六足机器人的设计毕业论文Word下载.docx
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3.1六足机器人的本体结构的建立……………………………………………………21
3.2Solidworks软件介绍………………………………………………………………21
3.3总图……………………………………………………………………………………22
3.4三维图…………………………………………………………………………………23
第四章总结与展望
4.1总结…………………………………………………………………………………28
4.2展望…………………………………………………………………………………28
参考文献………………………………………………………………………………29
致谢……………………………………………………………………………………30
第一章绪论
1.1六足步行机器人的介绍及背景
目前，用于在人类不宜、不便或不能进入的地域进行独立探测的机器人主要分两种，一种是由轮子驱动的轮行机器人，另一种是基于仿生学的步行机器人。
轮行机器人的不足之处在于对于未知的复杂自然地形，其适应能力很差，而步行机器人可以在复杂的自然地形中较为容易的完成探测任务。
因此多足步行机器人有广阔的应用前景，如军事侦察、矿山开采、核能工业、星球探测、消防及营救、建筑业等领域。
在步行机器人中，多足机器人是最容易实现稳定行走的。
在众多步行机器人中，模仿昆虫以及其他节肢动物们的肢体结构和运动控制策略而创造出的六足机器人是极具代表性的一种。
六足机器人与两足和四足步行机器人相比，具有控制结构相对简单、行走平稳、肢体冗余等特点，这些特点使六足机器人更能胜任野外侦查、水下搜寻以及太空探测等对独立性、可靠性要求比较高的工作。
国内外对六足机器人进行了广泛的研究，现在已有70多种六足机器人问世，由于六足仿生机器人多工作在非结构化、不确定的环境内，人们希望其控制系统更加灵活，并且具有更大的自主性。
同时六足仿生机器人肢体较多，运动过程中需要实现各肢体之间的协调工作，如何方便可靠的实现这种协调，也是六足仿生机器人结构设计研究的一个热点。
1.2六足步行机器人的发展现状
早期的六足机器人：
随着美国宇航总署对外太空探测计划的不断深入，迫切需要一种可以在未知复杂星球表面执行勘探任务的机器人。
由于六足机器人的所具有的这方面优点，使其早在上世纪八十年代就已被列入资助研究计划。
其研究成果包括八十年代末的Genghis和九十年代初的Attila和Hannibal。
Genghis（如图1–1左）是由irobot公司研制于80年代，每条腿装有两个电机，使得它可以自由行动，但是因为每腿只有两个自由度，行动有些笨拙。
采用递归控制结构，可以使Genghis在复杂路面上行走，包括横越陡峭的地势，爬过高大的障碍，避免掉下悬崖。
图1—1Genghis和Attila
Attila（如图1–1右）和Hannibal是由麻省理工学院的移动式遥控机械装置实验室于九十年代早期研制成功。
他们是该实验室最早用于自主行星探测的机器人。
他们外形相同，只在颜色上有差异，都是Genghis的“后代”。
它们在设计上强调模块化子系统结构，各个部分（如头部、腿部和身体）被当作独立的模块来处理。
它的设计重量和尺寸受系统复杂程度的制约，为了保证其在太空运行的可靠性，采用了冗余设计：
从机械角度看，六条腿行走时，一旦有某条腿失效，余下的腿仍然可以行走；
从传感器的角度看，这种冗余可以让来自不同位置的传感器将信号传给主控制器，以更有效地分析地形。
当有传感器失效时，剩下传感器仍可以让机器正常运行。
九十年代中期的六足机器人：
对于跨海登陆作战的部队来说，浅滩地雷无疑是最危险也最头疼的登陆障碍，出于这点考虑，美国麻省理工大学和旗下的is-robot公司得到国防部高级研究计划局的资助，研制了两代浅滩探雷机器人Ariel。
Ariel（如图1–2左）由美国is-robots公司于1995年研制。
身体配备多种传感器，对周围环境和自身状况的感知非常灵敏。
并配备一套自适应软件，可对一些变化做出积极的反应。
它是可以完全翻转的，如果海浪将它打翻，他还可以“底朝上”的继续行走。
RobotII（如图1–2右）是由CaseWesternReserve大学,机械及航天工程学院的仿生机器人实验室研制。
它的控制器在场外的计算机中。
步态控制器基于节肢动物腿部协调工作的机理。
通过改变一个简单的速度参数，步态可以从一个缓慢的波动步态转换到快速的三足步态。
通过将仿昆虫反射与步态控制器结合，它可以在复杂的路面上行走。
图1—2Ariel和RobotII
近年完成的典型六足机器人：
Scorpion（如图1–3）是由美国波士顿东北大学海洋科学中心自主水下机器人研究小组和德国Fraunhofer自主智能系统研究所（AIS）共同完成于2001年。
这项工程的目标是运用集成来自行为学实验和无脊椎动物的神经生物学数据的低级行为指令，通过高级的控制模式来组成行为序列，实现复杂的行为。
机器人的设计是根据来自多足节支动物的解剖学数据。
其采用机器人的行走控制基于两个仿生控制元：
中央模式生成元和基本运动的高级行为元。
图1—3Scorpion和Tarry
Tarry（如图1-4）由德国杜伊斯堡大学机械工程部机械学院研制，项目始于1998年。
它是在前一代六足机器人TUM的基础上研制的。
仍然采用HolkCruse教授的Walknet控制结构，完善了更多的智能策略如加入腿部反射等，这使其行动很灵活。
1.3步行机器人国内外研究现状
1.3.1国外研究现状
对移动机器人的专门研究始于60年代末期。
斯坦福研究院（SRI）的NilsNilssen和CharlesRosen等人在1966年至1972年中研制出了名为Shakey的自主移动机器人，用于应用人工智能技术在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制的研究。
与此同时,最早的操作式步行机器人也研制成功,美国的Shigley和Baldwin都使用凸轮连杆机构设计了机动的步行车，但由于技术水平限制，所设计的步行机效率低而且对地面的适应性也差，从而开始了机器人步行机构方面的研究,以解决机器人在不规则环境中的运动问题。
这一阶段比较典型的是美国的Mosher于1968年设计的四足车“WalkingTruck”，如图1—4，步行车的四条腿由液压伺服马达系统驱动，安装在驾驶员手臂和脚上的位置传感器完成位置检测功能。
虽然整机操作比较费力，但实现了步行及爬越障碍的功能，被视为是现代步行机发展史上的一个里程碑。
但从步态规划及控制的角度来说，这种要人跟随操纵的步行机并没有体现步行机器人的实质性意义，只能算作是人操作的机械移动装置。
图1—4四足车WalkingTruck
随着电子技术发展，计算机性能的提高，使多足步行机器人技术进入了基于计算机控制的发展阶段。
其中有代表性的研究为：
1977年，RobertMcGhee在俄亥俄州立大学研制的似昆虫的六足机器人。
其采用多种标准步态行走、转弯、侧移及跨越较小的障碍物，计算机的任务为对机器人运动学进行计算以协调产生驱动的18个电机，从而保证机器人的质心落在支撑多边形内；
为更好的适应地形，在以后的发展中又为其增加了力传感器和视觉传感器。
Hirose根据他研制机器蛇的经验，设计了采用三维缩放式腿部机构并搭建了一个小型四足机器人；
由于该机构把驱动运动直接转化为笛卡尔坐标系下的运动，从而大大减轻了计算机的计算量，而且由于运动过程中驱动只做正功，因此该机器人具有较高的效率。
1985年，RobertMcGhee研制了一台更先进的试验样机——适应性主动隔振步行机（AdaptiveSuspensionVehicle，简称ASV,图1—5）。
ASV是监控式步行机，它携带一名提供监控级命令的操作者，其中使用了与自治式动作相同的那些机械技术和控制技术，但操作者不直接对驱动电机进行控制，而是通过控制杆和键控盒输入指令来控制机器人产生相关动作。
1983年，Odetics公司推出的六足机器人Odex1，图1—6所示，把六条腿均匀分布在一个圆形框架上，可方便的实现全方位运动，而且能够通过对形体的重构改变机器人的形状，是对传统的长方形框架六足步行机的挑战。
麻省理工的Raibert利用相对自由度数较少的简单腿部机构建造了一些机器人，利用简单的控制，这些机器人能够实现走、跑、跳等动作，实现主动平衡，如图1—7所示。
1993年,美国卡内基-梅隆大学开发出有缆的八足步行机器人DANTE，图1—8所示,用于对南极的埃里伯斯火山进行了考察，其结构由2个独立的框架构成。
这一阶段研究的重点在于机器人的运动机构的设计、机器人的步态生成与规划及传统的控制方法在机器人行走运动控制过程的应用。
BostonDynamics公司的BigDog四足机器人用于为军队运输装备，其高3英尺，重165磅，可以以3.3英里的速度行进，其采用汽油动力。
图1—5AdaptiveSuspensionVehicle图1—6Odex1步行机器人
图1—7MIT腿部实验室的四足和双足机器人图1—8DANTE步行机器人
由于新的材料的发现、智能控制技术的发展、对步行机器人运动学、动力学高效建模方法的提出以及生物学知识的增长促使了步行机器人向模仿生物的方向发展。
2000年美国研制出六足仿生步行机器人Biobot（图1—9）,采用气动人工肌肉的方式驱动,压缩空气由步行机上部的管子传输,并由气动作动力，驱动各关节,使用独特的机构来模仿肌肉的特性。
与电机驱动相比,该作动器能提供更大的力和更高的速度，使机器人像昆虫那样在凸凹不平地面上仍能高速和灵活步行。
2000～2003年，日本的木村浩等又研制成功四足步行机器人Tekken（图1—10），其采用基于神经振荡子模型的CPG控制器和反射机制构成的控制系统，其中CPG用于生成机体和四条腿的节律运动，而反射机制通过传感器信号的反馈，来改变CPG的周期和相位输出,Tekken具有中等不规则表面的自适应步行能力。
加拿大McGill大学的MartinBuehler本着“功能仿真”的目的，利用电动机作为驱动研制了ScoutI、ScoutII四足步行机器人和RHex六足机器人，如图1—11所示，虽然这类机器人的每个腿中具有较少自由度但能实现行走、转弯、侧向行走和上下台阶等运动。
图1—9Biobot六足机器虫图1—10Tekken四足机器人
图1—11ScoutI、ScoutII四足机器人和RHex六足机器人
1.3.2国内研究现状
我国步行机器人的研究开始较晚，真正开始是在上世纪80年代初。
1980年，中国科学院长春光学精密机械研究所采用平行四边形和凸轮机构研制出一台八足螃蟹式步行机,主要用于海底探测作业,并做了越障、爬坡和通过沼泽地的试验。
1989年，北京航空航天大学孙汉旭博士进行了四足步行机的研究，试制成功一台四足步行机，并进行了步行实验；
钱晋武博士对地、壁两用六足步行机器人进行了步态和运动学方面的研究。
1991年，上海交通大学马培荪等研制出JTUWM系列四足步行机器人，该机器人采用计算机模拟电路两级分布式控制系统,JTUWM-III以对角步态行走,脚底装有PVDF测力传感器，如图1—12。
2002年，上海交通大学的颜国正、徐小云等进行微型六足仿生机器人的研究，如图1—13所示，该步行机器人外形尺寸为：
长30mm、宽40mm、高20mm，质量仅为6.3g，步行速度为3mm/s。
此外还有清华大学开发的DTWN框架式双三足机器人，图1—14所示；
华中科技大学研制了“4+2”多足步行机器人和MiniQuad多足步行机器人，图1—15所示，同时对多足步行机器人的运动规划与控制，以及机器人的腿、臂功能融合和模块化实现的控制体系及其设计进行了研究。
图1—12JTUWM四足步行机器人
图1—13微型六足机器人
图1—14DTWN整体结构图图1—15“4+2”多足步行机器人
1.4六足步行机器人的现阶段的研究任务
步行机器人是涉及到生物科学、仿生工程学、机构学、电学、控制学、传感技术以及信息处理技术等多学科的一门综合性高技术学科。
到目前为止，尽管多足步行机器人技术有了很大的发展，国内外研究开发了很多原理样机或实验模型，但制约多足步行机器人技术进一步发展的基础理论问题并没有得到根本的解决。
现阶段的主要研究任务为：
（1）步行机动力学的研究。
虽然现在对步行机的动力学建模和计算问题已经有了很大提高，提出了多种与机器人广义坐标和约束方程数目成线性关系的高效动力学算法，但是把其用于对机器人的实时控制仍不能得到理想的效果。
（2）机器人步态的研究。
早期步行机一般采用规则步态，其优点是容易控制，但不适合复杂的地形。
后来的提出的自由步态和规则步态具有相反的优缺点。
目前已经提出了许多不同类型的步态，使步行机具有了多种运动的可能。
但是如何选择和组合步态以及在步态生成后，对步态的控制问题还没有很好的解决，目前有两种方法分别为基于逆运动学和逆动力学的控制。
（3）步行机机械结构的研究。
从步行机的研究开始首先就对其机械结构进行了研究，目前多足步行机机体类型主要有：
长方形，圆形和框架式。
步行机的腿部机构的研究是热点问题，采用何种机构能满足产生机器人足部的理想的运动轨迹，同时能通过简单的算法对其运动进行控制的要求，促使研究者们不断设计出新的腿部机构，具有柔性的腿机构是下一个研究焦点。
第二章六足机器人的机械结构
2.1多足机器人的机构类型
一般来说，腿的构造形式可分为昆虫类和哺乳动物类两种不同形式。
昆虫类生物其腿的数目较多，一般在四足以上;
其腿分布于身体的两侧，身体重心低，稳定性好，且运动灵活，但过低的重心不利于昆虫的越障能力;
喃乳动物的行走腿则通常为两足或四足，且腿多分布于身体下方，重心高，便于快速奔跑和越障，但在转向等需要灵活性的场合不如昆虫类有优势。
无论是昆虫类亦或哺乳动物类的腿的构造方式，在机器人机构中的具体实现形式上，一般有以下几种方式:
2.1.1单连杆式
出于简易灵活、价格低廉的角度考虑，一些功能单一、以娱乐性为主机器人的六条腿采用单连杆机构设计，并以较少的自由度实现了基本的步行功能，减少了执行电机，简化了设计。
目前市面上有很多诸如此类的爬虫玩具，如图2一1所示为常见的单杆式腿结构的机器人。
但是，过于简单的腿部结构以及较少的自由度导致此类机器人难以完成复杂的动作，实用性较差。
不过这类机器人也可以通过简单的控制完成倒退、转弯等功能，只是无法实现精确定位。
图2—1单杆式腿结构机器人
2.1.2四连杆式（埃万斯机构）
该机构有各种衍化形式，是可用连杆曲线轨迹作为足端轨迹的一种步行机构，如图2—2。
以四杆机构为腿部机构的设计原则和目的都是为了尽可能保证足端运动轨迹的平整性，达到使机器人平稳运动的目的。
其优点在于结构简单、轻便、可通过改变杆长实现不同轨迹的行走。
本论文将详细的就连杆机构设计六足行走机器人展开讨论。
2.1.3缩放式
早期的四足、六足步行机器人都用过此类步行机构。
缩放机构由于在其运动主平面具有运动解藕性，易于控制，当缩放比大时，能以较小本体实现较大的空间运动等优点，被广泛应用于多足步行机器人的腿部机构。
缩放式腿机构具有比例性，可将驱动器的推动距离比例放大为足端运动距离。
以中南大学设计过的一款液压控制的采用缩放式腿机构的六足机器人为例，其原理如图2—3。
其中AC//EO，EB//CF，当E点固定时，A点的运动将以KI=FD/OC的比例传到F点;
当A点固定时，E点的运动将以K=KI+1的比例传到F点。
因此可以用A点和E点的独立控制来实现垂直方向与水平方向的分离驱动。
这就是该机构的运动解藕性。
该机构有3个自由度.即A点的沿Oy轴方向的移动，E点的沿Ox轴方向的移动以及整个机构绕Oy轴的转动。
缩放式步行机构的刚性较大，传动误差较小，腿部末端在机体下部的运动空间较大，在机体上部的运动空间较小，机构存在死点。
由于机构至少需要两个线性驱动关节，使得机械结构较大，质量较重。
图2—2艾万斯机构形式简图图2—3缩放式机构示意图
2.1.4关节式
由于多关节机构具有活动范围大，灵活性好的优点，所以为近几年步行机器人采用。
此外，开环关节式机构的末端操作点无论是在机体的上部还是下部都有非常大的运动空间，且机构不存在死点的情况，机构比较简单;
但是刚性较差，传动误差大而且不易控制。
如图2—4。
图2—4关节式腿结构机器人
2.2多足步行机器人的运动规划
通俗地说，步态是行走系统抬腿和放腿的顺序。
从1899年Muybridge用连续摄影法研究动物的行走开始，人们对步行行走机构的步态进行了大量的研究工作，尤其是近二三十年来，关于步态研究的重要成果不断涌现。
下面介绍的是目前应用较广的几种多足机构行走方式。
2.2.1三角步态
三角步态也称交替三角步态，是“六足纲”昆虫最常使用的一种步态，也被誉为最快速有效的静态稳定步态。
大部分六足机器人都是从仿生学的角度出发使用这一步态。
昆虫三角步态的移动模式较简单，非常适合步行架构的机器人的直线行走，行进速度也比较快。
本论文也采用这种步态实现机器人的直线行走，该步态的具体方式将会在后文中具体给出。
2.2.2跟导步态
通常，三角步态的研究通常都局限在平坦地面，并且假设对于不平地面也是合理的。
然而随着1974年Sun首先提出了跟导步态的概念，并于1983年由Tsai成功地把这种步态应用于俄亥俄州立大学的电动六足机器人中，这些为跟导步态的研究和发展，为提高机器人在不平地面上的行走速度奠定了基础。
对于六足机器人来说，跟导步态的重点是选择前两足下一步的落点，而一对中足和一对后足的下一步落点由当前前足和中足的立足点决定。
跟导步态每次只需要选择前两足的立足点，因而具有控制简单，稳定性较好，越沟能力强等特点，所以特别适合多足步行机在不平地面行走时采用。
2.2.3交替步态
与跟导步态类似，为了充分发挥六足机器人相对于轮式机器人在复杂地形的行走优势，交替步态成为新兴的六足机器人研究的重点。
这种单腿交替行走步态，也被称为五角步态。
在交替步态中，各腿的运动可分为抬升和前进两个部分。
当某腿的相邻各腿均已触地时，该腿开始运动，并给其相邻各腿发出信号。
同样，在该腿触地时，也会给相邻各腿发出触地信号。
这样，一旦整个六足系统进入行走状态，这种顺次的步态运行状态就可以一直维持下去。
由于各腿等待其相邻腿触地的时间取决于其相邻腿的动作及其触地位置，因而，对于崎岖不平的地面而言，这种步态本身是不可预测的。
然而，对于理想的平整地面而言，各腿的运动周期应该是一致的，故而此时的交替步态实质上等同于三角步态，这己在实验中得到证实。
2.3设计原理
六足仿生机器人采用六足昆虫的行走步态,步行时把6条足分为两组,以一边的前足后足与另一边的中足为一组,形成一个三角架支撑机体。
因此在同一时间,只有一组的3条足起支撑作用,前足用爪固定物体后拉动虫体前进,中足用以支撑并举起所属一边的身体,后足则推动机体前进,同时使机体转向。
行走时机体向前,并稍向外转,3条足同时行动,然后再与另一组3条足交替进行。
直线行走时的步态如图2—5所示。
机器人开始运动时左侧的2号腿和右侧的4、6号腿抬起,准备向前摆动,另外3条腿1、3、5处于支撑状态,支撑机器人本体确保机器人的原有重心位置处于3条支撑腿所构成的三角形内,使机器人处于稳定状态不至于摔倒,见图2—5a，摆动腿2、4、6向前跨步,见图2—5b,支撑腿1、3、5一面支撑机器人本体,一面在小型直流驱动电机和皮带传动机构的作用下驱动机器人本体,使机器人机体向前运动一个半步长S,见图2—5c;
在机器人机体移动到位时,摆动腿2、4、6立即放下,呈支撑态。
使机器人的重心位置处于2、4、6三条支撑腿所构成的三角形稳定区内,原来的支撑腿1、3、5已抬起并准备向前跨步,见图2—5d摆动腿1、3、5向前跨步,见图2—5e,支撑腿2、4、6此时一面支撑机器人本体,一面驱动机器人机体使机器人机体向前运动一个步长S,见图2—5f,如此不断重复步态a-b-c-d-e-f-a,循环往复实现机器人不断向前运动。
图2—5 机器人步态示意图
在机器人希望转弯时其6支脚的运动顺序与直行时基本相同,唯一的不同在于在期望转向的那一侧的3支脚运动方向完全逆向。
例如当希望机器人向左转向时,机器人右侧3支脚运动状态保持不变,左侧3支脚的运动完全逆向,但是运动速度与运动相位差保持不变。
值得注意的是这样实现的转向方式,是在原地实现的,即当实现转向时机器人本身,不会出现平移。
2.4六足机器人的结构设计
躯干纵向长214mm，宽240mm，站立时高110mm。
机器人每条腿有三个自由度，前两个自由度的转动轴线相互垂直，后两个自由度的转动轴线相互平行，分别由三个独立的舵机驱动。
后两个自由度采用四连杆方式传动。
为增加支撑的稳定性，六个足端呈椭圆形分布。
图2—6六足机器人机构
对于每条腿，按照由躯干到足端的顺序，三个自由度的传动方式如下：
第一个自由度，由舵机直接带动转节前后摆动，从而使整条腿前后摆动。
第二个自由度，由舵机通过一个四杆机构A2B2C2D2，带动股节D2G上下摆动，其机械结构如图2–7a）所示，对应的机构简图如图2–7b）所示。
第三个自由度，由舵机通过四杆机构A1B1C1D1和D1E1F1G，带动胫节GH上下摆动，其机械结构如图2–8a）所示。
对应的机构简图如图2–8b）所示。
机器人腿部完整的机构简图如图2–9所示。
三个自由度的原动件分别为轴OO1、杆A2B2和杆A1B1，它们都是由舵机直接驱动。
图2—7股节机构
图2—8胫节机构
图2—9腿部完整机构
腿部机构可以等效成三自由度的开式杆机构，即图OO1－D1
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