所采用的是非闭合的连杆机构作为机器人的步行机构，从而实现一定的规律性的行走，可以勘察不同地面环境，进行自动的调节。当然也有其不足之处，因为其本身的结构可能未得到有效的简化，所以自身的重量较大，从而导致它躯干上面不能添加较大载荷的物体。
图13: Biosbot
历时3年，上海交通大学机器人研究所通过不懈的努力，终于在1991年成功研制了我国第一台全方位四足机器人JTUWMII[5]，随后经过不断的研究与改进，又成功研发了动态步行机器人JTUWMIII[6],如下图所示。它的腿部中关节是非闭合的，运动关节是纵向的，髋关节部分既有横向的运动又有纵向的运动。其每一个脚上有3个自由度，一共1
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 国内外四足机器人研究现状 1
1.2.1 国外四足机器人研究现状 1
1.2.2我国四足机器人研究概况 3
1.3 课题的目的和意义 5
1.4 本课题主要研究内容 5
第二章 四足机器人总体结构设计 6
2.1 引言 6
2.2 四足机器人的结构组成 6
2.3 四足机器人驱动选择 6
2.4 四足机器人的总体机构方案 8
2.5 本章小结 9
第三章 四足机器人建模及其关键结构强度分析 10
3.1 引言 10
3.2 四足机器人三维建模 10
3.3四足机器人联轴件校核分析 11
3.4四足机器人腿部校核分析 17
3.5本章小结 22
第四章 四足机器人步态规划 23
4.1 引言 23
4.2步态基本概念 23
4.3 稳定性分析 24
4.4 步态规划 25
4.5
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
/> 3.2 四足机器人三维建模 10
3.3四足机器人联轴件校核分析 11
3.4四足机器人腿部校核分析 17
3.5本章小结 22
第四章 四足机器人步态规划 23
4.1 引言 23
4.2步态基本概念 23
4.3 稳定性分析 24
4.4 步态规划 25
4.5本章小结 26
第五章 四足机器人步态仿真 28
5.1 引言 28
5.2 UG文件导入ADAMS 28
5.3 添加约束 29
5.4接触力 30
5.5添加驱动 30
5.6本章小结 32
结 论 33
致 谢 34
参考文献 35
第一章 绪论
1.1 引言
现在的移动机器人如果是按照移动方式大体可以分为两大类：一，轮式移动机器人;二，基于仿生技术的仿生机器人。而运动仿生机器人按照其移动方式可以分为足式移动、蛇行、蠕动、扑翼飞行和游动等形式，其中足式机器人逐渐成为研究的最多的一类仿生机器人。
在地球上，有大约50%以上的地形，比如草地湿地、森林、山林、崎岖的高原中拥有巨大的资源，但是轮式或者履带式的车轮是无法到达的[1]，为了可持续发展，我们要通过一种有效的方式，既能够摸索到这些资源，然后进行加工为人类造福。也能够避免对环境的毁坏。这时候足式机器人就因为其功能和行动方面的优势得到人们的青睐。所以相关的科研工作者越来越把更多的精力投入到足式机器人的研究中去。至今为止，研制成功的足式机器人有一足，二足，四足，六足，八足等系列，大于八足的研究的很少。
古人的智慧是无穷的，曾经长期作为人类交通工具的牛，马，骆驼，驴等四足动物因其尤其突出的自由行走能力和较好的负载能力，得到人们的重视，并且成为专家主要的仿生对象。纵观古今，不难发现四足机器人的研究具有极高的实用价值和社会意义。
1.2 国内外四足机器人研究现状
1.2.1 国外四足机器人研究现状
进入20世纪60年代，才开始四足机器人的研究。科学正处于不断的发展和变化之中，已经成为一种事实。而机器人技术当然也是不断提高到一个更高的层面。不过，历经20多年的发展进步，机器人的研究才开始迅速发展起来。
当我们涉及到四足步行机器人这个话题的时候，我们不得不提到 Frank 和 McGhee [2]，他们是早期研究机器人比较出名的两个专家。该机器人具有比较良好的运动特性，当然凡事都有它的优势和劣势，该机器人部分机构是由电路板通过计算机来操作的，所以大部分情况下，它的行为会受到一定的约束，只能以某一种单一的模式展示给我们。
20世纪80和90年代初期，轰动一时的ShigeoHirose实验室研发成功了一种叫做TITTAN系列的四足机器人，它是日本的科研成果，不过在当时已经处于领先水平了。它的腿步安装上了一种具有记忆功能的芯片，可以实现探测它的足部与地面产生的一系列的碰撞的情况。然后根据一些相关情况，这种系列的机器人好像有自己的意识一样，做出自己的判断。从而实现在崎岖地面的稳定行走。而TITANVI[3]机器人采用的是新型直动腿部结构，从而可以简化腿部的结构，避免了不少的问题，如腿部间的关键部位会发生碰撞，或者发生接触，利用双级变速的方法发动机器人。
图11: TekkenVI 机器人
美国实验室研制的BigDog成为了当代的典范之作。（如下图12）这种机器人无论是怎么样的地形都能够依据自身的优势去实现爬行，而且它能够载重很大的重量，实现较大角度的行走。当然它也是一种比较高能的机器人，它的腿部实际上安装了很多的接触器之类的科技设备，能够通过电来控制它的一般性的规律运动。当然作为一种比较先进的机器人，它的优势在于自控能力很强，智能化程度较高，能够实现比较稳定的行走。但是，由于它需要能量的补充，需要背负一个较大的容器，所以机器人在地面上步行的时候机器内部会发出非常刺耳的声音。
图12: BigDog
1.2.2我国四足机器人研究概况
我国对于四足机器人的研究是从20世纪80年代开始的，1985年之后，中科院沈阳自动化研究所，上海交通大学，清华大学，华中科技大学，哈尔滨工业大学等都对机器人的研究和发展有了自己的成果。
通过对哺乳动物的运动机理的模仿，清华大学所研究的四足机器人Biosbot[4]取得了成功,如图13，它所采用的是非闭合的连杆机构作为机器人的步行机构，从而实现一定的规律性的行走，可以勘察不同地面环境，进行自动的调节。当然也有其不足之处，因为其本身的结构可能未得到有效的简化，所以自身的重量较大，从而导致它躯干上面不能添加较大载荷的物体。
图13: Biosbot
历时3年，上海交通大学机器人研究所通过不懈的努力，终于在1991年成功研制了我国第一台全方位四足机器人JTUWMII[5]，随后经过不断的研究与改进，又成功研发了动态步行机器人JTUWMIII[6],如下图所示。它的腿部中关节是非闭合的，运动关节是纵向的，髋关节部分既有横向的运动又有纵向的运动。其每一个脚上有3个自由度，一共1
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