六足机器人的设计毕业论文文档格式.docx

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1.4六足步行机器人的现阶段的研究任务………………………………………………8

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……………………………………………………………10

2.1.1单连杆式…………………………………………………………………………10

2.1.2四连杆式（埃万斯机构）…………………………………………………………11

2.1.3缩放式……………………………………………………………………………11

2.1.4关节式……………………………………………………………………………12

2.2多足步行机器人的运动规划………………………………………………………12

2.2.1三角步态…………………………………………………………………………12

2.2.2跟导步态…………………………………………………………………………13

2.2.3交替步态…………………………………………………………………………13

2.3设计原理……………………………………………………………………………13

2.4六足机器人的结构设计………………………………………………………………15

2.5舵机的选择…………………………………………………………………………17

2.5.1舵机概述…………………………………………………………………………17

2.5.2舵机的选择………………………………………………………………………17

2.6腿部机构运动学分析…………………………………………………………………18

2.6.1D－H坐标系的建立………………………………………………………………18

2.6.2运动学逆解………………………………………………………………………19

第三章三维模型的建立

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