【毕业设计】四足步行机器人腿的机构毕业设计说明书

图第台采用四足步行机构的机器人黑龙江八农垦大学毕业论文设计自世纪年代以来，采用行走机构的机器人技术得到了快速的发展，国外的发展领先于国内，国外己研制出定数量的四足机器人样机少量投入了使用，以下从几个典型的四足行走机构机器人来阐述国外四足行走机构机器人的研究现状。

年美国军方发布的小狗机器人开展运动学习的研究科学家应用小狗来探索机器学习运动控制环境感知和不确定地形运动之间的基本关系。

年月美军又研制出了利用在军事上的大狗，如图所示，这个四足机器人由波士顿动力学工程公司专门为美国军队研究设计。

这种机器狗人能够在战场上发挥非常重要的作用在交通不便的地区为士兵运送弹药食物和其他物品。

它不但能够行走和奔跑，而且还可跨越定高度的障碍物。

该机器人的动力来自部带有液压系统的汽油发动机。

图四足机器人狗加拿大的大学机器人研究室研制了Ⅱ四足步行机器人见图，结构简单，每条腿只有个主动转动关节，然而值得注意的是，在每只腿的臀部都装有个激励源，使得机器人站立时臀部也能有连续的速度。

受人和动物步行时使用很少能量摆动小腿的启示，设计者将膝关节设计为被动自由度，依靠上下腿动态耦合实现角度控制。

另外，他们设计了种新型的动态步行步态没有滑翔阶段的动步跳，成功实现了Ⅱ四足步行机器人在不依靠反馈补偿的控制条件下稳定动步行。

加拿大大学的步行机器人实验室研制的系列步行机器人，如图所示。

该机器人的个最黑龙江八农垦大学毕业论文设计大的特点就是其步行机构相当简单，每条腿只有个自由度，能够实现步行转弯以及跨越的台阶，但可靠性较差，后来对机器人做了些改进，将步行机构的关节改为被动关节，大大提高了其步行可靠性。

图系列四足步行机器人除了世界各地的研究机构和高效实验室研制的用于科学实验的四足机器人之外，人们还出于商业目的，开发了多种四足步行机器人。

最为典型的是公司推出的四足步行机器人，如图所示，该机器人每条腿，采用平面四杆缩放机构，具有二个自由度，机器人能前向后腿，左转和右转，并预留有的记忆体可供客户做进步的机器人实验和开发利用。

图的四足步行机器人国内具有代表性的采用四足机构的机器人主要包括如图所示为上海交通大学所研制的二种四足步行机器人，所示的四足步行机器人为采用平面四杆机构作为其步行机构，可以实现跨越障碍，沟槽，上下台阶及通过高低不平的地面有定识别及步态调整能力所示黑龙江八农垦大学毕业论文设计的四足步行机器人也是由上海交通大学研制的关节式哺乳动物型步行机器人。

机器人的长宽高分别为厘米厘米厘米，重千克，腿为开式链关节型结构，膝关节为纵摇自由度，髋关节为纵摇和横摇两个自由度，各自由度由直流电机经谐波齿轮驱动，用电位器测速电机作为位置和速度传感器，脚底为直径厘米的圆盘，是个被动的纵摇自由度。

该机器人为足式机器人的经典结构，但速度缓慢，步行速度千米时。

图上海交通大学的二种四足步行机器人清华大学机器人实验室研制的全方位四足步行机器人，如图所示，它采用平面四杆缩放机构作为其步行机构，在足端被安装压力传感器，能够实现全方位步行图所示为清华大学所研制的另种四足步行机器人，它采用开环关节连杆机构作为其步行机构，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，完成上下坡越障等功能。

图清华大学的二种四足步行机器人综上所述，随着控制理论计算机技术以及多传感器信息融合技术的发展，黑龙江八农垦大学毕业论文设计世界机器人发达国家的学者在步行机器人技术的理论和实验上作了大量的研究，这种现象的出现最可能的解释是步行机器人具有更强的机动性和灵活性，具有更广阔的应用前景。

存在的问题在处理多自由度的步行机器人运动控制中，的确很难将这些方法应用与机器人的运动控制中。

基于行为的控制策略在处理多自由度步行机器人这类复杂系统时，行为规则的设计十分困难。

因为多关节步行机器人运动学远比轮式移动机器人复杂，建立多关节步行机器人的传感空间到关节运动空间的映射非常困难。

基于高层规划的控制方式虽己应用于多足步行机器人的步行控制。

但随着步行机器人自由度数的增加，系统模型的建立成为控制系统设计中最为繁琐耗时和困难的环节，而且模型的可靠性并不理想。

因此，将神经网络用于机器人步行控制，解决系统中存在的多变量非线性变结构问题，是步行控制的合理选择，且在机器人虚拟平台上取得了较好的结果。

但在物理实验平台的实际应用研究中，结果并不理想。

以上的分析可以看出，在多关节步行机器人的运动控制中，传统的运动控制策略或多或少地存在不足之处。

其原因是研制能在现实世界象动物那样运动的机器，必须集多学科研究成果之大成，其模型的建立和计算必然极其复杂。

为此本文提出虚拟构件的概念来建立四足步行机器人的虚拟模型，借鉴人在解决些问题时经常采用的直觉方法来控制四足步行机器人的运动，试图从另外个角度来解决黑龙江八农垦大学毕业论文设计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黑龙江八农垦大学毕业论文设计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，两边求导得到黑龙江八农垦大学毕业论文设计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黑龙江八农垦大学毕业论文设计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，以及各个不见的安装设计。

行走机构的机体般取长方形长方体，考虑其稳定性，重心要大概在机体对角线的交点上。

尽管如此，在步行时由于脚的位置前后变化，有时还在左右，以及地面环境的影响，使得重心常落到支撑面的边缘或外面，发生翻转，再加上转弯和爬坡，原有重心配置维持艰难，这也是导致目前四足步行速度低，步幅小的重要。

为保持步行稳定，可以采取配置调节重心。

配重可以采用蓄电池或者其他。

机体外壳设计本行走机构的机体般取。

机体取为，前后两腿之间的距离为，机体高为，长为。

其三维图形如下图所示图机体外壳三维图传动系统设计按照驱动电机的数量可将四足行走机构划分为台电机台电机驱动四条腿可以节省能量，控制比较简单，但要实现行走，传动黑龙江八农垦大学毕业论文设计系统将比较复杂。

由于原动机装再机体上，减轻了腿的重量。

日本的行机器人既用台电动机驱动复杂的连杆机构，实现步行。

两台电机两台电机驱动四条腿既每台电机驱动两条腿，同样可以节省能量，控制相对复杂，但传动系统相对简单。

四台电机每台电机驱动条腿，加重了腿的支撑总量，功耗较大，同时也给控制带来较大的难度。

考虑综合因素，本行走机构将选择台电机。

为了方便连接，与电机连接的主动杆用驱动件代替，这就简化设计过程中的传动部件，该驱动件如图所示。

图驱动件图腿各杆的装配图如图所示图腿各杆装配图黑龙江八农垦大学毕业论文设计为了连接前后腿，将采用齿形带传动，在安装过程中，要保持前后腿相位差度，这样在行走过程中，前后两腿总是交替的支撑和行走。

电机与电源的选择电机的选择主要是参照其转速和功率两个参数。

由于行走机构在支撑相中足端水平运动，行走过程基本上机体水平匀速直线运动，故理论上水平地面行走消耗能量不大，依靠运动消耗功率来确定电机容量不太可行，因此，电机容量按如下方法估计按机体总体质量，能以的速度沿坡度度的坡行走，则功率为参考中国电机产品目录，选择直流电机。

选择系列直流减速电机，其技术参数如表根据实际需要，将选择，其减速比为，得到的转速为，比较合适。

表技术参数表黑龙江八农垦大学毕业论文设计输出功率的计算方法如下单位瓦其中负载力矩单位克厘米负载转速单位转分此输出功率即就是带动腿机构和机体行走的功率。

故选择电瓶作为直流电源。

二选用齿形带因设计想实现涡轮传导动力的过程，故用齿形带与之相互啮合。

带传动具有机构简单，传动平稳，同步带还具有定传动比传动的特点，前后腿之间利用齿形带传动，选用型同步带。

图效果图黑龙江八农垦大学毕业论文设计图效果图利用进行腿及整个机构辅助设计是实施三维设计极其方便直观的设计软件，它包括了零件设计钣金设计二维工程图自动生成装配等，功能全面，而且集成和兼容了所有系统的卓越功能，其三维实体建模系统具有易学易用的特点，参数化特征造型技术定义清晰。

该软件从三维到二维工程图的转换方便快捷形象直观。

基于绘制的装配图，参看上图所示。

黑龙江八农垦大学毕业论文设计结论论文完成的主要工作本文主要完成了下方面的工作理论分析与推导计算单腿的分析依据几何图形的封闭型条件，得出数学模型，根据数学模型，求出机构尺寸优化的目标函数。

应用向量分析法，写出行走机构的足端轨迹的向量方程，并对该向量进行求导，得出足端的运动形式。

这就有助于后来的编程分析其运动。

四腿的组合行走机构步态的选择和设计，选择了对角线小跑步态。

行走机构设计结合了个电机带动齿形带及传动轮的转动做到步行状态。

结论通过对该四足步行机器人腿的理论