（独家原创）基于SolidWorks四足步行机器人腿机构设计（全套CAD图纸完整版）㊣精品文档值得下载

虚拟模型控制的个重要步骤是确定物理本体和末端，设计期望的运动变量。

将虚拟模型控制用于支撑腿的控制时，通常设置足底为本体，机体为末端。

旦确定了本体和末端，下个关键步骤是设计个有效的虚拟构件。

设计的基础来源于经验和直觉.确定末端期望位置速度或力之后即可构造虚拟构件，通过虚拟模型的输出实现对期望任务运动所需的实际关节转矩。

支撑与摆动组合协调控制器虚拟模型控制特别适合控制诸如步行奔跑跳舞等复杂任务，为了实现四足机器人的步行控制任务，必须将步行这复杂的任务分解成多个子任务。

例如四足步行机器人的对角小跑动态步行，可分解为稳定机体高度，稳定机体俯仰，稳定步行速度，摆动腿摆动，支律腿转换等子任务。

旦步行运动的子任务确定，就可根据子任务的特点选择机器人腿的运动形式，是支撑，还是摆动，或者二者的组合。

并设计相应的控制器。

对于上述的几个子任务，只需在低层关节空间设计相应的摆动腿控制器和支撑腿控制器，并设计个高层的支撑与摆动组合协调控制器协调这些控制器就可完成所分解的任务。

针对任务的控制器的类型和数目取决于该任务的复杂程度以及对高层控制器的期望复杂程度。

选择正确的子任务往往是成功设计控制器的关键。

旦四足机器人的摆动腿和支撑腿控制器设计完成，高层的控制器就可根据步行任务建立简单的控制算法，在相应的控制器间进行切换控制，或同时使用。

对角小跑步行的支撑与摆动组合协调控制器简单算法的输入为步行速度和机体高度等，为摆动腿和机体的期望运动。

步行控制算法的简单特性归因于支撑腿控制器利用虚拟模型化解了关节控制的复杂性。

直觉分别控制足和机体的运动。

支撑与摆动组合协调控制器的结构框图如图所示。

图四足机器人对角小跑支撑与摆动组合协调控制器框图支撑腿控制器四足机器人以对角小跑步态步行时，依靠对角两腿支撑，通过对角支撑交互完成步行。

的运动取决于支撑腿对应关节间的相互协调。

步行任务对支撑腿关节有很高的致性要求，得足与机体间的连杆在关节空间的描述相当复杂。

当采用基于虚拟模型地直觉控制策略时，控制器就可使用组基于直觉的输入，如，位置速度和力，并运用虚拟模型简化关节空间的复杂性。

由于并行连杆对机体的运动起作用，在此场合机体被认为是末端。

足设置为本体。

图四足机器人对角支撑腿桂制器框圈机体的期望位置由虚拟构件转化为广义虚拟力，并通过力分布函数，分解为作用于前后腿的广义虚拟力，并由虚拟模型转化为实际的关节转矩，驱动机体至期望的位置。

摆动腿控制器摆动腿的控制采用基于摆动腿足底轨迹，以逆运动学理论规划关节空间轨迹的传统方法，摆动腿控制器的输入是摆动腿足底的期望位置，输出是摆动腿关节的实际位置。

将前后摆动腿的控制器结构设计得相同。

尽管在两摆动腿之间，将足底期望位置转换为关节位的任务是相互独立的，摆动腿的控制也是相互独立的。

且摆动腿的摆动并不象对角支排腿那样，要求具有很高的动作致性。

这里将单腿摆动控制器设计的样并结合在起考虑。

这是因为对角摆动腿的相互协调，可对步行的稳定性产生有益的影响。

由第三章对倒立摆的分析可知，在恰当时刻合理地摆动双腿，可使动能和势能的转换朝有利于机器人运动的方向发展。

.单条腿尺寸优化数学建模据几何图形，的封闭型条件，得到两个方程式，中分别用表示了和，既引入符号在机构的第和位置，间的距离为引入符号在机构的第个位置，此时足端在坐标系下的位置坐标为按照表给出的足端第个点位的坐标为，则进行机构尺寸优化的目标函数可建立如下其中，为计算因子，根据具体要求选定，般在足端着地的各点位上，为保证机构运动的平稳，可取大些在足端离地的各点位上，可取小些，优化设计变量为优化设计的约束条件主要是机构的封闭性条件，曲柄存在条件，及腿部的构形条件，既运动特征的分析衡量该机构传动特性的指标为传动角和，如图所示，根据数学模型，可以计算出传动角。

此时为的长度当在范围变化时，通过编制程序，由式，计算可知，的变化范围为，可以知道传动特性比较好同时的变化范围是，的极小值较小，因此传动特性有待进步改善和提高。

.机器人腿足端的轨迹和运动分析机器人腿足端的轨迹分析如图建立坐标系，轴垂直纸面向里，足端的轨迹，既是点在下的位置坐标方程。

向量方程为写到坐标系中引入中间角度变量上式中由式，可以求解和，式子中的为式至所表示。

图坐标系图其有两个解，但是根据实际情况，两者前面都应该取负号，用的函数画图，当取正号的时候，图形不封闭，故两者同时取负号。

根据表中给的数据，得到预想设计的轨迹图为下图所示。

图预想设计的轨迹图同时根据优化出来的尺寸，用模拟的腿的轨迹如下图所示图用模拟的腿的轨迹由所绘出的图，可以看出优化出来的尺寸，实际轨迹与预先设计的轨迹是相符的同时，该优化出来的尺寸也满足预先选定步行机构的步距，抬足高度.的要求。

机器人腿足端的运动分析由上面分析，可以知道端点的位置坐标为为主动杆的角度，其为匀速运动，故其中为常数对上式两边进行求导，可得分别对式两边求导，得到对式，两边求导得到将式代入式，化简可得对式两边求导得到根据式，两边求导得把式代入就可以求出与的数学关系式。

由式，可以知道速度在，方向的分量为把所求出来的，的表达式代入，就可以求出速度行走机构足端的速度此过程可以用进行编程计算，并可以画出速度图，如图.图得出的速度图.机体设计.机体设计机体的设计包括了构成腿的各杆的设计，传动部件的设计，机体的设计，以及各