四足机器人系统设计
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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
Abstract
Quadruped 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 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-dimensional 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 designed. 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.
Key words: quadruped robot; stepped mechanism; cam drive; control system ;three dimensional design;
目录
1.引言 (1)
1.1机器人及其相关技术的发展 (1)
1.2国内外四足行走机器人得研究概况 (2)
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（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、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1-5 JTUWM—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
①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
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：
②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
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 prototype），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②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；
②自由度的计算：低副l p （转动副和移动副）提供两个约束，高副h p 提供一个约束，自由度计算公式为)2(31n p p n F +-=；其中活动构件的数目为n=4， 4=l p (转动副3个，移动副一个), 1=h p ，故F=3。
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O2为圆心，以(h1+h2)半径的圆弧移动，若关节A 匀速移动，则B C 与图3-2中虚线轨迹的直线段的交点也匀速运动；再令髋关节及膝关节转动，使足端C 运动到上述的交点，这就满足了（3.3.4）中的要求2～3；再令移动关节A 向左快速移动，移动行程与向右移动行程相等,但移动时间为向右移动时间的1/3，并是足端C 沿着图3-2中虚线轨迹的曲线段运动，至此，满足了(3.3.4)中所述的所有要求。
3.3.6各参数关系（控制函数）
为了使图3-3所示机构的足端 C ，能按图中虚线所示轨迹运动，并满足（3.3.4）中所述的所有要求，必须求出各参数间的函数关系。对图3-3所示的机构进行分析，可知只需知道、及的函数，即可对足端C 的空间位置进行控制， 、及的函数即为控制函数。
为更方便地求、及的函数关系，先将图3-3所示的机构简化成图3-4所示。
按（3.3.4）所述的所有要求，当腿机构处于支撑相时，腿机构中各参数必须满足某种严格的数学函数关系，而当腿机构处于悬空相时，腿机构各参数没有特殊的函数关系。从控制的角度来说，当腿机构处于支撑相时，需进行连续控制；当腿机构处于悬空相时，只需进行点位控制。
求、及的函数关系，是机器人运动学求逆解问题。
都满足如下条件： ()()222
2
arctan /2c c y
x y S θ=+-
式（1）即为（五）中所述的约束条件。
图3-4
当约束条件（1）确定时，求、的函数关系就相当于平面二杆机器人的运动学逆解问题，二杆为和BC 。
运动学正解可以通过平面几何确定：
1212121312121213
cos()cos()sin()sin()=+∠++∠-??=+∠++∠-?c OB c OB x l O O B h O O B y l O O B h O O B θθθθθθ …………
（1）
根据余弦定理 22211122cos =+-∠OB l h E h E O O B
根据正弦定理
运动学逆解就是给定（，），求解和。运动学逆解问题本来极为复杂，但经过上述化简后，在如图3-3(b)所示极坐标系（r , φ）中利用解析几何及平面几何的知识，可得：
()()2222arccos /2OB OB r l h l r β??=+-??r 2=x c 2+y c 2
(2)
()()22222arccos /2OB OB l h r l h α??=+-??
(3)
式（1）～（3）就是控制腿机构在支撑相中运动所需的函数。
在悬空相中不能通过上述方法求得,由于只需对足端进行点位控制，故只需知道一些特殊点的、及，有多种方法可以求得这些点的、及。本设计中利用PRO/E 中的草绘，测得15个点的、及的值，如下表所示： 序
（ o） 1
4 2
8 3
12 4
15 5
17 6
19 7
20 8
22 9
23 10
25 11
26 12
27 13
29 14
30 15 31
表3-1
具体的测量方法如图3-5所示（下部布置了十五个点，此图为第一个点的测量实例，其他各点测量方法类似）：
图3-5 悬空相测点图
3.4 行走机构的设计计算
根据上一节的研究结果，现在进行本课题行走机构的具体设计。
3.4.1 控制方式选择
由上一节可知：要控制行走机构的行走过程，必须对、及进行控制。一般有三种控制方式：电气控制、液压控制和纯机械控制。
电气控制即利用伺服电机作为执行装置，由控制器（如单片机）按照控制函数对应的控制算法，产生控制信号。其特点是重量轻、体积小、系统具有柔性。
液压控制即利用液压缸或液压马达作为执行装置，由控制器（如单片机）按照控制函数对应的控制算法，产生控制信号。其特点是功率大、运行平稳、系统具有一定的柔性。
纯机械控制即利用一些机构来实现控制，其特点是简单、功率较大、柔性差。
对于本课题，由于每条腿有、及三个参数需要控制，四条腿就有12个参数要控制，即若选择电气控制，就需12部伺服电机，再加上与这些电机匹配的减速器，电气控制的重量轻、体积小的特点就显示不出来了；若选择液压控制，就需12个液压缸（液压马达），再由于行走过程的颠簸，液压控制也不太
适合。
因此，本课题使用凸轮机构来实现这12个参数的控制。
3.4.2参数选择
由于本课题所设计的机器人是以狗的外形作为参考模型，因此，腿机构的尺寸参数如下：
髋关节偏距：E = 50 mm ；
小腿长：；
大腿长：；
步长：S = 150 mm 。
其中，步长S是正常行走时的尺寸，转弯或遇到非常状态时，步长应是可变的。为了使步长S可变，参考（3.3.6）中的控制函数的推导过程，应使髋骨长E 可变，二者关系见下一节“转弯机构的设计”。
3.4.3 具体设计
如前述，使用凸轮机构来实现、及这3个参数的控制，因此设计的重点就是凸轮机构的设计。
1、的控制——髋关节凸轮
髋关节凸轮控制的机理如3-6，
图3-6 髋关节结构原理图
根据平面几何的知识，凸轮的从动件的运动规律为
所以，凸轮轮廓线上的点的直角坐标值（X, Y）
(4)
其中，支撑相中的由公式（1）确定（3.3.6），悬空相中的表3-1确定（见3.3.6）。
由公式（4）只能得到髋关节凸轮的理论轮廓曲线，实际轮廓曲线是以理论轮
四足机器人设计方案书
浙江大学“海特杯”第十届大学生机械设计竞赛“四足机器人”设计方案书
“四足机器人”设计理论方案 自从人类发明机器人以来，各种各样的机器人日渐走入我们的生活。仿照生物的各种功能而发明的各种机器人越来越多。作为移动机器平台，步行机器人与轮式机器人相比较最大的优点就是步行机器人对行走路面的要求很低，它可以跨越障碍物，走过沙地、沼泽等特殊路面，用于工程探险勘测或军事侦察等人类无法完成的或危险的工作；也可开发成娱乐机器人玩具或家用服务机器人。四足机器人在整个步行机器中占有很大大比重，因此对仿生四足步行机器人的研究具有很重要的意义。 所以，我们在选择设计题目时，我们选择了“四足机器人”，作为我们这次比赛的参赛作品。 一.装置的原理方案构思和拟定： 随着社会的发展，现代的机器人趋于自动化、高效化、和人性化发展，具有高性能的机器人已经被人们运用在多种领域里。特别是它可以替代人类完成在一些危险领域里完成工作。 科技来源于生活，生活可以为科技注入强大的生命力，基于此，我们在构思机器人的时候想到了动物，在仔细观察了猫.狗等之后我们找到了制作我们机器人的灵感，为什么我们不可以学习小动物的走路呢，于是我们有了我们机器人行走原理的灵感。 为了使我们所设计的机器人在运动过程中体现出特种机器人的性能及其运动机构的全面性，我们在构思机器人的同时也为它设计了一些任务： 1. 自动寻找地上的目标物。 2. 用机械手拾起地上的目标物。 3．把目标物放入回收箱中。 4. 能爬斜坡。 图一 如图一中虚线所示的机器人的行走路线，机器人爬过斜坡后就开始搜寻目
标物体，当它发现目标出现在它的感应范围时，它将自动走向目标，同时由于相关的感应器帮助，它将自动走进障碍物中取出物体。 二.原理方案的实现和传动方案的设计： 机器人初步整体构思如上的图二和图三，四只腿分别各有一个电机控制它的转动，用一个电机驱动两条腿的抬伸。根据每只腿的迈步先后实现机器人的前进，后退，左转和右转，在机器人腿迈出的同时，它也会相应地进行抬伸，具体实现情况会在下文详细说明。 图二 图三 机器人初步整体构思如上的图二和图三，四只腿分别各有一个电机控制它的转动，用一个电机驱动两条腿的抬伸。根据每只腿的迈步先后实现机器人的前进，后退，左转和右转，在机器人腿迈出的同时，它也会相应地进行抬伸，具体实现情况会在下文详细说明。 任务的实现主要是利用单片机来控制机器人的四条腿以及几个传感器的共同工作，并通过它们的协调工作来完成的。如图一中所示，让机器人爬过了斜坡之后，就先进行扫描，如果发现有目标出现在它的视野之内，它就会寻着目标前进。如果没有发现目标，机器人会原地转弯并搜寻在它视野之外的目标。由于目
轮式移动机器人课程设计
江苏师范大学连云港校区海洋港口学院 课程设计说明书 课程名称 专业班级 学号姓名 指导教师
年月日
摘要 轮式移动机器人是机器人家族中的一个重要的分支，也是进一步扩展机器人应用领域的重要研究发展方向。自上世纪九十年代以来，人们广泛开展了对机器人移动功能的研制和开发，为适应各种工作环境的不同要求而开发出各种移动机构。其中全方位轮可以实现高精确定位、原地调整姿态和二维平面上任意连续轨迹的运动，具有一般的轮式移动机构无法取代的独特特性，对于研究移动机器人的自由行走具有重要愈义。 本文主要是介绍了技术较为成熟的麦克纳姆全方位轮的运动原理结构，分析了由四个麦克纳姆轮全方位轮组成的全向移动机构的运动协调原理。并将其运用到轮腿复合式的机器人身上，使机器人移动能力更强。设计的主要方面包括（1）移动方式的选择；（2）机器人结构的设计；（3）机器人移动原理的分析；（4）对移动机器人控制系统的简单设计。 关键词: 轮式移动机器人，轮腿复合式，四足
目录 摘要 (1) 1 移动机器人技术发展概况 (1) 1.1 机器人研究意义及应用领域 (1) 1.1.1 机器人的研究意义 (1) 1.1.2 机器人的应用领域 (2) 1.2 移动机器人的发展概况 (2) 1.2.1 移动机器人的国内发展概况 (3) 1.2.2 移动机器人的国外发展概况 (4) 2 轮式移动机器人的结构设计 (7) 2.1轮式移动机器人系统结构 (7) 2.1.1移动方式的选择 (7) 2.1.2机器人移动原理构想 (8) 2.1.3机器人轮子的选择 (9) 2.1.4机器人腿部结构的设计 (10) 2.2轮式移动机器人主要结构 (11) 3 轮式移动机器人的控制系统 (12) 3.1 控制系统硬件选型与配置 (12) 3.1.1 驱动电机的选型 (12)
基于单片机的四足机器人
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最新全面教学资源，打造完美教学模式 深圳大学期末考试试卷 开/闭卷开卷A/B卷N/A 课程编号1303270001 1303270002 课程名称EDA技术与实践（2）学分2.0 命题人(签字) 审题人(签字) 2015 年10 月20 日 设计考试题目：完成一个集成电路或集成系统设计项目 基本要求：2-3位同学一组，完成一个完整的集成电路设计项目或是一个集成系统设计项目。 规格说明： 1.题目自定。 1)集成电路设计项目 i.若为IC设计项目需要完成IC设计的版图。 ii.若采用FPGA实现数字集成电路设计，需要进行下板测试。 2)集成系统设计项目，需使用FPGA开发板或嵌入式开发板，完成一个完整的集成 系统作品。 3)作品需要课堂现场演示，最后提交报告，每个小组单独一份报告，但需阐述各个 成员的工作。 2.评分标准：
2015年第二学期，建议作品内容： 完成一个行走机器人，基本要求 o2-8只脚 o能行走 o可以用单片机，嵌入式，FPGA方案 一、设计目的： 通过设计一个能够走动的机器人来增加对动手能力，和对硬件电路设计的能力，增强软件流程设计的能力和对设计流程实现电路功能的能力，在各个方面提升自己对电子设计的能力。 二、设计仪器和工具： 本设计是设计一个能走动的机器人，使用到的仪器和工具分别有：sg90舵机12个、四脚机器人支架一副、单片机最小系统一个、电容电阻若干、波动开关一个、超声遥控模块一对、杜邦线若干、充电宝一个。 三、设计原理： 本次设计的机器人是通过51单片机控制器来控制整个电路的。其中，舵机的控制是通过产生一个周期为20毫秒的高电平带宽在0.5到2.5ms之间的pwm信号来控制。12路Pwm信号由单片机的定时器来产生。51单片机产生12路pwm信号的原理是：以20毫秒为周期，把这20毫秒分割
四足仿生移动机器人结构设计
河工大 毕业设计说明书 作者：学号： 系：机械工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 题目：四足仿生移动机器人结构设计 指导者：张副教授 评阅者： 2013年 5月 29日
目次 1 概述 ................................................ 错误！未定义书签。 1.1 绪论........................................... 错误！未定义书签。 1.2 国内外研究现状及关键技术....................... 错误！未定义书签。 1.3 本课题主要研究内容............................. 错误！未定义书签。 2 四足仿生移动机器人的结构设计原则及要求 ............... 错误！未定义书签。 2.1 四足仿生移动机器人的总体方案确定............... 错误！未定义书签。 2.2 机器人机械结构及传动设计....................... 错误！未定义书签。 3 电机的确定 .......................................... 错误！未定义书签。 3.1 各关节最大负载转矩计算......................... 错误！未定义书签。 3.2 机器人驱动方案的对比分析及选择................. 错误！未定义书签。 3.3 驱动电机的选择................................. 错误！未定义书签。 4. 带传动设计 .......................................... 错误！未定义书签。 4.1 各参数设计及计算............................... 错误！未定义书签。 4.2 带型选择及带轮设计............................. 错误！未定义书签。5工作装置的强度校核.................................... 错误！未定义书签。 5.1 轴的强度校核................................... 错误！未定义书签。 5.2 轴承的选型..................................... 错误！未定义书签。结论 ................................................. 错误！未定义书签。参考文献 ............................................ 错误！未定义书签。致谢 ................................................. 错误！未定义书签。
智能四足机器人结构设计
智能四足机器人结构设计 摘要 对于我们的未来生活，每个人有不同的构想，但大多数人都相信，在将来的社会，机器人将作为家庭的一员进入我们的生活，与我们每天朝夕相处。可现在普遍存在人们心中的疑问是：将来机器人将以何种身份进入我们的生活，是玩伴还是佣人，智能步行机器人的设计就是为了将来机器人能进入我们中国人的家庭生活，为我们的家庭生活带来欢乐。 本设计采用关节型结构，成功地设计了智能步行机器人的本体结构。本机器人具有前后行、平地侧行等基本行走功能。另外机器人头部还装有CD摄影机，胸腔内部可装备内置电源和智能设备。本设计参考了狗的结构组成，使得机器人结构尽量与狗的本体结构相似，尤其在长度配比方面。本设计的结构比较复杂，关节数目众多，为了力求优化设计，设计者兼顾了关键部件的互换性和结构紧凑的原则。所有的关节都用了2036型的直流伺服电机作为驱动源，充分利用伺服电机的特性。伺服电机的驱动都采用了谐波减速器机构，该减速方案减速比大、效率高，是比较理想的减速方案。 关键词：智能四足机器人；结构设计；谐波传动
Intelligent Four-Foot Robot Frame Design Abstract For our future life，everyone had different ideas，but most people believe that，in future society，the robot as a family into our lives，and we can now daily overnight with the common people's hearts Question is: what will be the future status of robot into our lives，playmates or servants，the design of intelligent walking robot is to the future robot can enter our Chinese people's family lives，for our happy family life. The design of a joint structure，the successful design of intelligent walking robot，the body structure. The robot has before and after the trip，the ground adjacent to the basic operating functions. Another robot is also equipped with CD camera head，chest internal equipment can be built-in power supply，and intelligent. The reference design of the structure of the robot，making the structure as the robot dog，the dog's body similar to the structure，particularly in the area ratio of length. The design of the structure is more complicated，the large number of joints，in an effort to optimize the design，designers take into account the interchangeability of key components of the compact structure and principles. All joints are composed of a 2036-type of DC servo motor as a driver and make full use of servo motor characteristics. Servo motor drives are used harmonic reducer，the slowdown in the programme reduction ratio，high efficiency，The ideal slowdown is a good programme. Keywords：intelligent four-foot robot ; structural design; harmonic drive
四足爬行机器人控制研究
第7卷第1期 智能计算机与应用V d.7No.l 2017 年 2 月Intelligent Computer and Applications Feb.2〇17 四足爬行机器人控制研究 韩飞，吴宝春，陈益，王志远，李志刚 (大连民族大学信息与通信工程学院，辽宁大连116600) 摘要：本文介绍一种四足爬行机器人的组成结构及其控制系统的构成。控制系统主要由上位机控制界面和下位机控制单元组 成。上位机通过Java语言编写调试控制界面，与下位机通过串口进行通信，下位机采用STM32作为核心控制器，接收上位机的相 关控制信息，通过控制舵机控制器，实现四足爬行机器人的行走控制。 关键词：四足爬行机器人；STM32;舵机控制器；Java 中图分类号：TP311 文献标志码：A文章编号：2095-2163(2017)01-0117-03 Control research on quadruped robot HAN Fei，WU Baochun，CHEN Yi，WANG Zhiyuan，LI Zhigang (College of Information and Communication Engineering，Dalian Minzu University，Dalian Liaoning 116600, China) Abstract：This paper describes the structure of a quadruped robot and the corresponding control system.The control system is mainly composed of a master computer with control interface and a slave computer.The control interface installed on the master computer is written and debugged in Java language.The communication between master and slave computers uses their series.The slave computer adopts STM32 as the core controller，which receives the control information from the master computer and realizes the walking control of a quadruped robot through controlling the servo controller. Keywords：quadruped robot；STM32; servo controller；Java 0引言 随着现代科技与人工智能的快速发展，人类对机器人的研 究与应用也日趋广泛。近年来，各类新型仿人机器人、仿生机器 人已然陆续研发问世，并逐渐进入诸多领域。与众多款型机器人 相比，四足仿生机器人是具备爬行动物外形、并可发挥强大行动 能力的机器人，采用爬行的方式提供自主行走，通过自身内部协 调处理实现一些简单的动作。与传统机器人相比，四足机器人具 有独特鲜明优势，可通过多足的机械结构交互配合，从而完成以 探索和采集作为主要设定目的的综合任务。因此，研究爬行机器 人的结构组成及其控制方法具有至关重要的课题价值和现实意义。 本文首先系统分析四足爬行机器人结构组成以及设计行 走控制方法，结合Java语言编写上位机调试界面，通过串口 与下位机STM32核心控制器进行通信，核心控制器采用串口 通信方式将运动控制信号实时传递给舵机驱动器控制机器人 舵机状态，从而实现对爬行机器人行走的简单控制。 1四足爬行机器人简介 本文所研究的四足爬行机器人机械结构采用成品套件， 基金项目：大连民族大学大学生创新创业训练计划项目（S201612026055, XA201611276);大连民族大学2016年“太阳鸟”学生科研项目 资助。 作者简介：韩飞（1995-)，男，本科生，主要研究方向：智能移动机 器人控制。 收稿日期：2016-12-13具有12个舵机，每条腿上安装3个舵机，分布在爬行机器人 的各个关节;在安装舵机前首先进行舵机状态复位，舵机复位 后保证舵机左右或前后摆动的幅度均匀，避免舵机在调试过 程一个方向无法摆动或者堵转而烧坏舵机。系统控制器采用 STM32核心板安装在机器人背部，舵机控制器装在机器人身 体下部，电池装在夹缝中。爬行机器人整体结构如图1所示。 图1爬行机器人整体结构图 Fig. 1 Structure of the quadruped robot 2控制系统设计 本文研究的爬行机器人控制系统主要由上位机控制界面 和下位机控制单元组成，上位机控制界面采用Java语言编 写，通过串口与下位机通信。下位机控制单元采用STM32作 为核心控制器，这是由意法半导体公司重点生产的基于超低 功耗的ARMCortex-M3处理器内核，因其一流的外设配备、低 功耗、最大集成度的特点，满足了用户对高性能、低功耗、低成 本和经济实用的要求。在此，则给出控制系统结构框图如图 2所示 。
机器人设计论文
绿化植树机器人设计 摘要： 这个机器人是针对大量绿色植树而设计的，利用机械四足作为其活动方式，机器人通过视频识别系统在有限范围内对地形与植被作出判断，然后通过自动行走系统移动到目标地点前面，再通过机械手取出携带的植物幼苗，通过这个可以360度旋转的机械臂进行种植工作，机械臂可以进行种植、培土、等工作。种植完成后还将用一层可分解的塑料薄膜覆盖植物幼苗，保证其在能够自行成长前的安全。 关键词： 绿化植树、四足行走、山坡作业、视频识别、机械臂操作 设计背景： 地球现在正面临着绿色植被在不断减少的危机，而人类也因为这样要面对日益严峻的环境问题。大量植树还原绿色植被是一个相当重要的手段来解决这个难题，但是依靠人力去做的话，效率始终不够高。所以在这里我想设计一个专门用于大作业量的绿化植树机器人。 设计思路： 这个机器人，是需要面对山坡这样的陡峭地形的，由于特殊的使用环境，机器人的活动方式要求能够灵活的应对颠簸不平的土地，机械四足需要能够根据不同的地势调整四足的高度，确保平稳的行走，这种活动方式才能使机器人轻松到达山崖大部分位置。移动起来必须十分的轻巧，以避免对其他植物的伤害。由于这个机器人对视频识别有着较高的要求，所以必须在这方面有所突破，同时当发现有杂草或者有害植物的时候，还可以通过高温蒸汽将其杀死，来保证种植的植物幼苗的生长。360度旋转的机械臂可以保证种植过程的顺利进行。 详细具体设计方案： 一．整体结构： 1.整个机器人分成上下两大部分，上部分是机械手臂，主要实现机器人的整个种植 操作，下部是机器人的机身和四足，包括：植物幼苗存放仓、红外线距离测量 仪、摄像头、电脑处理系统。 2.机器人是通过电力驱动的，所以必须携带储电池，也是安装在机身。 二．中央处理系统： 机器人的机身将安装一个中央处理系统，作为机器人的大脑，它主要调节机器人三 大系统：机械四足行走系统、机器人视觉系统、机械臂控制系统。中央处理系统要 接收和分析红外线距离测量仪、摄像头、机械臂传感器等反馈信息，以及控制四足 的行进系统、机械臂操作等。 三．机械四足行走系统： 1.机械四足的形状： 一开始的时候，我曾经很困惑于如何把握行走稳定与行走速度之间的平衡，后来设 想出仿人类四肢的关节加上圆形的脚盘这个方案，总体感觉可以满足行走的需要。 2.如何实现行进： 参考了机械小狗的设计，将机械四足连接在机器人的中央处理系统而成为一个整 体，接受中央处理系统的控制。每次改变一个机械足的位置，实现整个机器人的行
基于51单片机的四足机器人
深圳大学期末考试试卷 开/闭卷开卷A/B卷N/A 课程编号1303270001 1303270002 课程名称EDA技术与实践（2）学分2.0 命题人(签字) 审题人(签字) 2015 年10 月20 日 设计考试题目：完成一个集成电路或集成系统设计项目 基本要求：2-3位同学一组，完成一个完整的集成电路设计项目或是一个集成系统设计项目。 规格说明： 1.题目自定。 1)集成电路设计项目 i.若为IC设计项目需要完成IC设计的版图。 ii.若采用FPGA实现数字集成电路设计，需要进行下板测试。 2)集成系统设计项目，需使用FPGA开发板或嵌入式开发板，完成一个完整的集成 系统作品。 3)作品需要课堂现场演示，最后提交报告，每个小组单独一份报告，但需阐述各个 成员的工作。 2.评分标准：
2015年第二学期，建议作品内容： 完成一个行走机器人，基本要求 o2-8只脚 o能行走 o可以用单片机，嵌入式，FPGA方案 一、设计目的： 通过设计一个能够走动的机器人来增加对动手能力，和对硬件电路设计的能力，增强软件流程设计的能力和对设计流程实现电路功能的能力，在各个方面提升自己对电子设计的能力。 二、设计仪器和工具： 本设计是设计一个能走动的机器人，使用到的仪器和工具分别有：sg90舵机12个、四脚机器人支架一副、单片机最小系统一个、电容电阻若干、波动开关一个、超声遥控模块一对、杜邦线若干、充电宝一个。 三、设计原理： 本次设计的机器人是通过51单片机控制器来控制整个电路的。其中，舵机的控制是通过产生一个周期为20毫秒的高电平带宽在0.5到2.5ms之间的pwm信号来控制。12路Pwm信号由单片机的定时器来产生。51单片机产生12路pwm信号的原理是：以20毫秒为周期，把这20毫秒分割成8个2.5ms，因为，每个pwm信号的高电平时间最多为2.5ms，然后在前六个2.5ms中分别输出两个pwm信号的高电平，例如，在第一个2.5ms中输出第一个和第二个pwm信号的高电平时，首先开始时，把信号S1、S2都置1，然后比较两个高电平时间，先定时时间短的高电平时间，把高电平时间短的那个信号置0，再定时两个高电平时间差，到时把高电平时间长的按个信号置0，然后，定时（2.5-较长那个高电平时间），在第二个 2.5ms开始时，把S3、S4置1，接下来和上面S1、S2一样，以此类推， 在六个2.5ms 中输出12路pwm信号来控制舵机。原理图如图1. 通过超声模块来控制机器人前进、后退、向前的左转、向前的右转、向后的左转、向后的右转几个动作。
新型四足机器人步态仿真与实现
M ac hine B uilding A uto mation,Jun 2008,37(3):21～23,33 作者简介:马东兴(1982— ),男,江苏省丹阳市人,在读硕士研究生,主要从事虚拟样机和四足机器人技术研究。 新型四足机器人步态仿真与实现 马东兴,王延华,岳林 (南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016) 摘 要:研究一种背部带关节的新型四足机器人,通过三维建模软件Pr o /E 和机械系统动力学 仿真分析软件ADAMS 建立了四足机器人虚拟样机,规划了四足机器人的步态,并且利用AD 2AM S 仿真软件对该四足机器人进行了步态仿真,同时利用单个AT89C52单片机成功实现对四足机器人5个舵机的独立控制以及舵机的速度控制。仿真与实验结果表明四足机器人能够根据设计步态实现直线行走。 关键词:四足机器人;步态仿真;舵机;单片机中图分类号:TP24 文献标识码:A 文章编号:167125276(2008)0320021203 Ga it S i m ul a ti on and I m plem en t a ti on of a New Quadruped Robot MA Dong 2xing,WANG Yan 2hua,Y UE L in (Co ll ege o f M echan i ca l and E l ec tri ca l Eng i nee ri ng,N a n ji ng U n i ve rs ity o f Ae r o na u ti c s & A s tr o na u ti c s,N a n ji ng 210016,C h i na ) Abstract:A new qua drup e d r obo t w ith w a ist 2j o i nt is d iscu sse d i n this p ap e r .The virtua l p r o t o type o f quad rup ed r obo t is c re a te d by P r o /E a nd ADAM S a nd the ga it o f the r obo t is p l a nne d.The ga it s i m ul a ti o n of the qua drupe d r o bo t is do ne by ADAM S virtua lp r o t o ty 2p i ng so ft w a re.M e a nw hil e ,w e succe s sfull y con tr o l fi ve rudde r se rvo s by a s i ngl e AT89C52SCM a nd a lso rea li ze the ve l o c ity co ntr o l of the rudde r se rvo.The s i m ul a ti o n a nd e xp e ri m e nta l re sults show tha t the qua drup e d r o t w ith w a is t 2j o i n t ca n w a l k s tra i ght s te a dil y thr ough the de s i gned ga it . Key words:qua drup e d r obo t;ga it s i m ul a ti o n;rudde r se rvo;SCM 0 引言 与轮式机器人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,因此足式机器人受到各国研究人员的普遍重视,目前已成功开发了多款足式机器人。例如日本东京工业大学 研发的TI T AN 2V III [1] 机器人,每个腿具有3个自由度,其 中大腿关节具有前后转动和上下转动2个自由度,膝关节具有1个上下转动自由度。采用新型的电机驱动和绳传动。上海交通大学马培荪等人研制的JT UWM 2III 四足机器人[2, 3] ,腿为开链式关节型结构,膝关节为一纵摇自由 度,髋关节为纵摇和横摇2个自由度。每一腿有3个自由度,共12个自由度。机体重心较高,与哺乳类动物相似,适应于动态行走。华中科技大学研发的“4+2”多足步行机器人[4, 5] ,其腿部件由髖关节、大腿关节、小腿关节和踝 关节四部分组成,大、小腿关节之间由线轮传动,每一腿有 3个自由度。但是先前研制的机器人的本体大多是一个 刚性整体,没有考虑机器人的背部关节。 因此,在分析卡内基梅隆大学(Carnegie Mell on Uni 2 versity )研制的RGR 仿壁虎机器人[628] ,以及韩国庆北大学(Kyungpook Nati onal University )设计的E L I RO 2II 四足步行机器人的基础上[9, 10] ,研究了一种新型四足机器人。 该机器人与传统的足式机器人相比,其机器人本体不再是 一个单一的刚性整体,而是在本体上用一个主动关节将机 器人的本体分为前后两个部分,通过背部主动关节的运动来实现四足机器人的直线行走。通过机械系统动力学仿真分析软件(aut omatic dynam ic analysis of mechanical sys 2te m s,ADAMS )对该四足机器人虚拟样机进行步态仿真,同时利用单个AT89C52单片机成功实现对四足机器人5个舵机的独立控制以及舵机的速度变化,四足机器人的直线行走平均速度达到12.14mm /s 。 1 四足机器人虚拟样机 1.1 四足机器人结构 传统的四足机器人每个腿有2个或3个自由度,本文研究的四足机器人结构简单,每个腿只有1个自由度,但是在机器人背部增加了1个自由度。四足机器人的结构如图1所示。该四足机器人有5个主动关节(图中关节1至关节5)和1个被动关节(6点),各关节的运动方向如图1所示。主动关节由舵机驱动。z 轴正方向为四足机器人前进方向。关节1至关节4四个主动关节可以使各腿在xoy 平面上下摆动。关节5可以使前后本体在xoz 平面转动。 1.2 四足机器人接触力 当足与地面之间发生接触时,这两个物体就在接触的 ? 12?
四足行走机构说明书
四足行走机构说明书Revised on November 25, 2020
机械创新设计课程设计 2014-2015第 2 学期 姓名：何燕飞、郑义、陈斌、周鹏、陈海云 班级：机越一班 指导教师：李军方轶琉 成绩： 日期：2015 年 6 月 4 日 仿生四足行走机器人行走机构的研究 摘要 马相对于其它四足哺乳动物来说，躯体较大，四肢骨骼坚实有力，其运行步态稳健轻快，能在地面、坡地和凸凹不平的地表上自由灵活的快速行走，且可远距离行走。因此，本课题研究了马在平地的步态运动方式，根据马步态设计的仿马四足行走机构为解决：在凹凸不平的路况上抢险救灾物资和装备的运输问题上将产生深远的影响。 本课题以马为研究对象，对其有障碍路况行走步态方式进行了研究。马型四足行走机器人的运动学方程是一组非线性方程,没有通用的解法,通常很难求得运动学方程解的解析表达式。采用几何解法,把空间几何问题分解成若干个平面几何问题,这样,不用建立运动学方程,而直接应用平面几何的方法进行运动轨迹规划,给出各个关节角给定量的计算方法。本课题在分析总结了马的生理特性、运动步法和步态特点的基础上，从结构仿生角度出发，研究了行走机构的设计方案、运动原理、运动特点，确定了仿马四足行走机构，并应用 CATIA 软件建立了单腿和整机的三维模型。 关键词:马型四足行走机构、腿部结构、运动轨迹规划、三维建模
The bionic quadruped walking robot mechanism research ABSTRACT Comparing with other four feet mammals, Horses have many advantages including the bigger body, the stronger and the vibranter limb bones, long distance walking, so the horses can walk flexibly on the bumpy ground, the sloping fields, the mountains and the steep cliffs. Therefore, the motion pattern of goats gait on the upslope and downslope were researched. According to the horse gait, the bionic horse sloping walking mechanism was designed in order to solve the sloping walking problems of the agricultural machinery, which will have far-reaching effects on the design of the bionic mechanism. Horses were used as research object in the topic, and the sloping walking gait style was kinematics equations with nonlinear characteristic of horse type four legs walking robot have not been universal solutions. It is difficult to resolving express of robot kinematics geometrical method which space geometry problem is turned to some plane geometry problem is trajectory plan of motion can be made directly by plane geometrical method and kinematics equations need not set more method of calculation For Each Join Tangle Is simulation is researched for robot kinematics solutions and inverse of the design method is verified by virtue of experiment. KEY WORDS:Horse quadruped walking mechanism, the structure of the legs, trajectory planning, three-dimensional modeling 目录
四足机器人方案设计书
大学“海特杯”第十届大学生机械设计竞赛“四足机器人”设计方案书
“四足机器人”设计理论方案 自从人类发明机器人以来，各种各样的机器人日渐走入我们的生活。仿照生物的各种功能而发明的各种机器人越来越多。作为移动机器平台，步行机器人与轮式机器人相比较最大的优点就是步行机器人对行走路面的要求很低，它可以跨越障碍物，走过沙地、沼泽等特殊路面，用于工程探险勘测或军事侦察等人类无法完成的或危险的工作；也可开发成娱乐机器人玩具或家用服务机器人。四足机器人在整个步行机器中占有很大大比重，因此对仿生四足步行机器人的研究具有很重要的意义。 所以，我们在选择设计题目时，我们选择了“四足机器人”，作为我们这次比赛的参赛作品。 一.装置的原理方案构思和拟定： 随着社会的发展，现代的机器人趋于自动化、高效化、和人性化发展，具有高性能的机器人已经被人们运用在多种领域里。特别是它可以替代人类完成在一些危险领域里完成工作。 科技来源于生活，生活可以为科技注入强大的生命力，基于此，我们在构思机器人的时候想到了动物，在仔细观察了猫.狗等之后我们找到了制作我们机器人的灵感，为什么我们不可以学习小动物的走路呢，于是我们有了我们机器人行走原理的灵感。 为了使我们所设计的机器人在运动过程中体现出特种机器人的性能及其运动机构的全面性，我们在构思机器人的同时也为它设计了一些任务： 1. 自动寻找地上的目标物。 2. 用机械手拾起地上的目标物。 3．把目标物放入回收箱中。 4. 能爬斜坡。 图一 如图一中虚线所示的机器人的行走路线，机器人爬过斜坡后就开始搜寻目
标物体，当它发现目标出现在它的感应围时，它将自动走向目标，同时由于相关的感应器帮助，它将自动走进障碍物中取出物体。 二.原理方案的实现和传动方案的设计： 机器人初步整体构思如上的图二和图三，四只腿分别各有一个电机控制它的转动，用一个电机驱动两条腿的抬伸。根据每只腿的迈步先后实现机器人的前进，后退，左转和右转，在机器人腿迈出的同时，它也会相应地进行抬伸，具体实现情况会在下文详细说明。 图二 图三 机器人初步整体构思如上的图二和图三，四只腿分别各有一个电机控制它的转动，用一个电机驱动两条腿的抬伸。根据每只腿的迈步先后实现机器人的前进，后退，左转和右转，在机器人腿迈出的同时，它也会相应地进行抬伸，具体实现情况会在下文详细说明。 任务的实现主要是利用单片机来控制机器人的四条腿以及几个传感器的共同工作，并通过它们的协调工作来完成的。如图一中所示，让机器人爬过了斜坡之后，就先进行扫描，如果发现有目标出现在它的视野之，它就会寻着目标前进。如果没有发现目标，机器人会原地转弯并搜寻在它视野之外的目标。由于目标物
四足机器人设计报告
四足机器人设计报告 摘要：本文介绍了四足机器人（walking dog ）的设计过程，其中包括控制系统软硬件的设计、传感器的应用以及机器人步态的规划。 一、本体设计： walking dog 的单腿设置髋关节和踝关节两自由度，能在一个平面内自由运动（见图1.1）。采用舵机作为机器人的关节驱动器，其单腿结构图见（图1.2）。为了便于步态规划，设计上下肢L1、L2长均为65mm 。四肢间用铝合金框架连接，完成后照片见（图1.3）。walking dog 的每只脚底均有一个光电传感器，能有效检测脚底环境的变化。walking dog 的头部为一个舵机，携带光电反射式传感器，能探测前方180度75cm 内的障碍物。 图1.1 四足机器人模型 图1.2 单腿结构 图1.3：完成后照片 二、控制系统设计 为了使机器人能灵活地搭载各种传感器以及实现不同的步态，将底层驱动单元与上层步态算法平台分开。因为walking dog 的各关节均为舵机，特设计了16路舵机驱动器作为底层驱动单元，用来驱动机器人全身各关节。并设计了上层算法平台，将各关节参数通过UART 实时地发送到底层驱动单元。图2.1为系统框图。
图2.1：系统框图 1、底层驱动单元设计 图2.2给出了舵机的工作原理框图，电动机驱动减速齿轮组,并带动一个线性的电位器作位置检测,控制电路将反馈电压与输入的控制脉冲信号作比较,产生偏差并驱动直流电动机正向或反向转动,使齿轮组的输出位置与期望值相符。 图2.2：舵机工作原理框图 针对舵机这一特性，设计底层驱动器的系统结构图见图2.3。Mage8的16位定时器分时产生16次定时中断，中断子程序产生移位脉冲，通过4N25光偶隔离输入到移位寄存器，实现各路PWM信号高电平部分的分时产生。图2.4为定时产生脉冲的中断处理流程，图2.5例举了产生4路PWM信号的波形图。实际电路原理图见附录1。 图2.3：16路舵机驱动器结构图
四足爬行机器人的结构设计开题报告1
沈阳工业大学工程学院 毕业设计（论文）开题报告 设计（论文）题目：四足爬行机器人的结构设计 系（部）：机械系 专业班级：机械设计制造及其自动化1004 学生姓名：高翔 指导教师：谢宝玲 开题时间：2013年10 月25 日
1.课题的目的和意义 本次设计的目的是大学即将结束时充分的运用所学到的机械方面的知识，加强自己对所学知识的一种融会贯通，毕业前的一种自我评估锻炼。设计出一款比较实用的四足爬行机器人。 设计意义 （1）在设计四足爬行机器人的过程中，学会查阅资料，锻炼自己的动手动脑能力，开拓自己的创新思维能力，学会理论联系实践，充分发挥了机械设计的专业知识的运用。[1] （2）对机构的设计和研究有了比较深的理解和运用，汲取前人的经验教训。 （3）设计出了一种实用的四足爬行机器人，学会理论和实践之间的结合能力。[4] 2. 国内、外现状况及发展趋势 2.1国内发展状况 目前，国际上机器人市场大概有80亿至100亿，其中工业机器人占的比重最大。2025年，整个机器人市场将达到500亿，服务机器人从原来的300多万台增加到1200多万台，特种机器人(如：排爆机器人、医疗机器人等)的呼声也越来越高。另外，微软等IT企业，丰田、奔驰等汽车公司，甚至还有家具、卫生洁具企业都纷纷参与机器人的研制。 在在国内，国家863机器人技术主题自成立以来一直重视机器人技术在产业中的推广和应用,长期以来推进机器人技术以提升传统产业,利用机器人技术发展高新产业。目前,政府正在使用各种办法加大中国装备制造业在市场中占据的份额,并提供优惠措施鼓励更多企业使用机器人及技术以提升技术水平。国内越来越多的企业在生产中采用了工业机器人,各种机器人生产厂家的销售量都有大幅度的提高。根据我国海关统计,最近4年来许多企业在华的销售量甚至是前面十几年销售量的几倍,年平均增长率超过40%。2001年我国工业机器人海关进出口数量不过是3774台,国内生产数量约700台左右。2004年市场规模已经增长到万台左右,数量和金额相对于2001年都增长了两倍。2004年国产工业机器人数量突破了1400台,产值突破8亿元人民币。进口机器人数量超过9000台,其中多功能机器人约1700台,简易机器人7500台,进口额约25亿美元。德国CLOOS公司在华焊接机器人销售
四足机器人的结构设计
龙源期刊网 https://www.sodocs.net/doc/5713709807.html, 四足机器人的结构设计 作者：王丽君 来源：《中国新技术新产品》2016年第18期 摘要：随着机器人技术的不断发展，我国发明的步行机器人的应用得到了广泛地应用， 步行机器人属于一种集仿生学、机械工程学以及控制工程学等多种学科为一体的一项研究实体，是一个典型的多变量、飞翔性以及结构复杂的动力学系统，在四足机器人的研究过程中，姿态结构的不稳定以及产生稳定步行的运动已经成为了必须解决的动态平衡问题。本文首先对四足机器人的本体结构设计进行了分析；其次针对现有的步行机器人在实际研究和应用中存在的一些问题进行了分析。 关键词：四足；步行机器人；结构设计 中图分类号：TP391 文献标识码：A 在现阶段中，机器人的主要的移动方式包括轮式、履带式和足式，其中采用轮式和履带式的机器人在穿越障碍的能力方面是相对较弱的，因此运动方面的灵活性也就不能进行充分地展示。在此基础上，四足机器人的步行腿就可以具有多个自由度的特点，在落足点方面是比较分散的，因此可以在足尖点可以控制的范围之内进行灵活调整行走的步态，在穿越障碍和规避障碍的能力方面是相对较强的。 一、四足机器人的本体结构设计 1.机构模型的建立和简化 在四足哺乳动物中，腿部是由5个部分来共同组成的，利用和躯干之间的有效连接，实现对腿部的控制，从而完成行走的活动，在每一个关节当中都拥有1～3个之间的自由度，可以使其在运动的时候进行灵活和敏捷地运行。在机械的控制和复杂方面，要想完全模仿四足生物来进行机器人的行走，是有一定程度的难度的。只能在保证机器人可以灵活运动的前提下，最大程度地降低机械控制的复杂程度。四足机器人由步行腿和侧摆、大腿和小腿3个部分构成，躯体和侧摆、侧摆和大腿、大腿和小腿之间由于需要转动进而形成关节的连接，在每一个关节处都需要有一个自由度。 2.自由度的确定 四足机器人在进行的过程中，步行腿的运行可以分为两种状态，分别是摆动状态和支撑状态。在进行摆动状态的时候，步行腿就和连杆之间就会形成一种在串联基础上的空间开链式的结构，此时的步行腿的自由度和关节数量是一致的。在支撑状态中，地面就成为了并联机构的机架，可以简单地认为是和地面组成的一种球关节的状态。