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（优秀毕业全套设计）基于SolidWorks四足步行机器人腿的机构设计（整套下载）

具有运动解耦特性，而且都能产生近似直线的运动。但由于四杆机构本身存在死点问题，容易产生死锁现象，限制了腿部机构的工作空间。同时增加了控制难度。图埃万斯四连杆机构.腿的选择与设计四足行走机构机械设计主要包括腿机构设计腿的配置形势确定步态分析。腿机构是行走机构的个重要组成部分，是行走机构机械设计的关键。腿的配置形式四足机构腿的配置有两种，种是正向对称分布，既腿的主平面与行走方向垂直，令种为前后向对称分布，既腿平面与行走方向致，如图所示。本设计机构将选择正向对称分布。图腿的配置形式腿的步态选择与分析步态是行走机构的迈步方式，既行走机构抬腿和放腿的方式，由于开发步行行走机构的需要，年代末，在总结前人对动物步态研究成果的基础上，比较系统的给出了系列描述和分析步态的严格数学定义。之后，各国学者在四足，六足，八足等多足步行机构的静态稳定的规则周期步态的研究中取得多项成果，但这些步态的研究基本上局限于平坦地面，并且假设对于不平地面也是合理的。对于严重不平地面地面上可能有不可立足点存在的行走步态研究，是从年代中期开始的，其中包括对非周期步态研究，对自由的分析等等。步态的类型凡是四足动物在正常行走时，四条腿的协调动作顺序般按对角线原则，既如左前腿右后腿左后腿右前腿左前腿如此循环下去。在每时刻，至少右三条腿着地，支撑着身体，既最多只有条腿抬起，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。四足动物除了上述步态之外，还有其他各种步态对角小跑，也叫步态，既马或其他四足动物介于快走和快跑之间的步态，前进时是对角线的双腿共同向前移动。单侧小跑，也叫步态，既同侧的两足为支撑足，其余两足为非支撑足的步态。正常行走这三种步态的左右腿相位相差.，是对称步态，其余是非对称步态。如图也叫步态，动物在快跑时两条前腿或后腿同时跳起的步态。四足步行机构常用的步态还有爬行步态，四足匍匐步态，四足倾斜步态，四足旋转步态和四足姿态变化步态，等等。二步态的选择基于本设计对腿的要求及整个机体的选择和个电机的选择配合蜗杆的使用等原因，所以选择态步行中的步态，既处于对角线上的两条腿动作完全样，均处于摆动相或均处于支撑相，简称对角小跑步态。三步态的设计步态设计是实现动态步行的关键之，为达到较理想的动态步行，考虑下列要求步行平稳协调进退自如，无左右摆晃及前后冲击机体和关节间没有较大的冲击，特别是在摆动腿着地时，与地面接触为软着陆。机体保持与地面平行，且始终以等高运动，没有明显的上下波动。摆动腿跨步迅速，腿部运动轨迹圆滑，关节速度和加速度轨迹无畸点。占空系数腿部动作和占空系数步态的特点是处于对角线上的两条腿或者.具有相同相位，既对角线上两腿的动作完全样，同时抬起，同时放下。图为个步行周期中四足机器人的摆动相与支撑相的交替过程。根据占空系数的大小可分为种情况.在两摆动腿着地的同时，另外两支撑腿立即抬起。此情况为特例。既任意时刻同时有支撑相和摆动相见图。机器人移动较慢时，摆动相与支撑相有短暂的重叠过程，即机器人有四腿同时着地状态见图。机器人移动较快时，四条腿有同时为摆动相时刻，四条腿同在空中，尤如马奔跑时腾空状态见图。显然此交替过程要求机器人机构具有弹性和消振功能，否则难以实现，尚有待引入弹性机构。本文研究.时的状态。图占空系数示意图二腿摆动跨步与机体重心移动顺序起始时对角线上两摆动腿,抬起向前摆动，另两条腿,支撑机体确保行走机构原有重心位置在其支撑腿的对角线上见图，摆动腿,向前跨步造成重心前移见图,此时机器人有摔倒趋势。支撑腿,面支撑机体，面驱动相应的髋关节和膝关节，使机体向前平移步长。此时机体重心已偏离对角线,中点，将至摆动腿,的中点见图。图腿摆动支撑与机体重心在机体移动到位时，摆动腿和立即放下，呈支撑态。恰好使重心在支撑腿和的对角线稳定区内，原支撑腿和也已抬起并向前跨步见图，此时重心已接近腿和对角线中点，且随着腿和的向前跨步而继续向前移动。摆动腿和相对机体向前跨步的同时，另两腿和面支撑机体，面驱动其相应的髋膝关节使机体前移见图。同时摆动腿向前跨步和随同机体相对支撑腿前移，重心也移到摆动腿和的中点，机体处于跌倒态，在此瞬间摆动腿和与支撑腿和交替，使机体重新处于稳定状态见图，从而完成整个步行周期动作。为了避免机体平移时摆动腿与地面之间产生叩碰，必须保证只有在摆动腿脚底离开地面时机体才能移动机体前移动作通过驱动支撑腿的髋膝关节使机器人支撑腿足底水平后移，由于地面的支撑作用,足底和地面位置相对不变而使机体水平前移。.腿的设计从运动角度出发，足端相对与机身应走直线轨迹，为了在不平地面行走，腿的伸长应该是可变的。从整体的行走性能出发，方面要求机体能走出直线运动轨迹或平面曲线轨迹在严重崎岖不平地面，另方面要求转向。步行行走机构腿部的主要任务是支撑着主要由躯体所组成的本体，二是使本体向步行方向移动，此外还必须具有脚部抬起，并向步行方向摆动的动作，若把本体看作固定不动，则足端轨迹如图所示。图足端轨迹图实际的足端轨迹图如图所示，在支撑相描述出比较缓慢的直线段，而在摆动相描绘出快速的凸起曲线段。根据上述，提出四足行走机构中腿机构的要求.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的足端运动轨迹悬空项。.为了不至于使行走机构在运动过程中，因机体上下颠簸而消耗不必要的能量，应保证要求中的直线段有定的直线度。.对于要求中曲线段，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。.在要求中，足端通过直线段的时间与通过曲线段的时间相等，即支撑相的相位角为，悬空相的相位角为。.按要求设计的行走机构的四条腿的协调动作顺序要严格要求。腿的机构分析步行机器人的腿机构是步行机器人的重要组成部分，在设计腿机构时，要求腿机构能够实现运动和承载的功能，同时又要满足结构简单方便控制的要求。机器人的腿机构主要分为开式链机构和闭式链机构。开式链机构结构简单，工作空间大，但承载能力小闭式链机构刚性好，承载能力大，功耗小，但工作空间小。腿机构应满足以下要求从运动角度出发，足端相对与机身应走直线轨迹，为了在不平坦地面行走，腿的伸长应该是可变的从整体的行走性能出发，方面要求机体能走出直线运动轨迹或平面曲线轨迹在严重崎岖不平地面，另方面要求转向从承受载荷方面，腿机构应具备与整机重量想适应的刚性和承载能力从机构设计要求方面，腿机构不能过于复杂，杆件数量多的腿机构形式，会导致结构复杂难以实现。因此，腿机构设计需要保证实现运动承载能力要求结构易实现和方便控制。行走机构的腿机构分为开链机构和闭链机构两大类。开链机构的特点是工作空间大，结构简单，但承载能力小，刚度和精度差，为了克服开链机构的缺陷，发展了闭链机构。闭链机构刚性好，承载能力大，功耗较小，但工作空间有局限性，分析比较，本文选择闭链腿机构进行研究。闭链腿机构应用最广的是平面闭链机构。带平面闭链机构的步行机构多采用双层机架实现转向，也可以在平面闭链机构再增加个摆动自由度来实现转向。腿机构运动要求的必要条件是机构所含运动副是转动副或移动副机构的自由度不能大于机构的杆件数目不宜太多须有连杆曲线为直线的点足机构上的点，相对于机身高度是可变的机构需有腿的基本形状。腿机构的性能要求有推进运动抬腿运动最好是独立的机构的输入和输出运动关系应尽可能简单平面连杆机构不能与其他关节发生干涉实现直线运动的近似程度，不能因直线位置的改变而发生较大的变化。全部满足上述各项条件的腿部机构是困难的，在设计时，应以尽可能满足以上条件的腿部机构为努力目标，同时选择或设计最适合的步行腿机构。目前常用的腿机构有以下几种形式埃万斯机构，正缩放机构，斜缩放机构和拟缩放机构。迄今为止，国内外步行机构腿的基本机构形式不外乎关节型，缩放型和拟缩放型。这些机构虽然各有特点，但也都有不足之处。目前对于哪些机构作为腿机构合适，哪些机构类型较为优越，尚缺乏深入的研究。行走机构腿按照自由度划分为.个自由度个自由度的结构可以由四杆六杆八杆等组成。四杆机构只有个闭环，其运动链基本形式只有种。六杆机构具有两个闭环，其运动链的基本形式有两种瓦特型和斯蒂芬型，八杆运动链具有三个闭环，其运动链基本形式有十六种。.二个自由度二个自由度的机构可以由五杆机构七杆机构九杆机构等组成，其运动链基本形式有多种。关节型，缩放型和拟缩放型等相对成熟和使用较多的机构都是两个自由度，两个自由度的行走机构可以实现前进和抬腿两个方向上的独立运动，但两个自由度的机构输入和输出运动关系比较复杂。本设计中，将采用斯蒂芬型六杆机构作为步行机构，以二杆组作为步行器的大小腿，并使其足端具有符合需要的相对运动轨迹，二杆组的构件应尽量接近于大小腿的结构，以四杆机构作为驱动机构。以二杆组作为腿机构，如图所示，为跨关节，为膝关节，作为足端。以二杆组作为腿机构，如图所示，为跨关节，为膝关节，作为足端。图腿机构示意图步行机构的运动轨迹选为近似矩形的形状，因为此时能够保证有效成功的跨过障碍物，以防止跨过障碍物之前，其足端就落下，从而失去平衡。暂取并分别为，取足端的相对运动轨迹为对称于图的轴，并且当点到达和两端点时，大小腿近似于拉直。这样取得的足端轨迹上的个点的坐标值如表，这里选定步行机构的步距为，抬足高度.。表坐标值表点位置点位置下面分析绞链点的轨迹，按照图说所建立的坐标，首先建立的位置方程因为为大腿的长度，其为所取的定长，列方程把式,代入式，并简化得式查询数学手册，可以解得其将用点的位置坐标表示后，可得点的位置坐标式，中的和是决定点相对于动杆位置的参数，两个参数不同，点连杆曲线也不同，当和取系列不同数值时，可以绘制出的图谱如图。图图谱点轨迹由个四杆机构实现，为了驱动方便，取四杆机构为曲柄摇杆机构。对照四杆机构图谱，只有，能在图谱中找到，综合考虑点轨迹与图谱连杆曲线致性以及机构具有好的构形，确定的位置尺寸为相应四杆机构为下图。图四杆机构图其连杆点与点轨迹具有相似的形状，该四杆机构的相对尺寸为将相对尺寸折合成绝对尺寸为单位为根据与点轨迹相等的原则，进行装配，其装配尺寸为其装配后的图形为图所示图装配图支撑与摆动组合协调控制器问题的提出由于设计上的限制，四足步行机器人在关节层面上设置驱动器，关节层面的驱动空间是非直觉的。描述关节运动的数学方程般都使用三角函数，引起的非线性控制问题，常常难以理解和形象化。例如，怎样确定躁关节膝关节和艘关节的转矩才能取得四足机器人的协调平滑运动呢用逆运动学方法，以足底轨迹求得关节转角，进而驱动关节实现机器人运动，虽可实现四足机器人的动态步行，但运动的平滑性较差。这是因为，该控制方法在关节空间上采用直接位置控制驱动关节，而不是直接考虑关节空间的驱动力矩。在四足机器人动态步行时，摆动腿的非直接力矩控制，对运动的平滑性影响并不明显，摆动腿的摆动效果也不错。