基于四足步行机器人腿机构设计摘要构设计要求方面，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，只基于四足步行机器人腿机构设计摘要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，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步行机器人的运动控制问题。四足机器人腿的研究.腿的对比分析四足行走机构的机械部分是机器人所有控制及运动的载体，其结构特点直接决定了机器人的运动学特征。其中，腿部结构形式是行走机构中重要组成部分，也是机械设计的关键之。因此从种意义上说，行走机构的分析主要集中在步行机构的分析上。般地，四足行走机构的设计要求看，步行不能过于复杂，杆件过多的步行机构形式会引起结构和传动的实现困难，对腿部机构的基本要求是输出定的轨迹，实现给定的运动要求具有定的承载能力方便控制的要求。目前，国内外学者对步行机器人的步行机构已经作了大量的研究工作，其结构形式多样，主要可以归纳为三类开环连杆机构闭环平面四杆缩放式机构特殊的步行机构。开环关节连杆机构在早期的步行机器人研究中，般是模仿动物的腿部结构来设计步行机构。所有这种机构形式般都是关节式连杆机构。其优点在于结构紧凑，步行机构能够达到的运动空间较大，且运动灵活，由于关节式步行机构是通过关节链接的，因而在步行过程中的失稳状态下具有较强的姿态恢复能力。不足之处是在腿的主动平面内大小腿的运动之间存在耦合，使得运动时的协调控制比较复杂，而且承载能力较小。如图所示为常见的开环关节连杆步行机构的三维模型图形。该机构可分为大小腿以及髋关节组成。由大小腿组成平面运动机构，髋关节驱动该平面机构从而实现空间运动。可建立如图所示的坐标系，第关节为髋关节，在点围绕轴旋转，髋关节的旋转半径设为第二个驱动关节为大腿关节，在点围绕着与大小腿运动平面所垂直的轴旋转，大腿杆长为第三个驱动关节为小腿关节，在点围绕与大小腿运动平面垂直的轴转动，小腿杆长度为。同时规定逆时针为正向角。图开环连杆步行机构图开环连杆机构坐标系模型如图所示，当机构运动到位置时，设髋关节驱动转动角为，大腿关节驱动转角为，小腿杆驱动转角为，由上图可以建立足端点的运动轨迹方程其中由上式以及图形可知，小腿杆可以在转过大臂上部空间运动类似于人的小臂运动，所以在运动过程中，由于臂的末端点可达区域比较大，当髋关节转动时，机构的运动空间将实现三维椭圆状。但是采用此机构用作步行机构，在机器人行驶时，足端的运动范围并不是覆盖了整个可达运动空间，不可能在转过大腿杆时仍能够到达所有区域。综上所述的原因，小腿与地面法线的夹角要在定的范围之内。如图所示，就将存在小腿的最大转动角度和小腿最大内向顺时针驱动角度，此时小腿的摆动约束可表示为，