四足机器人系统设计Word文档下载推荐.docx

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凸轮驱动；

控制系统；

三维设计

Abstract

Quadrupedrobotasoneofbiomimeticrobots,hasbeenextensivelystudied.Travelagenciesandinstitutionsisaquadrupedrobotturningthekey,Atthepresent,servomotorisinstalledinthelegjointsofthemosttravelagencies,increasingtheweightoftherobotandthedifficultyofthecontrolsystemstrategy.Andmostoftherobotisarigidbodyasawhole,andtheresearchoftheturninginstitutionsisnotfullystudied.Forthispurpose,theprojectwilltakefour-leggedrobotwholebodyasaflexiblerigidbody,andthree-dimensionalmodelingsoftwarePro/E4.0isusedfordesigningquadrupedrobotmechanicalsystems,anewtravelagencybasedoncamcontroldriveisproposed,akindoflegmechanismandcontrolofthecorrespondingcamdrivemechanismisdesigned,andaflexibleturninginstitutionispreliminarydesigned.Basedonthiswork,thecontrolsystemoftherobotwasdesigned.Especially,controlsystemsofthesteppedmechanismandthewheelmechanismwereanalyzeddetailed.

Keywords:

quadrupedrobot;

steppedmechanism;

camdrive;

controlsystem;

threedimensionaldesign;

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（KarelCapek）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GeneralMotors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

GeorgeDevol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MicrosoftRoboticsStudio，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ShigeoHirose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1-5JTUWM—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