于机器人上的般虚拟力。虚拟力通过虚拟模型映射成关节转矩。当实际转矩作用于关节时，机器人的行为就像真的有虚拟构件作用于其上样。本文将“的虚拟模型控制概念，推广并应用到的对角小跑动态步行。对角小跑位于对角的两腿动作完全相同，或与地接触支撑机体，或摆动向前找寻新的支撑点。对角支撑交互，完成步行运动。针对支撑腿控制采用传统方法机体平滑性较差这现象，提出以虚拟模型控制实现对支撑腿的控制，对摆动腿的控制仍然采用，以足底轨迹映射关节空间位置的传统方法。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。.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分析，本文主要得出以下结论.该行走机构的设计是合理的，其在行走过程中重心横向波动量不大，可以实现其稳定性要求其具备定速度能力和定跨越障碍的能力。.对于该四足步行机器人腿的选择和设计的步态是合适的，能够减少电机的使用数量，增加承载能力。.该腿机构采用了传统的连杆机构，齿形带和蜗杆的相结合是本设计的大亮点。参考文献邱宣怀.机械设计.北京高等教育出版社，濮良贵，等.机械设计.北京高等教育出版社，孙桓,等.机械原理.北京高等教育出版社，黄锡恺.机械原理.北京人民教育出版社，华大年.机械原理.北京高等教育出版社，张世民.机械原理.北京中央广播电视大学出版社，孟宪源.现代机构手册.北京机械工业出版社王旭辉,等.机器马行走机构优化设计.内蒙古工业大学学报，方亚彬,等.四足机器人溜蹄步态动步行的研究.机器人，.田继廉,等.步行机器人的结构图与步态.农业机械学报，查选芳,等.多足步行机器人腿机构的运动学研究.东南大学学报，高英敏.平面连杆机构多媒体分析系统的研究硕士学位论文毕学涛.高等动力学.天津大学出版社，牧野洋,等.空间机构及机器人机构学，机械工业出版社，费仁元.机器人机械设计和分析.北京北京工业大学出版社，雄友伦.机器人学.华中理工大学出版社，周开勤.机械零件手册.北京高等教育出版社，数学手册编写组.数学手册.北京高等教育出版社，苏金明，阮沈勇使用指南.电子工业出版社，谭浩强.程序设计.北京清华大学出版社，傅则绍.机构设计学.成都科技大学出版社，周建成，等.基于的空间机构位置分析的种新方法.学学报，张振龙.空间机构作为假肢髋关节的运动学可行性.中国机械与设计，徐轶群.四足步行机器人稳定性步态分析.制造业自动化，陈佳品.四足机器人对角小跑步态的研究.上海交通大学学报，扬宇维.四足步行机腿机构参数优化设计研究.北京航空航天大学学报，致谢在论文成稿之际，我想首先向指导我的老师刘天祥老师表示衷心地感谢。刘老师渊博的知识严谨的治学作风和丝不苟的工作态度使我受益非浅。刘老师严于律己宽以待人的生活作风也给我留下了深刻的印象。毕业设计的过程，不仅对以前学过的知