四足仿生移动机器人结构设计

毕业设计说明书作者：学号：系：机械工程学院专业：机械设计制造及其自动化题目：四足仿生移动机器人结构设计指导者：副教授评阅者：目次1 概述 ................................................. 错误!未定义书签。

1.1 绪论............................................ 错误!未定义书签。

1.2 国内外研究现状及关键技术........................ 错误!未定义书签。

1.3 本课题主要研究内容.............................. 错误!未定义书签。

2 四足仿生移动机器人的结构设计原则及要求 ................ 错误!未定义书签。

2.1 四足仿生移动机器人的总体方案确定................ 错误!未定义书签。

2.2 机器人机械结构及传动设计........................ 错误!未定义书签。

3 电机的确定 ........................................... 错误!未定义书签。

3.1 各关节最大负载转矩计算.......................... 错误!未定义书签。

3.2 机器人驱动方案的对比分析及选择.................. 错误!未定义书签。

3.3 驱动电机的选择.................................. 错误!未定义书签。

4. 带传动设计 ........................................... 错误!未定义书签。

4.1 各参数设计及计算................................ 错误!未定义书签。

4.2 带型选择及带轮设计.............................. 错误!未定义书签。

5工作装置的强度校核..................................... 错误!未定义书签。

5.1 轴的强度校核.................................... 错误!未定义书签。

5.2 轴承的选型...................................... 错误!未定义书签。

结论 .................................................. 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。

1 概述1.1 绪论随着机械制造行业技术水平的提高及机械电子、计算机、材料等学科的发展，促进了机器人应用到更广泛的行业领域内。

由于人类探索活动的广度和深度不断提高，加速了机器人的发展与应用。

自然环境中有约50％的地形，轮式或履带式车辆到达不了，而这些地方如森林，草地湿地，山林地等地域中拥有巨大的资源，要探测和利用且要尽可能少的破坏环境，足式机器人以其固有的移动优势成为野外探测工作的首选，另外，如海底和极地的科学考察和探索，足式机器人也具有明显的优势，因而足式机器人的研究得到世界各国的广泛重视。

现研制成功的足式机器人有1足，2足，4足，6足，8足等系列，大于8足的研究很少。

曾长期作为人类主要交通工具的马，牛，驴，骆驼等四足动物因其优越的野外行走能力和负载能力自然是人们研究足式机器人的重点仿生对象。

因而四足机器人在足式机器人中占有很大的比例，一直以来也是国内外机器人领域的研究热点之一。

作为机器人的一个极其重要分支，四足移动机器人相对与两足步行机器人具有较强的承载能力、较好的稳定性，而且结构又比六足、八足步行机器人简单，因而深受到各国研究人员的重视。

在四足移动机器人中，机构重要部分之一足结构的设计，是机器人设计的关键，设计得当可使其机构简单大大简化控制方案。

有学者认为：从稳定性和控制难易程度及制造成本等方面综合考虑，四足机是最佳的足式机器人形式，四足机器人的研究颇具实用价值和社会意义。

1.2 国内外研究现状及关键技术1.2.1 国内外研究现状日本在四足机器人研究领域最具成果，最具有创新性的成果是电气通信大学研制成功的采用基于神经振荡子模型CPG(Central Pattern Generator)的控制策略[1]而CPG是足式机器人近10年来在控制方面取得的最具突破性成果[2]。

2000-2003年研制成功具有宠物狗外形的机器人用一台PC机系统控制，瑞士Maxon直流伺服电机驱动，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。

基于CPG的控制器用于生成机体和四条腿的节律运动，而反射机制通过传感器信号的反馈，来改变CPG 的周期和相位输出。

机器人能够实现不规则地面的自适应动态步行，显示了生物激励控制对未知的不规则地面有自适应能力的优点。

美国的四足机的典型代表是卡耐基美隆大学研制的BigDog，外形体特和比例很像一条凶猛的猎犬，是仿生机器人中最像仿生对象的机器人之一，它能够在泥泞地面或粗糙的瓦砾地面以不同步态自如行走，最大负载52KG，具有很强的野外行走能力。

最大的特点是在剧烈的侧面冲击作用下，仍具有很好的机体平衡能力，能保持平衡而不倒，如图1所示。

现已计划深入研究BigDog四足移动机器人，使其性能达到实现多种动态移动，如平衡、走、爬行、跑等，并使其多方面达到一个新的水平[3]，具备识别粗糙地形、运载货物能力、自主控制能力等。

图1 美国卡耐基美隆大学研制的BigDog加拿大McGill 大学智能机器中心机器人技术实验室研制了Scout-I与Scout-II 两代四足移动机器人，Scout-I的每条腿仅有l个自由度，髋部也只有1个驱动器，主要被用来进行行走控制，它的机械结构虽然简单，却有着良好的动态稳定性，如图2；图3自主型奔跑机器人Scout-II，也是髋部只有1个驱动器，但只需改变前腿和后腿的触地力矩和触地角度4个参数，控制两个自由度的变量，进而就可以控制机器人的运动。

图2 Scout-I 图3 Scout-II 1998年BISAM四足机器人由德国开发。

该机器人主要结构由头部、4条腿和主体组成。

四足机器人总重为14.5kg，内部装有立体摄像头、处理器、微控制器及电池。

法国的Bourges (France)大学也研制成功SILO4系列四足机器人。

韩国设计一款了从地面到墙壁的行走的四足爬墙机器人MRWALLSPECT-III，并完成了试验。

从20世纪80年代我国开始了四足移动机器人的研究，并取得了一系列的研究成果，积累了丰富的研究经验。

非常规行走机构的研究从70年代开始，由吉林工业大学陈秉聪教授和庄继德教授分别带领两个研究小组研究。

1985年，一台具有两条平行四边形腿主要用于无硬底层的水田耕作的步行机耕船台车试验成功，并土槽中表现出较高的牵引效率。

1991年，JTUWM 系列四足步行机器人由上海交通大学马培荪等成功研制。

JTUMM—III，仿制马腿的3个自由度，各个关节的运动由直流伺服电机分别驱动。

该机器人采用两级分布式控制系统，有PVDF测力传感器装在脚底，采用模糊算法与人工神经网络相结合，位置和力混合控制，实现了四足步行机器人JTUMM—III的慢速动态行走，极限步速为1.7 km／h 。

为了提高步行速度，将弹性步行机构应用于该四足步行机器人，起到缓冲和储能作用[4]。

另外，1989年，北京航空航天大学在张启先教授的指导下，孙汉旭博士进行了刚性足步行机的研究，试制成功了一台四足步行机，并进行了步行实验。

清华大学机器人及智能自动化实验室正在研制QW-1四足全方位步行机器人。

哈尔滨工业大学在对现有地面移动机器人特点分析及结构形式基础上，提出名为HIT-HYBTOR的轮足式四足移动机器人概念模型，3个自由度的轮腿机构被四个独立驱动的轮代替，构成2个自由度的髋关节，有1个自由度的膝关节，轮式机器人和足式移动可以根据环境需求切换。

该模型结合了足式机器人和轮式机器人的优点，轮式和足式两种运动方式根据不同的环境变换，以达到较高的移动速度和良好的运动灵活性的统一，如图下4。

图4 HIT-HYBTOR1.2.2 机器人研究的关键技术运动稳定性研究和步态规划行走稳定性和步态规划是研究足式机器人的不可分割两个基本问题。

四足式机器人因满足三点支撑而容易保证静态稳定性,难点是如何实现动态稳定性[5]。

四足机步态规划方面，目前研究较多的步态方式是模仿马等四足动物行走典型步态：如爬行（Crawl）,对角小跑（Trot）,溜蹄（Pace），跳跃（bounding），定点旋转（Rotation），转向（spinning）等。

这几种步态在实验室条件下均有成功的试验记录。

标准步态比较容易实现，现阶段大量的文献所研究的是这几种标准步态及其转换的规划和控制问题。

如爬行步态（crawl）的规划与稳定性控制[6～9]；对角小跑稳定性步态规划控制（trot）[10～13] ；溜蹄（pace）步态规划控制的有。

跳跃步态稳定性与步态规划奔跑是足式机器人快速移动必不可少的一种步态,且机器人要想越过大于等于自身大小的障碍物，一般移动方式显得无能为力，而动物利用跳跃步态可轻易越过较大的障碍。

另外在月球，火星等外太空微重力环境下，跳跃式前进的效率上具有明显的相对优势。

目前对四足机步态研究，跳跃步态的研究是最具挑战性的难点问题，原因是：（1）需要复杂的机体和腿机构的协调动作控制，同时腿机构的摆动惯性力对机体姿态的动力学性能影响明显增大，成为系统不可忽略的动力学因素。

（2）腿机构的缓冲装置是必不可少的，否则机体的关节将受到很大的冲击力，有可能损坏关节和驱动元件。

（3）跳跃步态需要更大的瞬时驱动力，现有的腿机构的驱动元件的功率密度还不能达到设计要求。

解决跳跃步态的有效方法是仿生学的应用。

腿机构的设计：腿机构是足式机器人的关键部件，腿机构的自由度数和工作空间是足式机器人能够实现的可能步态的几何基础；另外足的布局形式，腿的质量都对稳定性和步态也有较大的影响。

要适应野外环境的顺应行走，对腿机构有特殊的要求。

行走效率及便携式能源：在运动过程中各关节的关节角在不断的变化中，力或力矩的传递效率平均值较低。

且行走速度与负载有很大的关系。

腿机构的效率和能量利用率目前还很低。

高效的动物腿机构给研究提供了很好的借鉴，但机器人各关节的驱动方式与动物存在很大的不同，动物的肌腱肌肉均是具有弹性的储能元件。

机器人的腿机构和关节均为刚性连接，不但不能储能，且因触地的冲击，要消耗掉许多能量。