四足机器人设计报告
《2024年具有串并混联结构腿的四足机器人设计》范文
《具有串并混联结构腿的四足机器人设计》篇一一、引言随着科技的不断发展，四足机器人因其卓越的稳定性和灵活性，在复杂地形中的适应能力越来越受到关注。
本文旨在设计一款具有串并混联结构腿的四足机器人，以提高机器人的运动性能和适应性。
首先，我们将对四足机器人的研究背景和意义进行概述，然后详细介绍其设计原理、结构特点及优势。
二、四足机器人研究背景及意义四足机器人是一种模仿生物四足动物运动方式的机器人，具有较高的地形适应性。
其研究意义在于为军事侦察、环境探测、救援等复杂地形条件下的作业提供有效工具。
在近年来，随着串并混联机构技术的发展，具有串并混联结构腿的四足机器人在运动性能和稳定性方面表现出巨大的潜力。
三、设计原理本设计采用串并混联结构腿，即将串联机构与并联机构相结合，以实现机器人腿部的高效、灵活运动。
其中，串联机构负责腿部的大范围运动，并联机构则负责提高运动的精确性和稳定性。
此外，我们还采用先进的控制算法，实现机器人的实时控制和协调运动。
四、结构特点1. 腿部结构：本设计采用具有串并混联结构的腿部，包括大腿、小腿和足部。
大腿和小腿采用串联机构，实现大范围的运动；足部采用并联机构，提高运动的精确性和稳定性。
2. 驱动系统：采用电机驱动，实现腿部各关节的独立控制。
同时，配备传感器，实时监测机器人的运动状态和环境信息。
3. 控制系统：采用先进的控制算法，实现机器人的实时控制和协调运动。
通过上位机发送指令，控制机器人完成各种动作。
五、优势1. 运动性能：具有串并混联结构腿的四足机器人，能够在大范围运动和精确运动之间实现良好的平衡，提高机器人的运动性能。
2. 适应性：该设计使四足机器人在复杂地形条件下具有较高的适应性，能够完成各种复杂动作，如爬行、跳跃、奔跑等。
3. 稳定性：并联机构的使用提高了机器人的运动稳定性，减少了因地形变化导致的机器人姿态失衡问题。
4. 维护性：模块化设计使得机器人各部分易于维护和更换，降低了维护成本。
四足仿生机器人毕业设计
四足仿生机器人毕业设计毕业设计背景随着科技的飞速发展，机器人技术在工业、医疗、军事等领域发挥着重要作用。
而仿生机器人技术尤为吸引人们的注意，它借鉴了生物学中的智慧，通过模仿动物的结构和行为来实现各种功能。
四足仿生机器人是一种模拟四足动物的机器人，具有行动灵活、稳定性强等优点。
它可以在不平坦的地形上自由移动，拓展了机器人的应用范围。
本毕业设计将设计和制作一款四足仿生机器人，通过对其机身结构、运动控制和智能算法等方面的研究，提高机器人的稳定性、灵活性和智能性能，为未来机器人技术的发展做出贡献。
毕业设计目标本毕业设计的目标是设计和制作一款具备以下特点的四足仿生机器人：1.机身结构紧凑、轻量化，以增加机器人的灵活性和运动速度；2.采用先进的运动控制算法，提高机器人的稳定性和动态能力；3.集成各种传感器和感知技术，使机器人具备环境感知和自主导航的能力；4.具备一定的智能化能力，可以完成基本的任务，如物品搬运、巡逻等。
毕业设计内容1. 机身结构设计与制作1.1 机身结构设计通过研究四足动物的骨骼结构和运动方式，设计一种紧凑而稳定的机身结构。
考虑材料的选择、关节的设计以及机身部件的连接方式等因素，使机器人能够灵活自如地在各种地形上行走。
1.2 机身结构制作根据机身结构设计，制作出机体骨架、关节部件和外壳等，并进行组装和测试。
通过优化机身结构，提高机器人的运动效率和结构强度，达到设计要求。
2. 运动控制算法研究与实现2.1 运动学分析通过对四足仿生机器人的运动学进行建模和分析，推导出机器人的运动学方程，为后续的运动控制算法设计提供依据。
考虑机器人的步态、关节角度和身体姿态等因素，实现机器人的平稳运动和姿态控制。
2.2 动力学分析基于运动学分析的基础上，进一步进行机器人的动力学分析，推导出机器人的动力学方程。
根据机器人的质量、惯性和外部力矩等因素，实现机器人的动态行走和冲击抗性。
2.3 控制算法设计与实现根据运动学和动力学分析的结果，设计机器人的运动控制算法。
《2024年具有串并混联结构腿的四足机器人设计》范文
《具有串并混联结构腿的四足机器人设计》篇一一、引言随着科技的不断发展，四足机器人因其卓越的稳定性和灵活性，逐渐在众多领域展现出巨大的应用潜力。
为了进一步增强四足机器人的运动性能和适应能力，本文提出了一种具有串并混联结构腿的四足机器人设计。
该设计通过综合串联和并联结构的优势，旨在实现更高效、更灵活的移动方式。
二、四足机器人总体设计1. 机械结构本四足机器人采用模块化设计，主要由机身、四条腿以及控制系统等部分组成。
机身负责承载和控制核心部件，四条腿则采用串并混联结构，以实现更好的运动性能。
2. 串并混联结构腿的设计每条腿由串联结构和并联结构混合组成。
串联结构负责实现腿部的直线运动，而并联结构则提供额外的支撑和稳定性。
这种设计使得四足机器人在行走过程中能够更好地应对复杂地形。
三、串联部分设计串联部分主要由大腿、小腿和足部组成。
大腿和小腿采用轻质高强度的材料制成，以减轻整体重量并提高运动速度。
足部设计为可调节的形状，以适应不同地形。
四、并联部分设计并联部分主要起到支撑和稳定作用。
通过多个液压缸或电机驱动的连杆机构，实现腿部在不同方向上的微调，从而提高机器人的稳定性和灵活性。
此外，并联部分还可以帮助四足机器人在行走过程中更好地应对冲击和振动。
五、控制系统设计控制系统是四足机器人的核心部分，负责实现各种运动控制和协调。
采用高性能的微处理器和传感器，实现对机器人运动的实时监测和控制。
通过预设的算法和程序，使四足机器人能够自主完成各种复杂的运动任务。
六、仿真与实验验证为验证设计的可行性和性能，我们进行了仿真和实验验证。
通过在仿真环境中模拟四足机器人的运动过程，分析其运动性能和稳定性。
同时，在实验过程中对四足机器人进行实际测试，以验证其在不同地形和环境下的运动能力和适应性。
七、结论本文提出了一种具有串并混联结构腿的四足机器人设计，通过综合串联和并联结构的优势，实现了更高效、更灵活的移动方式。
经过仿真和实验验证，该设计在运动性能和稳定性方面表现出色，具有广泛的应用前景。
智能四足机器人设计
四足机器人设计与总结报告指导老师：麦文学生：陈伟内容摘要本设计中，机器人的行走是根据四足动物的步行原理，将其运动过程分解，再结合实际模型，抽象出四足运动的基本原理，并制作出结构模型，通过对向前行走、原地左转弯、原地右转弯的控制，从而实现直行的行走。
本设计采用采用MCU控制机器人的步态设计，通过CPLD强大的信号处理功能实现PWM从而对每个舵机进行控制，实现机器人的直行行走。
同时预留了大量的端口，为以后实现寻路、显示、语音等功能提供条件。
关键词：四足步行 PWM 步态规划AbstractThis design, the robot is walking quadruped walking under the principle of decomposition of their movement, combined with the actual model, to abstract the basic principles of four-legged movement, and create structural models, by walking forward, the original to turn left, turn right to control in situ, in order to achieve straight walking.The design uses the robot gait control by MCU design, by CPLD realization of a powerful signal processing functions to each servo PWM control, the robot walk straight. At the same time a large number of ports reserved for the future find its way to achieve, display, voice and other features provide the conditions.Key words:QUADRUPED WALKING GAIT PLANNING PW M目录引言 (3)一、方案设计与论证 (4)二、肢体的结构设计 (5)2.1、舵机的结构 (6)2.2、舵机的控制方法 (7)2.3、舵机安装 (8)2.4、构件的级联 (9)2.5、整体结构介绍 (9)三、步行原理及步态、路径规划 (11)3.1、行走原理 (11)3.2、行走步态及动作时序 (12)3.2.1、初始化 (12)3.2.2、向前行走 (13)四、电路设计 (14)4.1、主控板设计 (14)4.1.1、MCU配置 (14)4.1.2、CPLD配置 (16)4.2、PWM脉宽调制（P ULSE W IDTH M ODULATION）信号产生 (16)4.3、程序流程图 (17)4.4、程序 (18)4.4.1单片机程序 (18)4.4.2、CPLD程序 (19)总结 (25)引言自从人类发明机器人以来，各种各样的机器人日渐走入我们的生活。
《具有串并混联结构腿的四足机器人设计》范文
《具有串并混联结构腿的四足机器人设计》篇一一、引言随着科技的进步和人工智能的快速发展，四足机器人因其出色的地形适应性和稳定性成为了研究热点。
本文将详细介绍一种具有串并混联结构腿的四足机器人设计，旨在提高机器人的运动性能、灵活性和环境适应性。
二、设计目标本设计的核心目标是创造一种四足机器人，其腿部采用串并混联结构，以提高机器人的运动性能、灵活性和环境适应性。
具体目标包括：1. 提高机器人的运动速度和负载能力；2. 增强机器人在复杂地形环境中的适应性和稳定性；3. 降低机器人的制造成本和维护成本。
三、设计原理本设计采用串并混联结构腿，即腿部既包含串联机构，又包含并联机构。
串联机构使得腿部能够实现大范围的运动，而并联机构则提高了运动的精确性和稳定性。
此外，该设计还采用了高强度、轻量化的材料，以降低机器人的重量和制造成本。
四、具体设计1. 腿部结构设计腿部结构采用串并混联结构，包括大腿、小腿和足部。
大腿和小腿通过串联机构连接，实现大范围的运动。
同时，在小腿和足部之间采用并联机构，提高运动的精确性和稳定性。
此外，腿部还设有驱动装置和传感器，以实现机器人的自主运动和环境感知。
2. 驱动系统设计驱动系统采用电机和传动装置，通过控制电机的转速和转向，实现机器人的运动。
为提高运动性能，驱动系统还采用了先进的控制算法，如PID控制和模糊控制等。
3. 控制系统设计控制系统采用微处理器和传感器，实现对机器人的自主控制和环境感知。
传感器包括速度传感器、力传感器和位置传感器等，用于获取机器人的运动状态和环境信息。
微处理器则根据传感器数据和控制算法，实时调整电机的转速和转向，实现机器人的自主运动。
五、性能分析本设计的四足机器人具有以下优点：1. 高运动速度和负载能力：采用串并混联结构腿，使得机器人具有更高的运动速度和负载能力；2. 良好的环境适应性：机器人能够在复杂地形环境中稳定运动，具有较强的环境适应性；3. 降低制造成本和维护成本：采用高强度、轻量化的材料，降低了机器人的重量和制造成本，同时简化了维护过程。
《2024年具有串并混联结构腿的四足机器人设计》范文
《具有串并混联结构腿的四足机器人设计》篇一一、引言四足机器人是当前机器人技术研究的热点之一，具有较高的灵活性和环境适应性。
随着技术的进步，对于机器人性能的要求也在不断提高。
具有串并混联结构腿的四足机器人设计，不仅提高了机器人的灵活性和运动性能，同时也为复杂环境下的应用提供了可能性。
本文将详细介绍这种四足机器人的设计思路、结构特点及优势。
二、设计思路1. 确定应用场景：首先，根据应用场景的需求，确定四足机器人的运动范围、负载能力等要求。
2. 确定结构类型：根据需求，选择串并混联结构作为四足机器人的腿部结构。
这种结构结合了串联和并联结构的优点，既具有较高的灵活性和运动范围，又具有良好的稳定性和承载能力。
3. 设计基本参数：根据应用场景和结构类型，确定四足机器人的基本参数，如腿部长度、关节数量及类型等。
三、结构特点1. 腿部结构：采用串并混联结构，即腿部由串联和并联部分组成。
串联部分负责实现腿部的伸缩和弯曲，并联部分则提高稳定性和承载能力。
2. 关节设计：关节采用模块化设计，便于维护和更换。
同时，关节内含有传感器，实现运动状态的实时监测和反馈。
3. 驱动系统：采用电机驱动，通过控制器实现精确控制。
驱动系统与关节相连，驱动机器人完成各种动作。
四、串并混联结构优势1. 灵活性：串并混联结构使四足机器人具有较高的灵活性，能够在复杂环境中自由移动。
2. 稳定性：并联部分的设计提高了机器人的稳定性，使得在运动过程中能够保持良好的姿态。
3. 承载能力：由于结合了串联和并联的优点，机器人具有较强的承载能力，可适应不同负载要求。
五、控制策略1. 运动规划：根据任务需求，对四足机器人的运动进行规划，包括步态规划、轨迹规划等。
2. 控制算法：采用先进的控制算法，如模糊控制、神经网络控制等，实现机器人的精确控制。
3. 传感器融合：利用多种传感器（如视觉传感器、力传感器等）实现信息融合，提高机器人的环境感知能力和自主导航能力。
四足机器人设计报告
四足机器人设计报告摘要：本文介绍了四足机器人（walking dog）的设计过程，其中包括控制系统软硬件的设计、传感器的应用以及机器人步态的规划。
一、本体设计：walking dog的单腿设置髋关节和踝关节两自由度，能在一个平面内自由运动（见图1.1）。
采用舵机作为机器人的关节驱动器，其单腿结构图见（图1.2）。
为了便于步态规划，设计上下肢L1、L2长均为65mm。
四肢间用铝合金框架连接，完成后照片见（图1.3）。
walking dog 的每只脚底均有一个光电传感器，能有效检测脚底环境的变化。
walking dog的头部为一个舵机，携带光电反射式传感器，能探测前方180度75cm内的障碍物。
图1.1 四足机器人模型图1.2 单腿结构图1.3：完成后照片二、控制系统设计为了使机器人能灵活地搭载各种传感器以及实现不同的步态，将底层驱动单元与上层步态算法平台分开。
因为walking dog的各关节均为舵机，特设计了16路舵机驱动器作为底层驱动单元，用来驱动机器人全身各关节。
并设计了上层算法平台，将各关节参数通过UART 实时地发送到底层驱动单元。
图2.1为系统框图。
图2.1：系统框图1、底层驱动单元设计图2.2给出了舵机的工作原理框图，电动机驱动减速齿轮组,并带动一个线性的电位器作位置检测,控制电路将反馈电压与输入的控制脉冲信号作比较,产生偏差并驱动直流电动机正向或反向转动,使齿轮组的输出位置与期望值相符。
图2.2：舵机工作原理框图针对舵机这一特性，设计底层驱动器的系统结构图见图2.3。
Mage8的16位定时器分时产生16次定时中断，中断子程序产生移位脉冲，通过4N25光偶隔离输入到移位寄存器，实现各路PWM信号高电平部分的分时产生。
图2.4为定时产生脉冲的中断处理流程，图2.5例举了产生4路PWM信号的波形图。
实际电路原理图见附录1。
图2.3：16路舵机驱动器结构图图2.4：定时中断服务流程 图2.5：产生4路PWM 的波形信号2、算法平台的设计步态机器人要求对各个关节实施快速准确的位置控制，因此对控制系统提出了比较高的要求：1、具有大量数据存储能力用来存储大量的步态数据。
《具有串并混联结构腿的四足机器人设计》范文
《具有串并混联结构腿的四足机器人设计》篇一一、引言四足机器人是当前机器人技术研究的热点之一，具有较高的稳定性和良好的适应性，因此在工业、军事、救援等多个领域都有着广泛的应用前景。
随着科技的不断进步，机器人腿部的结构设计也在不断地进行创新和改进。
本文旨在探讨一种具有串并混联结构腿的四足机器人设计，以提高机器人的运动性能和适应性。
二、四足机器人设计概述四足机器人是一种基于仿生学的机器人，其设计灵感来源于自然界中的四足动物。
在四足机器人的设计中，腿部结构是关键部分之一。
传统的四足机器人腿部结构多采用串联或并联结构，但这些结构在运动过程中存在一些局限性，如运动范围小、稳定性差等问题。
因此，本文提出了一种具有串并混联结构腿的四足机器人设计。
三、串并混联结构腿的设计1. 结构设计本设计的腿部结构采用串并混联结构，即在串联结构的基础上增加了并联结构的支撑。
该结构可以使机器人在行走过程中更加稳定，同时也扩大了机器人的运动范围。
具体来说，该结构由大腿、小腿和脚掌等部分组成，各部分之间通过关节相连。
大腿和小腿之间采用串联结构，而小腿和脚掌之间则采用并联结构，通过弹簧等弹性元件提供支撑和缓冲。
2. 运动学分析串并混联结构腿的运动学分析是设计的关键之一。
通过对机器人腿部各关节的角度、速度和加速度等参数进行分析，可以确定机器人的运动轨迹和运动性能。
在本设计中，我们采用了逆运动学分析方法，通过给定机器人的目标位置和姿态，计算出各关节的角度和力矩等参数，从而实现机器人的精确控制。
四、控制系统设计控制系统是四足机器人的核心部分，它负责机器人的运动控制和协调。
在本设计中，我们采用了基于微处理器的控制系统，通过传感器和执行器等设备实现机器人的实时控制和监测。
具体来说，控制系统包括以下几个部分：1. 传感器：用于检测机器人的位置、姿态、速度等信息，以及环境信息等。
2. 执行器：用于控制机器人的运动和姿态，包括电机、液压缸等设备。
3. 微处理器：负责处理传感器信号，控制执行器的运动，实现机器人的控制和协调。
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四足机器人设计报告
摘要：本文介绍了四足机器人（walking dog）的设计过程，其中包括控制系统软硬件的设计、传感器的应用以及机器人步态的规划。
一、本体设计：
walking dog的单腿设置髋关节和踝关节两自由度，能在一个平面内自由运动（见图1.1）。
采用舵机作为机器人的关节驱动器，其单腿结构图见（图1.2）。
为了便于步态规划，设计上下肢L1、L2长均为65mm。
四肢间用铝合金框架连接，完成后照片见（图1.3）。
walking dog 的每只脚底均有一个光电传感器，能有效检测脚底环境的变化。
walking dog的头部为一个舵机，携带光电反射式传感器，能探测前方180度75cm内的障碍物。
图1.1 四足机器人模型图1.2 单腿结构
图1.3：完成后照片
二、控制系统设计
为了使机器人能灵活地搭载各种传感器以及实现不同的步态，将底层驱动单元与上层步态算法平台分开。
因为walking dog的各关节均为舵机，特设计了16路舵机驱动器作为底层驱动单元，用来驱动机器人全身各关节。
并设计了上层算法平台，将各关节参数通过UART 实时地发送到底层驱动单元。
图2.1为系统框图。
图2.1：系统框图
1、底层驱动单元设计
图2.2给出了舵机的工作原理框图，电动机驱动减速齿轮组,并带动一个线性的电位器作位置检测,控制电路将反馈电压与输入的控制脉冲信号作比较,产生偏差并驱动直流电动机正向或反向转动,使齿轮组的输出位置与期望值相符。
图2.2：舵机工作原理框图
针对舵机这一特性，设计底层驱动器的系统结构图见图2.3。
Mage8的16位定时器分时产生16次定时中断，中断子程序产生移位脉冲，通过4N25光偶隔离输入到移位寄存器，实现各路PWM信号高电平部分的分时产生。
图2.4为定时产生脉冲的中断处理流程，图2.5例举了产生4路PWM信号的波形图。
实际电路原理图见附录1。
图2.3：16路舵机驱动器结构图
图2.4：定时中断服务流程 图2.5：产生4路PWM 的波形信号
2、算法平台的设计
步态机器人要求对各个关节实施快速准确的位置控制，因此对控制系统提出了比较高的要求：
1、具有大量数据存储能力用来存储大量的步态数据。
2、实时地采集、处理传感器的数据，以便在控制系统的信号综合中使用。
3、具有良好的控制结构和接口，便于高层控制软件的开发。
4、有一定的预留接口、良好的兼容性和扩展性，以便进行功能扩展和二次开发
根据以上要求，采用ATmega16作为控制核心，将规划好的步态参数存入单片机，单片机根据定时器产生的时钟将相应关节数据发送到底层驱动单元。
同时单片机通过传感器返回的信号感知周围环境，并及时对运动状态进行调整。
三、步态参数化设计
1、离线轨迹规划
为了使机器人行走平缓，要求足底轨迹有二阶光滑度，即有二阶连续导数。
数学上的三次样条插值曲线即可满足上述条件。
设步长λ=40，摆动腿离地最高H=20，可求得：踝关节的轨迹函数()x y f =
323()220(2608*10)8*10
x f x x =-+- [20,0]x ∈- 323()220(2608*10)8*10x f x x =-
-+- [0,20]x ∈ 由踝关节的轨迹函数可得踝关节关于时间的函数：
()()()*,()2
t t t t x y f x T λλ=-= 其中：λ为步长 髋关节关于时间的函数：
2()2,2t x t y Hk T λ
== Hk 为髋关节离地高度，取122.6
用MATLAB 仿真得到：
图3.1：踝关节轨迹坐标
图3.2：踝关节一阶导数
图3.3：踝关节二阶导数
由以上仿真结果可知，在行走过程中机器人的踝关节轨迹、踝关节轨迹的一阶导数和踝关节轨迹的二阶导数都是连续的。
而且摆动腿着地时的速度为零，大大减小了冲击，保证了机器人行走的稳定性。
根据上述髋关节和踝关节关于时间的轨迹函数，可求得各关节角度关于时间的函数：
22
221()()arcsin x x y y θ-+-=
2122222arccos 22()()x x x x y y θπθ-=-+-+-
2、步序规划
目前主要有两类步态机器人的稳定性：静态稳定性和动态稳定性。
静态稳定性忽略机器人的动态性能，采用重心(COG)作为稳定性标准，适用于移动较慢的机器人。
而动态稳定性一般采用零力矩点(ZMP)作为稳定性判定标准，即考虑重力、惯性力及地面反力三者合力矢的延长线与地面的交点。
在对角小跑（Trot ）、溜蹄（Pace ）、跳跃（bounding ）等有较多应用。
由于舵机性能及机械加工精度等方面的限制，WALKING DOG 采用静态稳定性作为约束步态的条件。
静态稳定性约束的步态任一时刻至少应有3条腿与地面接触支撑机体，且机体的中心必须落在3足支撑点构成的三角形区域内，据此设计步态图如下：
图3.4：四足一周期内的步态图
实验结果表明这种步序能使机器人连续稳定地行走。
四、结论
采用模块化设计的方法设计了四足机器人，使其控制简便灵活，可升级性强。
并用步态规划的方法使机器人能稳定连续地行走，并对环境作出简单的感知与反应。
通过实验发现机器人实际行走轨迹与规划的轨迹有较大差别，这对行走的稳定性和速度都造成了较大影响。