行走机器人运动结构特性分析
六自由度机器人运动学及主要构件的有限元分析
第6期2021年2月No.6February ，2021六自由度机器人运动学及主要构件的有限元分析摘要：文章以六自由度机器人为研究对象，根据实际的作业情况，对机器人进行运动学分析以及主要构件的有限元分析。
运动学分析分为正运动学分析和逆运动学分析，解决的是机器人的手臂转向何方，分析的是手部的速度、加速度和位移。
有限元分析主要是机械系统静力学分析。
对主要构件建立模型、模型简化、网格划分，根据危险工况的受力情况，分析了各构件的应力、形变等性能，确保结构设计合理。
对于工业机器人机械结构、传动等方面，运动学和有限元分析能够判断整机设计是否达到设计目标，对结构件的优化设计具有重要的意义。
关键词：六自由度；机器人；运动学；有限元分析中图分类号：TP242.2文献标志码：A 程锴（南京以禾电子科技有限公司，江苏南京210039）作者简介：程锴（1981—），男，江苏南京人，工程师，硕士；研究方向：电子产品总体结构设计。
江苏科技信息Jiangsu Science &Technology Information引言在当前科学技术不断进步和快速发展的背景下，很多先进的技术手段被广泛应用在各个领域中［1］。
特别是机器人在工业中得到广泛的应用，在实际运行过程中，类似于码垛搬运的六自由度机器人在搬运货物中节省大量劳动力，但安全性与可靠性一直备受考验。
因此，本文主要对六自由度机器人进行运动学和静力学分析［2］。
机器人运动学研究解决的是机器人的手臂转向何方，分析的是手部的速度、加速度和位移。
运动学方程是进行机器人位移分析的基本方程，也称为位姿方程。
机器人运动学分为正运动学分析和逆运动学分析。
正运动学是机器人运用各个关节角度、各个构件车长度等已知条件来判断末端执行器在三维空间中的位置；而逆运动学正好相反，它解决的是机器人需要如何运动才能使得末端执行器到达指定位置这一问题。
静力学分析用来分析结构在给定静力载荷作用下的响应。
第三章_机器人运动学
举例（example）
• 一个差动驱动机器人（针对图3.3所示机器人） 将滚动约束和滑动约束方程联合起来可得到式：
J1 ( s ) J C ( ) R( ) I 2 1 s 0
由于小脚轮无动力，并可在任何方向自由运动，因此可忽略第三个接触点。 其余两个轮不可操纵，因此 J1 ( s ) 和 C1 ( s ) 分别简化为
• 瞬时转动中心 ICR （instantaneous center of rotation） 在任何给定时刻，轮子必定沿着半径为 R的某个圆瞬时的运动，使得那个圆的中心 处在零运动直线上，该中心称为瞬时转动 中心。它可以位于沿零运动直线的任何地 方。
•
要使机器人运动存在一个单独的解，必须有 一个单独的ICR，即所有的零运动直线在一个单 独点相交。 • ICR的几何特性显示了机器人的活动性是机 器人运动上的独立约束数目的函数而不是轮子数 目的函数。 • 独立的滑动约束的数目可用 C1 (s ) 的秩来描述
.
.
.
.
（1）
• 其次，计算在YR 方向的贡献
由于没有一个轮子可以提供侧向运动， 所以沿YR 方向的速度总是零。 • 最后，计算旋转角速度分量。可独立的计 算各轮的贡献，且只要简单相加即可。 . .
r 1 r 2 1 2 2l 2l
（2）
ห้องสมุดไป่ตู้
• 联合式（1）和式（2）得到差动驱动机器人的 运动学模型如式（3）所示：
x I y
• 为了根据分量的移动描述机器人的移动， 需要将全局参考架下的移动映射到局部参 考框架下的运动。该运动可由正交旋转矩 阵来完成：
举例（example）
第八讲机器人的腕部结构
一、手腕的自由度
1．手腕的自由度 ．
为了使手部能处于空间任意方向，要求 腕部能实现对空间三个坐标轴X、Y、Z 的旋转运动。这便是腕部运动的三个自 由度，分别称为翻转R（Roll）、俯仰P （Pitch）和偏转Y（Yaw）。 并不是所有的手腕都必须具备三个自由 度，而是根据实际使用的工作性能要求 来确定。
直线运动转化为旋转运动
轮系驱动三自由度手腕图例（3）：
偏转运动
油缸1中的活塞左右移动→带动链轮2旋转→锥齿轮副 Z3/Z4→带动花键轴5、6旋转→花键轴6与行星架9连在 一起→带动行星架及手腕作偏转运动
轮系驱动三自由度手腕图例（4）：
附加俯仰运动： 附加俯仰运动：
轴B、轴S不转而T轴回转→齿轮Z23、Z21不转→当行星架 回转时→迫使齿轮Z22 绕齿轮Z21 的过程中自转→经过Z20、 Z16、Z17、Z18实现附加俯仰运动
直接驱动手腕： 直接驱动手腕： 手腕
驱动源直接装在手腕上。这种直接驱动手腕的 关键是能否设计和加工出尺寸小、重量轻而驱 动扭矩大、驱动性能好的驱动电机或液压马达。
远距离传动手腕： 远距离传动手腕： 手腕
有时为了保证具有足够大的驱动力，驱动装置 又不能做得足够小，同时也为了减轻手腕的重 量，采用远距离的驱动方式，可以实现三个自 由度的运动。
轮系驱动二自由度手腕图例（4）
思考题： 思考题：
图中所示的情况，当 S轴不输入，只有B轴 输入时，腕部存在哪 些运动，为什么？
4．轮系驱动的三自由度手腕 ．
结构特点： 结构特点： 特点
该机构为由齿轮、链轮传动实现的偏转、 俯仰和回转三个自由度运动的手腕结构。
直线运动转化为旋转运动
俯仰
轮系驱动三自由度手腕图例（1）：
全向轮足球机器人结构设计与运动特性的分析
１ ． １ 全 方 位轮
层 ，各 层与 各 层之 间 主要 通过 支 撑杆 螺栓 进 行连 接 。
２ 运动 模 型
本文 以单 排 全 方位 轮 为 例 进行 分 析 ，如 图 １ ，假 设 机 器 人 与 地 面之 间 均为 刚 体 ，轮 子 的宽 度忽 略 不 计 ；从 动 轮 、主 动轮 只发 生 纯 滚动 ；机 器 人底 盘 重心 在 电机 轴线 交 点上 ；全 方 位 轮分 布 在 同一 圆周 上 ；三 个轮 子 始 终 与地 面 垂 直并 保 持点 接触 。 三轮 运 动模 型 如 图２ 为 机 器人 运 动学 分 析图 ： 图１单排全方位轮
学 术 研 讨
南缸． 科技 ２ ０ １ ３ 年第３ 期
全 向轮足球机ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ器人 结构设 计 与运 动特性 的分析
王 利 利 李 卫 国 张 荣 徐 晓 翔
内蒙 古 工业 大 学
摘 要
Ｏ １ ０ ０ ５ １ 呼 和 浩 特
由于 全方 位足 球 机 器人 在 车体 布局 的结 构 上 需要加 装带球 、击 球和 挑球 等机 构 ，从 而使 车体 布局 对称 性 的 问题
全 方 位 移 动 机 器 人 之 所 以可 以实 现 灵 活 的 运 动 主 要 是 由于 其 全 向轮 系 的结 构所 定 ，全方 位轮 系 的基 本 结构 都 是 通过 小轮 镶 嵌 在 大轮 的 内部来 实现 运 动 的 。这样 可 以保 证机 器 人 在运 动 的过
程 中始终保持与地面有接触，进而保证了车体运动的平稳性 ，同
点内 外 交错 ，当机 器人 在 进行 旋转 运 动 的过 程 中会 产 生非 线性 影
响，使机器人实际的运动方向有所偏移。
微小管道机器人移动机械运动学与动力学特性
究领域 重要 的研 究 内容 之 一 。在 分析研 究行 星齿轮 驱 动 的微 型机 器人 移动 机 构 的 运 动 学 和 动 力学 特 性 的 基 础上 ， 细讨 论 了移动 机 构的 原 理 、 能及 影响 因素 。研 究表 明 ， 过提 高移动 机构 车轮 的 附 着性 和 详 功 通 驱 动 力 ， 小寄 生功 率 的影 响 ， 减 可较 好 地 实现 该微 型 机 器人 驱动 。 关 键 词 ： 型 机 器人 ； 动 机构 ； 动 学特 性 ； 力 学特性 微 移 运 动 中 图分类 号 ：Ｐ ４ ． ：Ｔ １ Ｔ ２ ２ ３ ＨＩ３ 文 献标 识 码 ： Ａ
／ ／ ／ ／ ／ ／ ／
人们 对 小 口径 管道 内异物 的 排 除和 裂纹 的检查 等 特殊 作业 可 以借 助 于微 型 机器 人 完成 。而机 器 人 的行 走 机 构是 其核 心 组 成 部 分 。机 器 人 在 管 道 内 移 动 时 ， 必须 克服 摩擦 阻 力 和 异 物 阻 力 、 动 电缆 线 阻 力 和 机 拖 器 人 在垂 直 管道 内 移 动 时 其 自身 重 力 的影 响 ， 驱 动 其 力与机 器 人 行 走 机 构 的运 动 学 与 动 力 学 特 性 特 别 相 关‘ 。 为此 ， 者 针 对 一 种适 用 于 小 口径 管 道 内 作 卜 笔 业 的行 星齿轮 式 微 型 机 器 人 ， 展 了对 行 星齿 轮 减 速 开
而是有 着 向 前 的 滑 移 速 度 ， 以 车 轮 直 线 运 动 速 所 度：
＝ ， ＋ ＝ ・叫 ＋
一
：
＿ … … … 一 Ｉ ＿
｝
／ ／
此 时瞬 心 移至 ０ ：点 ， 当 于 半 径 为 Ｏ 的 车 轮 在 作 相 ０ 纯滚 动 ， 图 ２ ｂ 所 示 。 如 （） ２ １３ 滚动 时带 有 滑转 ． ．
工业机器人机器人本体设计分析
工业机器人机器人本体设计分析声明：本文内容信息来源于公开渠道，对文中内容的准确性、完整性、及时性或可靠性不作任何保证。
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一、机器人结构设计机器人的结构设计是指针对特定任务和工作环境，对机器人的外形、连接方式、关节结构等进行设计和优化的过程。
合理的机器人结构设计能够提高机器人的功能性、灵活性和稳定性，从而更好地完成各种任务。
下面将从机器人的外形设计、连接方式设计以及关节结构设计三个方面详细论述机器人结构设计相关内容。
（一）外形设计1、外形尺寸设计：机器人的外形尺寸设计需要考虑到工作空间的限制以及任务的需求。
合理的外形尺寸设计可以使机器人在狭小的空间内自由移动，并且能够达到所需的工作范围。
2、外形材料选择：机器人的外形材料选择应考虑到机器人的使用环境和任务特点。
例如，在潮湿的环境中工作的机器人可以选择防水材料，而在高温环境中工作的机器人则需要选择耐高温材料。
3、外形形状设计：机器人的外形形状设计既要满足机器人的运动需求，又要符合人类对机器人的认知和接受。
因此，外形形状设计需要考虑到机器人的动态特性和人机交互的需求。
（二）连接方式设计1、运动连接方式设计：机器人的运动连接方式包括传动装置、连接结构等。
传动装置的设计应满足机器人的工作要求，如速度、精度、承载能力等。
连接结构的设计应具有稳定性和刚度，以确保机器人在高速和大力矩下不发生松动或变形。
2、电气连接方式设计：机器人的电气连接方式包括电缆布线、接插件等。
电缆布线的设计应考虑到机器人的自由度和运动范围，并保证电缆的可靠性和耐久性。
接插件的选择和布局应方便维护和更换。
3、通讯连接方式设计：机器人的通讯连接方式包括传感器和控制系统之间的通讯方式。
合理的通讯连接方式可以提高机器人的响应速度和数据传输效率，从而提高机器人的工作效率和稳定性。
（三）关节结构设计1、关节类型选择：关节是机器人身体各部分连接起来并实现运动的重要组成部分。
毕业论文（设计）基于matlab的双足步行机器人腿部运动模型的建立与运动仿真
诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。
本人签名：年月日毕业设计任务书设计题目：基于MATLAB的双足步行机器人腿部运动模型的建立与运动仿真系部：机械工程系专业：机械电子工程学号：112012337学生：指导教师（含职称）：（讲师）专业负责人：1．设计的主要任务及目标1）通过查阅有关资料，了解双足型机器人主要技术参数；2）双足型机器人的腿部模型建立及运动部件设计3）利用Pro/E完成动作的仿真2．设计的基本要求和内容1）双足型机器人的腿部功能选择；2）模型的建立；3）运动的仿真4）完成毕业设计说明书的撰写3．主要参考文献[1] 孙增圻.机器人系统仿真及应[ J ].系统仿真报，1995 ，7( 3 ):23-29.[2] 蒋新松，主编.机器人学导论[ M ].沈阳：辽宁：辽宁科学技术出版社，1994.[3] 蔡自兴.机器人学[ M ].北京：清华大学出版社，2000.[4] 薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[ M ].北京：清华大学出版社，20024．进度安排设计各阶段名称起止日期1 发放毕业设计题目及选题2015.03.03—2015.03.232 查阅文献，了解研究意义，完成开题报告2015.03.24—2015.04.133 编写说明书，已完成工作，完成中期答辩2015.04.14—2015.05.044 继续编写毕业设计说明书2015.05.01—2015.06.015 提交设计说明书，完成毕业答辩2015.06.02—2015.06.22审核人：年月日基于Matlab的双足步行机器人腿部运动模型的建立与运动仿真摘要：最近几年，双足仿人步行机器人发展很快，有很高的科学研究价值。
步行机器人的运动是模仿人的步行运动的形式，相比其它机器人有更好的灵活性，所以可以完成各种生活中的难度更大的任务，实用价值远高于其它机器人，当然研究难度和控制也相当复杂。
机器人机械手臂运动学与动力学分析
机器人机械手臂运动学与动力学分析1.引言随着科技的不断进步，机器人技术已经广泛应用于生产制造、医疗卫生、军事防务等领域。
机器人的机械手臂是其重要组成部分，通过其灵活的运动能力，使机器人能够执行各种任务。
在机械手臂的设计和控制中，运动学和动力学是两个重要的方面。
本文将对机械手臂的运动学和动力学进行深入分析。
2.机械手臂的运动学机械手臂的运动学研究机器人手臂的位置和运动方式。
运动学分析通常包括正、逆运动学两个方面。
2.1 正运动学正运动学研究机器人手臂的运动学模型与其关节角度之间的关系。
对于n自由度的机械手臂，可以通过构建齐次变换矩阵的方法，将末端执行器的位置和姿态与关节角度联系起来。
2.2 逆运动学逆运动学研究机械手臂如何通过末端执行器的位置和姿态来确定关节角度。
逆运动学问题通常是非线性的，并且存在多解性。
通过使用几何方法、代数方法或数值方法，可以求解机械手臂的逆运动学问题。
3.机械手臂的动力学机械手臂的动力学研究机器人手臂受力和加速度之间的关系。
动力学分析可以帮助我们理解机械手臂的受力情况，为控制和优化机械手臂的运动提供基础。
3.1 机械手臂的运动方程机器人手臂的运动方程是描述手臂在特定坐标系下的加速度与外部力之间关系的方程。
通过运动方程，可以推导出机械手臂的动力学模型。
3.2 动力学优化动力学优化是基于机械手臂的动力学模型，通过优化算法来最小化手臂的能耗、提高执行效率或实现更加精确的运动。
通过对机械手臂的动力学特性进行深入分析，可以找到最佳的控制策略和参数设置。
4.机械手臂运动学与动力学的应用机器人机械手臂的运动学和动力学分析在实际应用中具有重要意义。
4.1 生产制造领域在生产制造领域，机械手臂的运动学和动力学分析可以帮助优化生产线的布局和工艺流程。
通过合理设计机械手臂的运动轨迹和力矩分配，可以实现高效率和高精度的自动化生产。
4.2 医疗卫生领域机械手臂在医疗卫生领域的应用越来越广泛，例如辅助手术机器人。
毕业设计(论文)-智能机器狗结构设计(完整图纸)
智能机器狗结构设计摘要对于我们的未来生活，每个人有不同的构想，但大多数人都相信，在将来的社会，机器狗将作为家庭的一员进入我们的生活，与我们每天朝夕相处。
可现在普遍存在人们心中的疑问是：将来机器狗将以何种身份进入我们的生活，是玩伴还是佣人，智能机器狗的设计就是为了将来机器狗能进入我们中国人的家庭生活，为我们的家庭生活带来欢乐。
本设计采用关节型结构，成功地设计了智能机器狗的本体结构。
本机器狗具有前后行、平地侧行等基本行走功能。
另外机器狗头部还装有CD 摄影机，胸腔内部可装备内置电源和智能设备。
本设计参考了狗的结构组成，使得机器狗结构尽量与狗的本体结构相似，尤其在长度配比方面。
本设计的结构比较复杂，关节数目众多，为了力求优化设计，设计者兼顾了关键部件的互换性和结构紧凑的原则。
所有的关节都用了2036型的直流伺服电机作为驱动源，充分利用伺服电机的特性。
伺服电机的驱动都采用了谐波减速器机构，该减速方案减速比大、效率高，是比较理想的减速方案。
关键词：智能机器狗；结构设计；谐波传动全套CAD图纸，联系695132052Intelligent robot dog frame designAbstractFor our future life, everyone had different ideas, but most people believe that, in future society, the robot dog as a family into our lives, and we can now daily overnight with the common people's hearts Question is: what will be the future status of robot dog into our lives, playmates or servants, the design of intelligent robot dog is to the future robot can enter our Chinese people's family lives, for our happy family life.The design of a joint structure, the successful design of intelligent robot dog, the body structure. The robot dog has before and after the trip, the ground adjacent to the basic operating functions. Another robot is also equipped with CD camera head, chest internal equipment can be built-in power supply, and intelligent. The reference design of the structure of the dog, making the structure as the robot dog, the dog's body similar to the structure, particularly in the area ratio of length. The design of the structure is more complicated, the large number of joints, in an effort to optimize the design, designers take into account the interchangeability of key components of the compact structure and principles. All joints are composed of a 2036-type of DC servo motor as a driver and make full use of servo motor characteristics. Servo motor drives are used harmonic reducer, the slowdown in the programme reduction ratio, high efficiency, The ideal slowdown is a good programme.Keywords intelligent robot dog; structural design; harmonic drive目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (4)1.1 本课题的来源、研究目的和意义 (4)1.2 国内外智能机器人的发展概况 (6)1.3 本设计的主要内容 (8)第2章智能机器狗的设计 (9)2.1自由度的分配及结构方案的设计 (9)2.1.1自由度的分配 (9)2.1.2结构方案的设计 (9)2.2关节驱动方案的选择 (12)2.3传动方案的选择 (13)2.3.1传动方式 (13)2.3.2减速器和减速比的选择 (13)2.3.3电机与减速器的连接方式 (16)2.4结构特点及性能参数 (17)2.4.1智能机器狗的结构特点 (17)2.4.2智能机器狗的结构性能参数 (17)第3章部分关节部件设计计算 (20)3.1各关节力矩的计算 (20)3.1.1膝关节静力矩的计算 (20)3.1.2髋关节向前后运动自由度的静力矩的计算 (20)3.1.3髋关节左右摆动时静力矩的计算 (21)3.1.4颈关节摆动时的静力矩的计算 (23)3.2谐波传动组件的选择与计算 (23)3.3圆柱齿轮减速器组件选择与计算 (23)3.4各关节所需电机的选择与计算 (24)第4章其它部件的选择 (26)第5章成本估算和环保分析 (28)5.1成本估算 (28)5.2环保与经济分析 (28)结论 (30)致谢 (31)参考文献 (32)附录 (33)第1章绪论1.1本课题的来源、研究目的和意义本课题是机器人宠物项目之一。
人体上肢康复外骨骼机器人结构设计分析
1、模式识别：通过机器学习算法对患者的上肢运动模式进行识别，为个性化 康复方案的制定提供支持。
2、运动规划：基于深度学习技术，为患者规划安全、有效的上肢运动路径。
3、效果评估：通过机器学习算法对患者的上肢运动效果进行评估，以便及时 调整康复方案。
六、结论
六自由度外骨骼式上肢康复机器人设计是康复医学和机器人技术相结合的产物。 本次演示通过对该领域的相关研究进行综述，总结了六自由度外骨骼式上肢康 复机器人的设计思路和实现方法。也指出了该领域仍存在的研究空白和需要进 一步探讨的问题，为后续研究提供了参考。
参考内容二
引言
随着现代医疗技术的不断发展，运动康复已经成为了治疗各种上肢运动障碍的 重要手段。而外骨骼上肢运动康复机器人作为一种新型的康复设备，正逐渐被 广泛应用于临床治疗。本次演示将对外骨骼上肢运动康复机器人的系统设计进 行探讨。
一、概述
外骨骼上肢运动康复机器人是一种辅助人体完成上肢运动的医疗设备，它通过 机械结构来模拟人体上肢的运动，并能够根据患者的实际情况进行个性化的康 复训练。该系统的设计主要包括机械设计、控制系统设计、传感器系统设计、 人机交互界面设计等部分。
二、人体上肢运动功能与康复训 练
人体上肢的运动功能复杂且重要，涉及到肩、肘、腕等多个关节的协同运动。 在康复训练中，不仅要恢复患者的日常动作能力，还要恢复患者的肌肉力量、 协调性和灵活性。因此，人体上肢康复外骨骼机器人的设计需要充分考虑上肢 的这些运动功能和康复需求。
三、人体上肢康复外骨骼机器人 结构设计
1、动力学控制：通过建立机器人的动力学模型，实现对机器人运动的精确控 制。
2、神经网络控制：利用神经网络的自适应学习能力，让机器人自动适应患者 的运动模式。
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第19卷第3期湖 北 工 学 院 学 报2004年6月
V ol.19N o.3 Journal of H ubei Polytechnic U niversity Jun.2004
[收稿日期]2004-03-01
[作者简介]段成龙(1980-),男,湖北武汉人,中国地质大学(武汉)硕士研究生,研究方向:机械设计及理论.
[文章编号]1003-4684(2004)0620017202
行走机器人运动结构特性分析
段成龙,张 萌
(中国地质大学机械与电子工程学院,湖北武汉430074)
[摘 要]介绍了行走机器人的发展、分类、结构和运动特性,并详细叙述了几种典型的机器人行走机构和特
点,最后介绍采用U G 设计软件对机器人结构设计的模拟仿真.[关键词]机器人;行走机构;仿真[中图分类号]TP24[文献标识码]:A
行走机器人是机器人学中的一个重要分支.关于行走机器人的研究涉及许多方面,首先,要考虑移动方式,可以是轮式的、履带式的和腿式的等.其次,必须考虑驱动器的控制,以使机器人达到期望的行为.第三,必须考虑导航或路径规划.因此,行走机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统.
1 行走机器人的结构设计技术发展现
状
机器人的机械结构形式的选型和设计,应该根据实际需要进行.在机器人机构方面,应当结合机器人在各个领域及各种场合的应用,开展丰富而富有创造性的工作.对于行走机器人,研究能适应地上、地下、水中、空中、宇宙等作业环境的各种移动机构.
当前,对足式步行机器人、履带式和特种机器人研究较多,但大多数仍处于实验阶段,而轮式移动机器人由于其控制简单,运动稳定和能源利用率高等特点,正在向实用化迅速发展,从阿波罗登月计划中的月球车到美国最近推出的NASA 行星漫游计划中的六轮采样车,从西方各国正在加紧研制的战场巡逻机器人、侦察车到新近研制的管道清洗检测机器人,都有力地显示出行走机器人正在以其使用价值和广阔的应用前景而成为智能机器人发展的方向之一.
2 几种行走机器人行走机构特点
2.1 轮式行走机器人
轮式行走机器人是机器人中应用最多的一种机
器人,滚轮由电机直接驱动,它一般是将具有独立驱动装置、换向装置和制动装置的滚轮安装在由电机驱动的腿结构的末端,这些机构和装置在增强了行走机器人可操作性能的同时,也增加了机器人的重量,一定程度上限制了其机动性能.图1所示机器人是一种特殊的轮式机器人从动轮式机器人
.
从动轮式机器人作为特殊的轮式机器人,其滚轮是作为从动轮,滚轮上无任何附加主动力,通过水平连杆、垂直连杆和滚轮的协调动作,利用滚轮受到的法向摩擦力远大于切向力的特点,可以使系统受到的摩擦力合力指向前方,产生机器人驱动力,驱动机器人运动.从动轮式机器人可实现多种运动姿态,其功能相当于万向轮式行走机器人,具有较大的灵活性[1].
该机器人是由四个装有滚轮的机械腿和机器人本体构成.每个腿有水平连杆和垂直连杆构成,四个腿协调运动.每个机械腿分别有两个直流控制电机驱动.第一个电机控制水平连杆的前后摆动,另一个电机控制垂直连杆内外摆动.根据运动形式,确定四个腿的水平连杆的初始摆角,通过四个腿上的水平连杆和垂直连杆的协调动作,可以调节机器人所受合力的大小和方向,使机器人按要求的路径滑行.
2.2 履带式行走机器人
履带式行走机器人的行走机构支撑面积大,接地比压小,适合于松软或泥泞场地作业,下陷小,滚动阻力小,对路况具有较强的适应性,常见于军用机器人.履带行走方式具有爬坡能力强、承载能力大的特点,因此也常被设计成某些民用机器人.
图2所示机器人是一种特殊的履带式机器人四周履带式机器人的履带结构
.
该机器人采用四周履带驱动,并且多节串连,除可实现一般的直线移动和曲线移动外,还能在爬坡、越障、翻倒、翻滚、严重歪斜以致侧面受阻的状态下继续移动,它的移动状态比较特殊,其一般的曲线和直线移动相对较少,较多的情况则是在侧翻或倾覆状态、机身两面着地或者前后节相互扭转时的移动;在过沟或过台阶的情况下首节抬头越障时的移动.考虑到情况的复杂性,所以借鉴仿生学原理,采用四周履带行走机构,微电机驱动,整机的行走既可协调控制,又可各节单独控制,如整机中的某一节因倾斜而导致侧面受阻时,通过倾斜传感器控制侧面履带工作,从而使各节之间的推拉作用和履带控制转向的灵活性得到充分发挥,在抬头机构的协调作用下实现适应复杂地形的蛇形移动和整机翻滚移动的功能.
该移动机器人整机结构采用多节串联构成(一般不少于3节),每一节都可以单独控制并自行移动,其本身又是由几个独立的履带驱动单元构成四周履带驱动机构.整机主要由行走系、传动系、绞接系、抬头系4部分组成.节与节之间采用广义万向节结构相连;首末2节各有一套柔性抬头机构[2].
2.3 足式行走机器人
根据调查,在地球上近一半的地面不适合于传统的轮式或履带式车辆行走.但是一般多足动物却能在这些地方行动自如,显然足式与轮式及履带式行走方式相比具有独特的优势.足式行走对崎岖路面具有很好的适应能力,足式运动方式的立足点是离散的点,可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点,而轮式运载工具必须面临最坏的地形上的几乎所有点.足式运动方式还具有主动隔振能力[3].尽管地面高低不平,机身的运动仍然可以相当平稳.足式行走在不平地面和松软地面上的运动速度较高,能耗较少.足式机器人种类繁多,有单腿跳跃型、四腿移动型、仿生多足爬行类,以及高级的仿人双腿行走型等.
3 行走机器人的仿真研究
Unigraphics (简称U G )是目前先进的CAD 软
件.该软件可以用来模拟各种机器设备的工作、运动状态,从而验证设备结构设计及参数设定的正确性和优化性.将U G 设计软件应用于机器人行走机构设计中,可以对机器人建立三维几何模型,实现可视化的运动过程模拟.同时,运用其本身的模块可进行一般的运动仿真,如将其模型用Parasolid 导入到ADAM 软件,则可进行更加详细和复杂的运动不和动力学分析.
[ 参 考 文 献 ]
[1] 李金良.混合机构式机器人的动力学建模及参数变化
[J ].机械科学与技术,2003,6(6):22-24.
[2] 江 浩.新型移动机器人的结构设计[J ].应用科技,
2002,3(3):56-58.
[3] 殷际英.关节型机器人[M ].北京:化工工业出版社,
2003.
Movement Characteristic Analysis of R obot
and Movement Emulation
DUAN Cheng 2long ,ZHAN G Meng
(Faculty of Mechanical &Elect ronic Engi n.,Chi na U niv.of Geosciences ,W uhan 430074,Chi na )
Abstract :The development of the robot and its classification ,structure and movement characteristics are introd 2uled and walking structure of several kinds of typical robots and their characterisistcs are described in detail U G software is applied to the emulation of the fobit structual design K eyw ords :robot ;walking structure ;emulation
[责任编辑:张培炼]
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1湖 北 工 学 院 学 报 2004年第3期 。