1、聊城大学本科毕业论文摘 要四足机器人作为仿生机器人的一种，得到了广泛的研究。行走机构和转弯机构是四足机器人最关键的部分，目前，行走机构的研究大多采用在腿机构的关节处安装伺服电机进行驱动，增加了机器人的重量和控制策略的难度。并且，机器人本体大多是一个刚性整体，转弯机构研究不足。为此，项目将四足机器人本体作为一个柔性整体，采用三维建模软件 Pro/E4.0 设计了四足机器人的机械系统，提出了一种新颖的凸轮控制驱动式行走机构，设计了一种腿机构以及相应的凸轮控制驱动机构，并初步设计了柔性转弯机构。在此基础上，论文采用主从式控制方式设计了四足机器人的控制系统，重点讨论了以 8051 单片机为控制器的行走
2、机构和转向机构的控制系统设计。关键词：四足机器人；行走机构；凸轮驱动；控制系统；三维设计AbstractQuadruped robot as one of biomimetic robots, has been extensively studied. Travel agencies and institutions is a quadruped robot turning the key, At the present, servo motor is installed in the leg joints of the most travel agencies, increasing the
3、 weight of the robot and the difficulty of the control system strategy . And most of the robot is a rigid body as a whole, and the research of the turning institutions is not fully studied . For this purpose, the project will take four-legged robot whole body as a flexible rigid body, and three-dime
4、nsional modeling software Pro/E4.0 is used for designing quadruped robot mechanical systems, a new travel agency based on cam control drive is proposed , a kind of leg mechanism and control of the corresponding cam drive mechanism is designed, and a flexible turning institution is preliminary design
5、ed. Based on this work, the control system of the robot was designed. Especially, control systems of the stepped mechanism and the wheel mechanism were analyzed detailed.聊城大学本科毕业论文iKey words: quadruped robot; stepped mechanism; cam drive; control system ;three dimensional design;目 录1.引言 .11.1 机器人及其相
6、关技术的发展 .11.2 国内外四足行走机器人得研究概况 .21.3 机器人学主要涉及的学科内容 .41.4 课题简介 .52.机器人系统总体设计 .62.1 机器人系统结构概述 .62.2 四足机器人研发流程 .72.3 四足机器人系统结构设计 .93.四足机器人机械系统的结构设计技术 .103.1 机器人机械设计的内容及特点 .103.2 机械结构总体设计 .113.3 行走机构的研究 .133.4 行走机构的设计计算 .193.5 转弯机构的设计 .243.6 腱机构 .283.7 机器人的外形设计 .283.8 驱动系统的设计 .294.控制系统的硬件设计 .354.1 传感器 .35
7、4.2 控制器 .364.3 控制系统 .39聊城大学本科毕业论文ii5.控制系统的软件设计 .425.1 行走系统软件设计 .425.2 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（Karel Capek）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
8、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 General Motors 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 11 是近代机器人发展的重大事件的时间表 。1时间 事件聊城大学本科毕业论文iii1954 年1960 年1968 年1970年 1978
9、年1984 年1998 年2002 年2006 年George Devol 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 Microsoft Robotics Studio，机器人模块化、
10、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2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
11、 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 Shigeo Hirose 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
12、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- 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聊城大学本科毕业论文iv分别进行驱动。2000-2003 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 Tekken-IV，如 13 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 CC
13、D 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 14 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
14、业大学 等。4聊城大学本科毕业论文v图 1-5 JTUWMIII 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 JTUWMIII ，如 1-5 所示。该机器人采3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
15、，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
16、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，使得聊城大学本科毕业论文vi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，
17、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
18、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。聊城大学本科毕业论文vii本课题所设计的机器人的腿机构技术性能如下：腿
19、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 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：3/2悬空相 相位角：/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
20、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。步行机器人在运动过程中，各腿交替的呈现两种不同的状态，即支撑状态和悬空状态。腿处于支撑状态时，足端与地面接触支持机体重量，并且推动机体前进，这种状态称为支撑相。当腿处于悬空状态时，足端抬离地面，向前迈步为下一个支撑相作准备，这种状态称为悬空相。聊城大学本科毕业论文viii2、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/min10000r/min)，因此，在电机与负载之间用一套传动装置来进
21、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（vitual prototyp
22、e） ，利用三维造型软件5（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。聊城大学本科毕业论文ix机构设计 步态规划设计 运动学、动 力学分析 控制子系统的设计 驱动子系统的设计总体设计建模仿真 兼容性分析传感器子系统的设计加工物理样机图 2-1 四足机器人的研发流程任务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。调整优化
