四足机器人系统设计.docx

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1、四足机器人系统设计丽g(“考摘要四足机叁人作为仿生机叁人的一种，得到了广泛的研究.行走机构和转弯机构是四足机器人最关健的部分，目前，行走机构的研究大多采用在胭机构的关节处安装伺服电机进行驱动，增加了机器人的重量和控制策略的难度.并且，机器人本体大多是一个刚性整体，转马机构研究不足.为此，项目将四足机器人本体作为一个柔性整体，采用三维建模软件ProE4.0设计了四足机器人的机械系统,提出了一种新题的凸轮拄制驱动式行走机构，设计了一种幅机构以及相应的凸轮控制驱动机构，并初步设计了柔性转弯机构.在此基础上，论文采用主从式控制方式设计了四足机器人的控制系统,重点讨论了以8051单片机为控制舞的行走机构

2、和转向机构的控制系统设计.关健词：四足机器人：行走机构；凸轮驱动；控制系统I三雉设计Abstractsteppedmechanismandthewhee1.mechanismwereana1.yzeddetai1.ed.Keywords:quadrupedrobot;steppedmechanism;camdrive;contro1.systemthrcedimensiona1.design;目录1 .弓I言错误!未定义书签。1.1.机器人及其相关技术的发展错误!未定义书签。1.2国内外四足行走机器人得研究概况错误!未定义书签。1 .3机器人学主要涉及的学科内容错误!未定义书签。2 .4课题御

3、介错误!未定义书签。2 .机器人系统总体设计错误!未定义并签。21机机人系统统构低述错误!未定义书签。2.2四足机器人研发流程错误!未定义书釜。2.3四足机器人系统结构设计错误!未定义书签。3 .四足机器人机械系统的结构设计技术错误!未定义书签。1. 1机器人机机设计的内容及特点错误!未定义书签。3. 2机械结构总体设计镭误!未定义书签。4. 3行走机构的研究错误!未定义书签。5. 4行走机构的设计计算错误!未定义书签。6. 5转若机构的设计错误!未定义书签。7. 6腕机构错误!未定义书签。8. 7机器人的外形设计错误!未定义书签。9. 8驱动系统的设计错误!未定义书签。4 .控制系统的硬件设

4、计错误!未定义书签。41传星感错误!未定义书签。1 .2控制制错误!未定义书签。4 .3g系系错误!未定义书签。5.控制系统的软件设计错误!未定义书签。5.1 行走系统软件错误!未定义书筌。5.2转弯控制系统软件设计错误!未定义书签。总结,错误!未定义书签。参考文献错误!未定义书签。致谢错误!未定义书签。凸轮控制驱动式的四足机器人系统设计1.引言1.1机器人及其相关技术的发展自从人类制造出了一电子计算机为代表的各种信息处理和计算的工具，进一步拓展和延伸了人类大脑的功能。机器人的诞生和相关技术的发展，成为二十世纪人类科学技术的重大成就之一.1920年，捷克作家卡雷尔佩克(KHre1.Capek)

5、在其幻想情节剧罗沙姆的万能机器人中描述了一个名为R.U.R的工厂，将人类从繁重而乏味的工作中解放出来，制造出一种与人类相似，但能不知疲倦工作的机器奴仆，取名ROBOT.RobOt(机器人)一词由此演化而来。I960年，美国Unimation公司根据Devo1.的专利技术研制出了第一台工业机器人样机，并定型生产Unimatc工业机器人1962年，美国的Genera1.Motors公司在压铸件生产线上安装了第一台工业Unimate机器人,标志着第一代机器人的正式诞生.在此后的五十多年里，机器人技术取得了突飞猛进的发展，表是近代机器人发展的重大事件的时间表.时间事件Quadrpedrobotason

6、eofbionimeticrobots,hasbeenetensive1.ystudied.Trave1.agenciesandinstitutionsisaquadrupedrobotturningthekey.Atthepresent9servomotorisGeorgeDevo1.开发出第一台可6程机器人Unimation公司推出第一台工业机器人；第一台智能机器人Shakey在斯坦福研究所(SRI)诞生；ET1.公司发明带视觉的自适应机寿人I美国推出通用工业机器人PUMA,这标志着工业机寿人技术已经成熟；机器人He1.pmate问世，该机器人能在医院里为病人送饭、送邮件等；丹麦乐高公司推

7、出机器入(Mind-Stonns)套件；iRobot公司推出吸尘机器人Roomba,是世界上能量大的家用机卷人；微软公司推出的MicrosoftKoboticsStudio,机物人模块化、平台化的趋势越来越明显，比尔康茨覆言，家用机器人会很快席卷全球.insta1.1.cdinthe1.egjointsofthemosttrave1.agencie$9increasingtheweightoftherobotandthedif11cu1.tyofthecontro1.systemstrategy.Andmostoftherobotisarigidbodyasawho1.e.andtherese

8、archoftheturninginstitutionsisnotfu1.1.ystudiedForthisPUrpQSetheprojectwi1.1.takefour-1.eggedrobotwho1.ebodyasaf1.exib1.erigidbody,andthree-dIinensiona1.mode1.i11gSoftWarCProE4.Oisusedfordesign)ngquadrupc1.robotmechanica1.systems,anewtrave1.agencybase1.oncamcontro1.driveispropose1B=1sin2运动学逆解就是给定(X,

9、匕)，求解“和化运动学逆解问题本来极为复杂，但经过上述化前后，在如图3-3(b)所示极坐标系()中利用解析几何及平面几何的知识，可得一4=arc(an(-)士XiXa11xos(*1+b-MM%，)/=。+)/61.=Ot-ZOiOzH(2)=arccos(+T-r2)(,)j式(1)(3)就是控制胭机构在支撑相中运动所需的函数.在悬空相中不能通过上述方法求得,由于只需对足*进行点位控制，故只需知道一些特殊点的匕、，:及名，有多种方法可以求得这些点的,、6：及4本设计中利用PRozE中的草绘，测得15个点的a、O2及4的值，如下表所示IJ,4/S12C15t17(19i20J22(2325.2

10、627i2930131I表3具体的测量方法如图3-5所示（下部布了十五个点，此图为第一个点的测量实例，其他各点浦量方法类似）：3.4行走机构的设计计算根据上一节的研究结果，现在进行本课题行走机构的具体设计.3.4.1 控制方式选择由上一节可知，要控制行走机构的行走过程，必须对仇、仇及进行控M.一般有三种控制方式：电气控制、液压控制和纯机械控制电，拄制即利用伺服电机作为执行装J1.由控制器（如单片机）按照控制函数对应的控制算法，产生控制信号.其特点是量轻、体积小、系统具有柔性.液压控制即利用液压缸或液压马达作为执行装J1.由控制器（如单片机）按照控制函数对应的控制算法，产生控制信号。其特点是功率

11、大、运行平稔、系统具有一定的柔性.纯机械控制即利用一些机构来实现拄制，其特点是债单、功率较大、柔性差.对于本课题，由于每条I1.有。、/及仪三个弁数需要控制，四条腿就有12个弁数要控制，即若选择电气控制，就需12部伺服电机，再加上与这些电机匹配的减速寿，电气拄制的猫轻、体积小的特点就显示不出来了；若选押液压控制，就需12个液压缸（液压马达），再由于行走过程的顺簸，液压控IM也不太适合.因此，本课题使用凸轮机构来实现这12个弁数的控制.3.4.2 参数选择由于本课题所设计的机詈人是以狗的外形作为弁考模型，因此，总机构的尺寸参数如下：I1.关节偏距I=5OnIn1.小旗长：1.=220w.:大IR

12、长；,=Vi）nnnt步长：S=150其中，步长S是正常行走时的尺寸，转弯或遇到非常状态时，步长应是可变的.为了使步长S可变，弁考（3.3.6）中的控制函数的推导过程，应使假皆长E可变，二者关系见下一节“转弯机构的设计”.343具体设计如前述，使用凸轮机构来实现用、及、这3个叁效的控制，因此设计的重点就是凸轮机构的设计.1、4的拄制一It关节凸轮R关节凸轮控制4的机理如3f,图3-6微关节结构原理图根据平面几何的知板，凸轮的从动件的运动规律为S1=E1.an(11+O1.)所以，凸轮轮廓线上的点的直角坐标值(X,Y)x=(%+S)COSpb=(%+s)sin夕(4)其中，支撑相中的由公式(1)

13、确定(3.3.6),悬空相中的,表3-1确定(见3.3.6).由公式(4)只能得到IK关节凸轮的理的轮廓曲线，实际轮席曲线是以理论轮廊曲线上各点为圆心、以滚轮半径为半径的一族Bi的内包络线.通过上面的理论分析，在PR0/E中建立模型并画出傲关节凸轮的三维实体模型(通过实时渲染后的三维俄图)01.,如图3-7所示：图3-7Ie关节凸轮的三维实体图.注：具体的凸轮绘制方法见附录.2、%的拄制一主凸轮主凸轮控制的机理是将图3-3中移动关节A沿AO1.移动的运动规律作为凸轮从动件的运动规律，凸轮机构如图3-8所示，图3-8主凸轮结构原理图如上节所述，移动关节A的运动规律是沿AO1.匀速移动，所以主凸轮

14、的从动件的运动规律为_2J)1113点其中，s：从动件位移.b移动关节A的运动行程；(P凸轮轴的转角In为凸轮的转向系数，当凸轮转向为顺时针时H=E当凸轮转向为逆时针时n-.以下将求出主凸轮的轮廓I由图3-9,根据平面几何学的知识，可得凸轮从动件平底的直线方程为：v-(2+%)cos0*+q)=-x-(加+sJsin(3+4)an(伊+仇)它是以中为介数的宣线族，而凸轮轮廓线是以该直线族的包络线.由微分几何得知，以彷叁数的曲线族的包络线方程为，其中：f(X,Y,)=o是曲线族的方程，X、Y是包络线上的点的宣角坐标值.所以，凸轮轮廓线方程为:Y,=Ysi(+1.)+Aoj(+)-(+s2)=0二

15、工=Kcoff(+0-11j(+1.)-崇=0即得凸轮轮廓线上的点的直角坐标值ds(5)fX=(ro+s2)cos(+)-TrS5(咐)1ds2IY=(ro+ssi/C+O+nCoS(II班)其中，dsi_2bd3兀由于式(4)中有一个妙tb支撑相中的1.由公式(1)确定(3.3.6),悬空相中的表3-1确定(3.3.6).通过上面的理论分析，在PRO/E中建立模型并画出假关节凸轮的三雉实体模型(通过实时渲染后的三雄栽图)，如图3-10所示：图3-10主凸轮三维实体图3、名的控制一膝关节凸轮膝关节凸轮拄制,的机理如3T1,根据几何知科，膝凸轮从动件的运动规律为：.R,所以，凸轮轮廓线上的点的直

16、角坐标值(X,Y)J-V=(F+XoS(PIY=(5+*；附中(6)其中，支撑相中的夕由公式(3)确定(3.3.6),悬空相中的名表3-1确定(3.3.6).由公式(6)只能得到膝关节凸轮的理论轮廓曲线，实际轮廓曲线是以理论轮廓曲线上各点为BS心、以滚轮半径为半径的一族园的内包络线。B3-11通过上面的理论分析，在PR0/E中建立模型并出I1.关节凸轮的三维实体模型及其相关联的零件图.组装成ASM文件图I”,如图3-12所示I图312齿轮齿条与凸轮配合的三维实体总装图3.5转弯机构的设计如本章第一节总体设计所述，可利用脊柱机构来实现机体的转弯，沙柱机构由脊骨、关节和构成S,如下图，1.臂骨2.

17、关节3.展图3-13转弯机构的结构而图3.5.1控制函数(1)脊柱弯曲控制函数网假设脊柱有A节脊性由于受力情况相似可认为对于每节脊骨均有%=%则的伸缩为Ig大学本4毕生论文=2(w-1.)rtan(2)1.2=-2(n-1.)r(an(62)其中，4一内例腔的伸缩量：A一外侧的伸缩量Ir-It到脊柱轴线的距离.若转弯角不超过45,脊骨多于6节，即。,=-r(n-令户为转弯角(转弯时机体的B1.周角)，则=(n-)那么，脊柱穹曲控制函数为：4=r(2)步长控制函数当机体按图5所示轨迹转弯时，不图3-141.taBK=2R1.卜5)其中，(4)r菽机器人机体转弯轨迹(56一左右两腌足墙距M(体宽。

18、一轨迹对应的一节脊骨的偏角.则内侧与外例步长之比为：51.Ri2a+KOTR2a-B0iiiiii”(6)其中，S为外侧脚步长；S为内侧脚步长.又，S=)其中，图3中关节A到关节O1的距离，A一小艇长：Zb一大M长：关节偏距.故，2a-B兀2a+B0其中，.E一外例IM1.关节偏距I用一内!阅I1.关节偏距.假设外例NHR关节偏距的增量与内AMIt关节偏足的减少量相等，即EiEit-e2a-BOE与+Ae-%+89)其中，K一正常行走时倒关节偏距:T关节偏距增量.由公式(9)可得:因为，=(n-)i1)(12)U=1.1.n其中，AT柱的长度，1.W柱的节数.故，步长控制函数为;3)由上述理论

19、分析可以设计出相应的转弯机构，在PRO/E中建立三维模型的各个零件，然后通过建立姐件(ASM文件即转考机构的总装图)可以牙到组成后的转弯机构.如图3-15所示,图3-15转弯机构总装图3.5.2控制方式由于加、加、Ae均正比于的用一部伺服电机即可实现这三个弁数的控制.然而，为了使机器人在不转弯时也能调整步长，可用三部伺服电机控制，一部控制脊柱中的他八,另外两部电机分别控制左右两例的!关节偏距。3.6 期1构如图3T6所示，的工作原理为，*的两端的*套与机体连接，固定不动；管套是根横胶管，可任意弯曲：筋是根纲丝，筋可以在管套中自由移动；筋的一般的移动必然引起另一端的移动若不考虑的隹的律性，则称为

20、刚性1.若考虑钢丝的弹性，称为“弹性魔”.由于弹性JR比较复杂，使用的腔均为刚性3.7 机器人的外形设计本课题中机舞人外形的设计属于工业设计的范畴而一个产品的设计通过外观线型的奥造、细节的刻画、色调品味等元索的共性化处理，在人们的心目中会建立起风格和特色鲜明的一个形象g本课题选择以狗的外形作为设计的董本，力求使设计的产品能够吸引人们的眼球，获得人们的关注.机器狗的外形如图3-17所示：图3-17机器狗的外形设计图3.8 驱动系统的设计驱动系统在仿生机叁人中的作用相当于生物的肌肉，它通过宜接或间接转动腌部的各关节来改变机器人的姿态.驱动系统必须有足馅的功率对关节进行加减速并带动负栽，而且自身必

21、须轻便、经济、精确、灵敏、可靠且便于雉护.3.8.1 电机的选择为了满足四足机器人行走时的各项要求，其驱动电机的选择至关重要，它与机叁人运动功能的实现、控制硬件的配置、电源能量的消耗、系统控制的效果都有很大的关系.首先必须考虑电机能够提供负载所需的瞬时转矩和转速，此外，其他方面的诸多因素也需要加以考虑.但在多种影响因素中，主要的因素有以下几点t1、电机用于何种产品，做何种驱动，该产品是雉修还是开发生产，颈计批量.了解电机应用对于选型至关童要,可以通过其它类似项目的经睑做出准确的选型,同时可以通过对产品市场类型，批油力的判断，来确定那些方案可行.2、电机与传动机构的配合结构一套好的运动控制方案除

22、了选择合适的电机,还需要合理设计传动机构.丝杠导程的选取，齿轮的传动比，皮带轮的直径，除了考虑机械靖构的紫洪，还应与电机与控制方案联合考虑.一次随意性的丝杠导程选取，可能让您的电机与控制系统增加一倍的价格.而一旦有经验的销售工程师了解到您的传动机构，他可以为您提供整套系统配搭的方案，保证系统的完美组合.3、电机的工作状况.电机在不同的机器中工作状况大不相同，因此需要选择不同种类的系统.比如有的电机仅是在1200rp高速运行，有的只在100rg以下低速工作，有的是每分钟80次快速起停，而有的要求从2.5-360度/秒连续可调且不能有抖动，每一种要求都牵涉到不同的电机选择以及驱动器甚至控制方式的选

23、择，所以有必要详细了解电机的工作状况.4、电机的负我情况.这包括电机的负峨类型，是恒定负酶是变化负峨，电机力矩转化为直线推力，或是旋转带动大惯量负栽，电机负我随转速变化吗.如果可能，推算一下电机在正常工作速度范围内所需的力矩.5、伺服系统的价格、供货期、样品库存、量低定货量等.这些非技术因素也M：200g外形尺寸：总长77.5.外径30皿轴径611n图3-19转弯机构驱动电机图3.8.2 传动设计步行四足机器人根关节的驱动装置为电机+齿轮减速,根关节的转动有一级齿轮进行充速，而I1.关节和膝关节的驱动装置中除了采用上述的减速外，还增加了一SK锥齿轮传动，将经速器主轴传出的旋转运动改变方向，使得传动的输出轴线和腿部中心线合，以适应四足行走机器人腌部如长的外形靖构.如下图3-20所示为一版直齿齿轮传动副的三维实体模型，图3-20一级直齿齿轮传动副的三雉实体模型需要指出四