四足步行机器人腿的机构设计毕业论文

毕业设计（论文）四足步行机器人腿的机构设计

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摘要

本文介绍了国内外四足步行机器人的发展状况和三维制图软件SolidWorks的应用，着重分析了设计思想并对行走方式进行了设计并在此软件基础上四足步行机器人腿进行了绘制，对已绘制的零部件进行了装配和三维展示。展示了SolidWorks强大的三维制图和分析功能。同时结合模仿四足动物形态展示出了本次设计。对设计的四足行走机器人腿进行了详细的分析与总结得出了该机构的优缺点。本文对四足机器人腿的单腿结构分析比较详细，并结合三维进行理性的理解。

关键词：SolidWorks；足步行机器人腿

Abstract

In this paper, fouth inside and outside the two-legged walking robot and the development of three-dimensional mapping of the application of SolidWorks software, focused on an analysis of design concepts and approach to the design of walking and the basis of this software quadruped walking robot legs have been drawn on components have been drawn to the assembly and three-dimensional display. SolidWorks demonstrated a strong three-dimensional mapping and analysis functions. At the same time, combined with four-legged animal patterns to imitate the design show. The design of four-legged walking robot legs to carry out a detailed analysis and arrive at a summary of the advantages and disadvantages of the institution. In this paper, four single-legged robot more detailed structural analysis, combined with a rational understanding of three-dimensional.

Keywords:SolidWorks; four-legged walking robot

目录

摘要 ............................................................................................................. I Abstract ............................................................................................................. II 1 绪论 .. (1)

1.1 步行机器人的概述 (1)

1.2 步行机器人研发现状 (1)

1.3 存在的问题 (5)

2 四足机器人腿的研究 (6)

2.1 腿的对比分析 (6)

2.1.1 开环关节连杆机构 (6)

2.1.2 闭环平面四杆机构 (9)

2.2 腿的设计 (11)

2.2.1 腿的机构分析 (12)

2.2.2 支撑与摆动组合协调控制器 (18)

2.3 单条腿尺寸优化 (21)

2.3.1 数学建模 (21)

2.3.2 运动特征的分析 (23)

2.4 机器人腿足端的轨迹和运动分析 (24)

2.4.1 机器人腿足端的轨迹分析 (24)

2.4.2 机器人腿足端的运动分析 (27)

3 机体设计 (30)

3.1 机体设计 (30)

3.1.1 机体外壳设计 (30)

3.1.2 传动系统设计 (31)

3.2 利用Solid Works进行腿及整个机构辅助设计 (35)

4 结论 (36)

4.1 论文完成的主要工作 (36)

4.2 总结 (36)

参考文献 (37)

致谢 (39)

1绪论

1.1 步行机器人的概述

机器人相关的研发和应用现如今早已变成每个国家的重要科研项目之一，通过运用机器人来代替人们的某些危险工作或者帮助残疾人完成自己所不能完成的事情。在工业，手工业，重工业等方面机器人的辅助功能尤为突出，大大提高了工作效率，节省开支。其中，行走机构比较普遍，比如哈尔滨工业大学自主研发的可以用来进行足球比赛的几个四足机器人，在较小的场地里用机器人踢球看起来非常有趣。

步行是人和自然界的大多数动物所具有的一种运动方式。步行能够比较有效的适应环境的变化，相对于履带式、轮式和蠕动式这些运动方式来说，明显更有发展的前景。一些专家和学者从事于步行机器人的研发工作，并不是为了刻意去追求对复杂系统的研发，而是因为步行机器人确实具有广泛的应用前景，比如在替代危险环境下工作的人们、工厂的维护方面和崎岖地面上的货物搬运工作以及灾害支援救助等方面都具有很好的发展前景。此外，随着目前不断加深的社会老龄化程度的问题，对于老年人的护理、康复医学以及在普通家庭的家政服务等方面步行机器人也可以取得较好的应用。1.2 步行机器人研发现状

20世纪60年代，对于四足步行机器人的研究工作刚刚开始起步。随着计算机技术的发展和机器人控制技术方面的应用研究，20 世纪 80 年代之后，现代四足步行机器人的研发工作进入了广泛的发展阶段。

到20世纪 80、90 年代比较具有代表性的四足步行机器人是由日本的一所名叫 Shigeo Hirose 的实验室研制的 TITAN 系列机器人。1981～1984年Hirose教授成功研制在脚部安装传感和信号处理系统的TITAN-III机器

人。 TITAN-Ⅵ机器人运用了一种新型的直动型腿机构，有效避免了在上楼梯过程中各腿间的干涉，并且采用了两级变速驱动机构，能够实现腿部的摆动相和支撑相分别进行驱动。

图1-1 Tekken-IV机器人

2000-2003 年，日本电气通信大学的木村浩等人研制成功了具有宠物狗外形的机器人Tekken-IV，如图1-1所示。它的每个关节安装了一个光电码盘、陀螺仪、倾角计和触觉传感器。系统控制是由基于 CPG 的控制器通过反射机制来完成的。Tekken-IV 能够实现不规则地面的自适应动态步行，同时它利用了激光和 CCD 摄像机进行导航，能够有效的躲避前方的障碍物，实现无碰撞的行走。

如图1-2所示为美国Boston Dynamics 实验室研制的叫做BigDog的机器人，是目前最具代表性的四足步行机器人，它能在各种恶劣的地形上进行行走，最大负载达到52kg ，爬升斜坡可达 35°。其腿关节类似动物腿关节，安装有吸收震动部件和能量循环部件。同时，腿部连有很多传感器，其运

动通过伺服电机来控制。该机器人机动性和反应能力都很强，平衡能力极佳。但由于汽油发电机需携带油箱，故工作时受环境影响大，可靠性差。另外，当机器人行走时引擎会发出怪异的噪音。

图1-2 BigDog 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:

如下图1-3所示为上海交通大学所研制比较有代表性的两款四足步行机器人，图(a)所示的一款四足步行机器人步行机构采用的是平面四杆机构，该机器人在跨越障碍，沟槽，上下台阶以及通过凹凸不平的地面都具有良好的表现；图(b)所示的一款四足步行机器人JTUWM-H也是由上海交通大学研制的关节式步行机器人。该机器人为足式机器人的经典结构，但速度缓慢，步行速度0.2千米/时。

(a) (b)

图1-3 上海交通大学的二种四足步行机器人

清华大学所研制的两款四足步行机器人，如图1-4所示。它采用了开环关节连杆机构作为步行机构，通过对动物运动机制的模拟，从而达到相对而言比较稳定的有节奏的运动，可以独立处理比较复杂的地形条件，能够轻松完成上下坡行走、越障等功能。该机器人的不足之处是腿运动时的协调控制比较复杂，并且承载能力较小。

(a) (b)

图1-4清华大学的二种四足步行机器人

从上面的例子可以看出美国和日本的研究最具有代表性，他们的技术已经达到先进水平，实用化程度也在逐渐提高之中。由于国内四足步行机器的研究起步比较晚，在上个世纪90年代以后才逐步有了成果，导致现在的研究水平距离世界先进水平还有一定的差距。

1.3 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。由于多关节步行机器人的运动学分析比轮式移动机器人要复杂得多，实现多关节步行机器人的传感空间到关节运动空间的映射是非常困难的一件事情。

从以上的分析中能够看出，对于多关节步行机器人的运动控制，传统的运动控制方案大多数都不够完善。主要原因是想要研制像现实世界中的动物那样运动的机器人，就一定要集多学科研究成果之大成，它的模型建立和计算必然非常复杂。所以本文尝试着从另外一个方向来解决步行机器人的行走运动控制问题。

2 四足机器人腿的研究

2.1 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一。因此从某种意义上说，行走机构的分析主要集中在步行机构的分析上。一般而言，不要设计比较复杂的四足行走机构，如果杆件太多的步行机构会直接导致结构和传动的实现更加困难，因此对于腿部机构所具备的基本要求是：输出一定的轨迹，实现给定的运动要求；具有一定的承载能力；方便控制的要求。现在，世界各地的一些专家和学者对步行机器人的步行机构已经进行了大量的研究，其结构有多种形式，主要结构可以划分成三种机构：闭环平面四杆缩放式机构；开环连杆机构；特殊的步行机构。

2.1.1 开环关节连杆机构

在以前的步行机器人的研究中，一般是仿照动物的腿部结构来对步行机构进行设计。这种机构大部分是由关节式连杆机构来实现。它的优点是具有紧凑的结构，步行机构能够实现较大的运动空间，并且运动非常灵活，因为关节式的步行机构链接的部分是关节，所以在行走的过程中不稳定的状态能够快速的恢复平衡。缺点想要实现运动时的协调控制比较困难，并且它的承载能力比较小。

如图2-1所示为常见的开环关节连杆步行机构的三维模型图形。这种机构是由大、小腿以及髋关节等部分构成的。平面运动机构的主要组成部件是大、小腿，而空间运动则是由髋关节驱动该平面机构从而实现。能够建立如图2-2所示的平面坐标系，髋关节为第一关节，它在1O点环绕Z轴转动，设

它的旋转半径为1L ；大腿关节为第二个驱动关节，在A 点环绕着和大、小腿的运动平面所垂直的轴进行转动，大腿的杆长为2L ；小腿关节为第三个驱动关节，在B 点环绕着和大、小腿的运动平面垂直的轴转动，小腿杆的长度为3L 。同时设逆时针方向为正向角。

图2-1开环连杆步行机构

图2-2开环连杆机构坐标系模型

如图2-2所示，我们可以设髋关节、大腿关节、小腿杆的驱动转角分别为α、β、φ，根据上图可以建立足端C 点的运动轨迹方程如下：

?????===v z u y u x c

c c α

αsin cos

其中：

)cos(cos 321γββ+++=L L L u

)sin(sin 32γββ++=L L v

φγβ-=+ 90

通过上式和图形可以得到，小腿杆能够在转过大臂上部空间内运动（就像人的小臂运动一样），因此在运动的时候，由于臂的末端C 点能运动到比较大的区域，在髋关节进行转动时候，机构的运动空间可以实现三维椭圆状。但是采用这种机构作为步行机构，在机器人的行走过程中，机器人足端的运动范围不能够实现整个可达运动空间的覆盖，大腿杆在转动时也不能到达所有的区域。从上面的原因中能看出，小腿和地面法线的夹角要在一定的范围之内才能够实现。如图2-3所示，设小腿能够转动最大的角度为max φ和小腿

的最大内向（顺时针）驱动角度为n max φ，这时小腿摆动的角度范围能够表示

为：

max max φφφ≤≤n 。 又有β角的求解公式为：

23)90sin(sin L L v φβ--=

令小腿杆在二极限位置max φ、n max φ对应的β值为1β、2β，所以可求得：

?????-++=-++=)90cos(cos )90cos(cos max 3221min max 3121max n L L L u L L L u φβφβ

由上式可知，对于不同的高度值，足端的运动轨迹类似椭圆曲线，当髋关节转动时，将形成三维的运动空间，如下图2-4所示。

图2-3小腿的摆动约束

图2-4足端运动空间

2.1.2 闭环平面四杆机构

闭环平面四杆机构并没有开链式结构承载能力低的缺点，它拥有比较好的刚性和较小的功耗，因此具有较广泛的应用。如图2-5所示为一种比较常见的闭环平面四杆步行机构，它的协调控制非常简单。缩放式腿部的结构拥有比例特性，可以按比例放大驱动器的推动距离从而得到足端的运动距离，它的不足之处是：不论是圆柱坐标还是直角坐标的缩放机构，都需要二个以上的线性驱动关节，这就导致了机械结构较大，质量较重，而且驱动距离限制了机器人足端的运动范围，很难得到比较大的运动空间。

图2-5平面四杆步行机构

图2-6平面四杆步行机构坐标系模型

我们建立如图2-6所示的坐标系模型。B 点髋关节，绕Z 轴转动，转角为α，悬长为1L ；2O 点为大腿杆2AO 的旋转点，杆长为3L ，其与1BO 的延长线的夹角为β；1O 点为大腿杆21O O 的旋转点，杆长为2L ，其与1BO 的延长线的夹角为φ；由此可推出A 点的运动轨迹方程为：

?????===v z u y u x A

A A α

αsin cos

其中： φβcos cos 321L L L u ++=

φβsin sin 32L L v +=

βγφ-=

从所周知，在四杆机构中二根杆重合的时候，机构将会出现死点，为了防止四杆机构死点的产生问题，比较实用的做法是规定一个小腿杆与大腿杆的最小夹角min γ和最大夹角max γ，即在大小腿杆之间的夹角无论在任何情况下都必须要在最小夹角和最大夹角之间：max min γγγ≤≤。就是因为这种限制要求，导致了大小腿的运动受到比较大的限制，组成了平面运动机构。

另一方面，平面四杆机构具有较多的演化方式，比较典型的有：埃万斯四连杆机构，如图2-7所示为该机构的简化形式，用连杆曲线的轨迹作为足端轨迹。这种步行机构能产生近似直线的运动，而且都具有设计比较简单、方便的特点。但是由于四杆机构比较容易产生死锁现象，腿部机构的工作空间受到了较大限制，同时也增加了控制的难度。

图2-7埃万斯四连杆机构

2.2 腿的设计

从运动的角度来看，足端相对于机身应该为直线轨迹，为了实现在崎岖不平的地面上行走，腿的伸长必须是可以改变的。从整体的行走性能来看，

一方面要求机体能够走出直线的运动轨迹或平面的曲线轨迹（在崎岖不平的地面行走的轨迹），另一方面要能够实现转向。行走机构腿部的主要任务是支撑本体和使本体能够实现移动，此外还必须具有脚部的抬起和摆动的动作，如果把本体作为参照物，那么就可以得到足端的运动轨迹如下图2-8（a）所示。

图 2-8 足端轨迹图

实际的足端运动轨迹图如图（b）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“”。其中图形的上半部分对应的是脚掌离开地面的足端运动轨迹，下半部分对应的就是足支撑机体的运动轨迹，支撑相和悬空相的相位角都为π/2。

2.2.1 腿的机构分析

相对而言步行机器人的腿机构是步行机器人一个很重要的组成部分，在设计步行机器人的腿过程中，要求它能够实现承载和运动的功能，同时也要满足结构相对简单、控制方便的要求。

行走机构的腿机构分为开链机构和闭链机构两大类。

开链机构具有工作空间大，结构简单等优点，但因为其承载能力小，刚度和精度都比较差，为了完善这些缺陷，从而产生了闭链机构。不过闭链机构的工作空间很有局限性，分析比较之后，本文选择闭链腿机构来进行研究较好。

腿机构运动要求的必要条件是：

（1）机构所含运动副是转动副或移动副；

（2）机构的自由度不能大于2；

（3）机构的杆件数目不宜太多；

（4）须有连杆曲线为直线的点；

（5）足机构上的点，相对于机身高度是可变的；

（6）机构需有腿的基本形状。

腿机构的性能要求有：

（1）推进运动、抬腿运动最好是独立的；

（2）机构的输入和输出运动关系应尽可能简单；

（3）平面连杆机构不能与其他关节发生干涉；

（4）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。

行走机构腿按照自由度划分为

1.一个自由度

一个自由度的结构可以由四杆、六杆、八杆等组成。四杆机构只拥有一个闭环，它的运动链基本形式只有一种。六杆机构具有两个闭环，其运动链

的基本形式有两种。八杆机构具有三个闭环，其运动链基本形式有十六种。

2.二个自由度

二个自由度的机构可以由五杆、七杆、九杆等组成，他们运动链的基本形式有多种。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，因此不予考虑。

在设计中，将采用斯蒂芬（Stephonson）型六杆机构作为步行机构，步行器的大小腿以二杆组构成，并让它的足端相对运动轨迹能够满足要求，二杆组的构件尽量跟大小腿的结构类似，驱动机构用四杆机构组成。腿机构以二杆组组成，如图2-6 所示，A为跨关节，B为膝关节，C作为足端。

以二杆组作为腿机构，如图2-9 所示，A 为跨关节，B 为膝关节，C 作为足端。

图 2-9 腿机构示意图

步行机构的运动轨迹应该选为近似矩形的形状，因为此时能够保证有效的跨过障碍物，以防止还没有跨过障碍物，其足端就落下，从而失去平衡。

暂取 AB ，BC ，并分别为 9cm 、17cm ，取足端的相对运动轨迹为对称于图 1 的 y 轴，并且当 C 点到C1 和C2 两个点的时候，大小腿近似于拉直状态。这样取得的足端轨迹上的 24 个点的坐标值如表 2-1，这里选定步行机构的步距为 S=14cm ，抬足高度 h=5.25cm 。

表2-1 坐标值表

点位置

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 X

0.75 2 3.25 4.5 5.75 7 7 5.75 4.5 3.25 2 0.75 Y

33 33 33 33 32.25 31.5 29.5 28.75 28.38 28.1 27.8 27.75 点位置

13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 X

-0.75 -2 -3.25 -4.5 -6 -7 -7 -5.75 -4.5 -3 -2 -0.75 Y 27.75 27.8 28.1 28.38 28.75 29.5 31.5 32.25

33 33 33 33

下面分析绞链点D 的轨迹，按照图2-9说所建立的坐标，首先建立D 的位置方程

βcos 2l x x c b -= (2-1)

βcos 2l y y c b -= (2-2)

因为AB 为大腿的长度，其为所取的定长，列方程

2122l y x b b =+ (2-3)

把式(2-1),(2-2)代入式(2-3)，并简化得

02)(sin sin cos 2222221=---+++l y x l l y y x c c c c c βββ (2-4)

式(2-4)查询数学手册，可以解β得：

c c c c x z z y x y arctg --+±-=2

222β (2-5)

22222212l y x l l z c c ---=

将β用C 点的位置坐标表示后，可得D 点的位置坐标

)cos(3γβ+-=l x x b d (2-6)

)cos(3γβ+-=l y y b d (2-7)

上式(2-6)，(2-7)中的3l 和γ是决定D 点相对于动杆BC 位置的参数，当3l 和γ取同一系列不同数值时，可以绘制出D 的图谱如下图2-10所示。

图2-10 图谱

D 点轨迹由一个四杆机构实现，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 1010<<-γ，能在图谱中找到，综合考虑

D 点轨迹与图谱连杆曲线一致性以及机构具有好的构形，确定D 的位置尺寸

为cm l 5.153=， 9=γ，相应四杆机构为下图2-11。