四足机器人系统设计.docx

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)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Quadrpedrobotasoneofbionimeticrobots,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.andtheresearchoftheturninginstitutionsisnotfu1.1.ystudiedForthisPUrpQSetheprojectwi1.1.takefour-1.eggedrobotwho1.ebodyasaf1.exib1.erigidbody,andthree-dIinensiona1.mode1.i11gSoftWarCProE4.Oisusedfordesign)ngquadrupc<1.robotmechanica1.systems,anewtrave1.agencybase<1.oncamcontro1.driveispropose<1.9akindof*egmechanismIiiandcontro1.ofthecorrespOndingcamdrivemechanismisdesigned,andaf1.exib1.eturninginstittionispre1.iminarydesigned.Basedonthiswork,thecontro1.systemoftherobotwasdesigned.Especia出，contro1.systemsofthe1954年1960年1968年1970年1978年1984年1998年2002年2006年1.2国内外四足行走机寿人得研究概况目前，常见的步行机器人以两足式、四足式、六足式应用较多.其中，四足步行机器人机构简单且灵活，承能能力强、稳定性好，在抢险救灾、探险、娱乐及军事等许多方面有很好的应用前景，其研制工作一宣受到国内外的重视.本文介绍了国内外在机构设计、步态、控IM等方面已经取得的进展，并分析了其中的关健技术.后，归纳总结了未来四足步行机器人的几个发展趋势Q,以期对以后的研究工作具有指导作用.20世纪60年代，四足步行机器人的研究工作开始起步.M着计算机技术和机器人控制技术的研究和应用，到了20世纪80年代，现代四足步行机密人的研制工作进入了广泛开展的阶段.世界上第一台真正意义的四足步行机叁人是由Frank和McGhee于1977年制作的.该机器人具有较好的步态运动稔定性，但其缺点是，该机器人的关节是由近辑电路组成的状态机控制的，因此机器人的行为受到限制，只能呈现固定的运动形式.20世纪80、90年代最具代表性的四足步行机器人是日本ShigeoHirOSe实验室研制的TITAN系列.1981-1984年Iiirosc教授研制成功脚部装有传感和信号处理系统的TITN-III.它的脚底部由形状记忆合金组成，可自动检测与地面接做的状态姿态传感器和姿态控制系统根据传感信息做出的控制决策，实现在不平整地面的自适应静态步行.T1.TAN-V1.机叁人采用新型的直动型屋机构，避免了上楼梯过程中各腌间的干涉，并采用两级变速驱动机构，对的支撑相和摆动相分别进行驱动.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/V,如13所示.它的每个关节安装了一个光电码盘、陀螺仪、候角计和触觉传感卷.系统拄制是由基于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，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.它的另一特点是利用了激光和CCD霰像机导航，可以辨别和避让前方存在的障碍，能够在封闭回廊中实现无蒯t快速行走.目前最具代表的四足步行机器人是美国Bostondynamics实验室研制的BigDog,如图IT所示.它能以不同步态在寒劣的地形上学履，可以负栽高达52KG的量，鹿升斜坡可达35其胭关节类似动物星关节，安装有吸收震动部件和能*循环部件.同时，脑部建有很多传感器，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，平衡能力极隹.图1-3TekkenIV图14美国“机器舞子”国内四足机器人研制工作从20世纪80年代起步，取得一定成果的研究机构有上海交通大学、清华大学、哈尔滨工业大学”等.图1-5JTUWM-IIi图1-6清华大学四足机制人上海交通大学机器人研究所于1991年开展了JTUWM系列四足步行机骞人的研究.1996年该研究所研制成功了JTUWM-IM1.如1-5所示.该机卷入采用开式锥胸机构,每条胸有3个自由度,它采用力和位JtiB合控制,脚底装有PVDI测力传感器，利用人工神经网络和模糊算法相结合.实现了对角线动态行走.但其步行速度较慢，极限步速仅为1.7knVh,另外，其负重能力有限，故在实际作业时实用性较差.清华大学所研制的一款四足步行机器人，如图1.6所示.它采用开环关节连杆机构作为步行机构，通过模拟动物的运动机理，实现比较稳定的节律运动，可以自主应付复杂的地形条件，完成上下坡行走、越障等功能.不足之处是胭运动时的协调控制比较复杂，而且承峨能力较小.综上所述，美国、日本的研究最具代表性，其技术水平已经较为先进，实用化程度也在逐步提高.国内四足步行机崩的研究起步比较晚，在上个世纪90年代以后才逐步有了成果，但研究水平据世界先进水平还有差距.1.3 机卷人学主要涉及的学科内容机器人学主要涉及控制论、仿生机构学和人工看能三大基础学科.1、人工智能人工智能的研究，采用计算机科学的观点和方法，擞开人脑的细微结构，单纯进行人脑宏观功能的模拟.人工智能是在20世纪50年代后半期，即电子计算机的发展已具备各种复杂工作能力是形成的.2、电子技术电子技术的进步，特别是微处理器、存储器及大规模集成电路的发展，使得机卷人的控制能力提高，而体积减小,另外，大容量晶体管、概控阿流晶体管、场效应管等电子元件的开发，促进了机卷人伺服驱动技术的发展.3、传感技术这是涉及很多学科领械的技术.机叁人有视觉、听觉和触觉等感觉，相应传感技术包括视觉系统的模式版制技术，环境的情景分析，三维位测量技术和皮肤的感觉（如触觉、压觉等力的感觉），其他还有语音板别和自然语言理解等.4、机械技术机器人的手和足要能像人一样灵活动作，必须要有精密灵巧的机触量.小型高强度机施装置的研制，对机器人手、足机构的改进起到了抿大的推动作用.5、仿生机构技术机器人作为一种拟人（动物）的自动机械装J1.就应该像人（动物）一样有手脚，而且实现像人或动物一样以步行方式行走是机寿人学研究缴械篁妥的一个方向.因此，必须进