四足仿生机器人实验平台

摘要论文详细介绍了四足仿生机器人等效运动模型实验平台的设计。实验平台的设计在保证四足仿生机器人各等效运动模型的运动范围及功能验证需求的基础上，能够满足适用于单SLIP、双SLIP、四SLIP等效模型的控制性能测试要求。本实验平台的材料基本上都是采用日本MiSUMi公司生产的自动化用零件组合而成，少部分零部件由于设计方案要求采取自行设计与其他零部件相配合以达到最终设计需求。这样得到的模型在设计完成后能够以最快的速度进行组装以完成实验平台的实体搭建。最终在SolidWorks中进行一些简单的仿真以检验实际方案的可实施性。关键词：四足仿生机器人，控制性能测试，SLIP，仿真。AbstractThe thesis describes the experimental platform design of the quadruped biomimetic robot model of locomotion in detail. On the basis of assuring an enough range of every models locomotion and the functional verification, this platform could contend the need of testing the performance of control for one-SLIP, two-SLIP and four-SLIP models. Most of the material of this platform components by the automation parts of MiSUMi Corporation, only a few completes by own design to satisfy the need of assembly with others owing to the design requirements. In this way, we could build up the solid platform as soon as finishing the models design.In the end, i carried out some simple simulation in SolidWorks to test the implementation of the practical scheme. Keywords: quadruped biomimetic robots, test of control performance, SLIP, simulation目录摘要IAbstractII目录III1 绪论- 1 -1.1课题来源- 1 -1.2本课题的目的及其意义- 1 -1.3 四足仿生机器人研究现状- 2 -1.4本课题的研究内容- 5-2 四足仿生机器人运动模型- 7 -2.1 四足仿生机器人基本运动步伐- 7 -2.2 SLIP运动模型- 8 -2.3控制系统及方法- 9 -3 实验平台设计- 11 -3.1 Solidworks相关特性- 11-3.2 MiSUMi自动化用零件- 12 -3.3 整体方案选型与最终定型- 13 -3.4 实验平台尺寸确定与零件选型- 16 -3.5四足仿生机器人运动学基础仿真- 28 -5总结- 30-致谢- 31 -参考文献- 32 - 34 -1 绪论1.1课题来源本项目来源于国家高技术研究发展计划（863计划）项目开发设计要求。1.2本课题的目的及其意义近年来，随着机器人、机械、电子、计算机、人工智能、传感检测等相关学科的不断进步，研究和开发能够在现有车辆难以到达的复杂地形环境下，携带有效载荷，自主完成长途运输任务的高性能足式智能移动机器人正在成为机器人领域的一个热点，并在科学探索、山地运输、农林业开发、地质勘探、抢险救灾乃至军事行动等领域展示了潜在的应用前景。近年来，各工业发达国家都将其作为具有战略意义的前沿技术，纷纷投入巨资，支持开展全面和深入的研究工作。例如美国Boston Dynamics公司在美国DARPA的支持下，于2004年发布了“BigDog”高速、重载四足仿生机器人原型系统，于2008年又发布了改进版本。从现有公开文献和视频可以看到，BigDog能够在泥沼、冰面、雪地、斜坡、碎石等复杂路面实现较好地稳定行走，如图1-1所示，并能在侧向外力冲击扰动下实现姿态恢复，展示了一定的复杂环境适应能力，掀起了研制具有实用性自律移动机器人的新高潮。 图1-1四足机器人的运动稳定性和步态规划直接影响到最终产品的总体性能。平衡控制是四足机器人稳定移动必备的基本能力，也是当前机器人研究面临的主要挑战，尤其是在野外地面（包括凸凹地面、低摩擦地面、碎石地面、松软地面等）平衡控制更为困难。而在四足仿生机器人步态规划方面，目前研究比较多的是模仿死足仿生动物如马的行走典型步态：如对角小跑（Trot），溜蹄（Pace），跳跃（Bounding）等。 本次毕业设计课题“四足仿生机器人等效运动模型实验平台设计”正是基于这样的一个目的，即设计一个保护平台，并在其上采用动态的实验方法，对不同步态条件下的四足机器人进行动态保护，并通过传感器等装置对整个系统动态条件下的运动特性进行反馈，对四足机器人的机械、控制部分进行完善，进而对四足机器人真正独立行走做准备。1.3 四足仿生机器人研究现状平衡控制是四足机器人稳定移动必备的基本能力，也是当前机器人研究面临的主要挑战，尤其是在野外地面（包括凸凹地面、低摩擦地面、碎石地面、松软地面等）平衡控制更为困难。目前大多数足式机器人只能实现室内平坦地面的行走，仅有BigDog初步具备复杂地形下的自律移动能力，且能够抵抗一定程度的侧向外力冲击。尽管意大利、韩国的一些机构相继展示了类似的四足仿生机器人技术系统，但是他们不得不承认在平衡控制上距离BigDog还有相当大的差距。 对于外部干扰下四足仿生机器人的平衡控制研究，国内在此领域的研究几属空白，国外已发表的相关成果也十分有限。1968年南斯拉夫学者M.Vukobratovic在其步行机器人动态平衡理论中提出了ZMP（Zero Moment Point）的概念，随后日本学者将这种思想运用于实际机器人开发并取得了一定的成功，如早稻田大学的加滕一郎等人将ZMP技术运用于WABOT机器人家族系列WL-10RD机器人控制系统中实现了两足机器人平衡控制与间歇性步态缓慢行走；本田公司研制的ASIMO、索尼公司研制的QRIO均采用了ZMP步态规划控制方法。尽管ZMP取得了一定的成功，但是基于ZMP的运动控制仅适用于足式机器人低速行走的情形，究其实质，ZMP的基本思想是基于几何力学作用关系使得机器人运动能够维持姿态稳定。为了使ZMP适用于机器人动态行走，不少学者在原有的ZMP理论上提出了改进。平井等人(1998年)提出一种通过实时调整机器人的实际ZMP轨迹来趋近于设计的理想ZMP轨迹来保持机器人的步态平衡方法。虽然ZMP存在很多优点，但其在某些方面仍存在局限性，正如Joo P. Ferreira指出尽管ZMP原理和由ZMP派生的LIPM原理已经成功运用于世界上最先进的两足机器人，但它们在控制足式机器的步态时仍然缺乏柔顺性。目前基于ZMP原理的步态控制方法鲜有应用于复杂环境的高速四足机器人的实例。另外一类机器人平衡控制方法是基于姿态的主动控制。根据对于模型的依赖性，又可分为无模型的、模仿神经活动的控制方法和基于动力学模型的方法。基于中枢模式发生器(CPG)的控制是一种代表性的无模型的、模仿神经活动的控制模式。CPG是模拟生物低级神经中枢的自激行为引起自发节律性运动的控制方法，能够在缺乏高层控制信号和外部反馈的情况下，自动产生稳定的振荡行为。S.T.Venkataraman首次利用CPG实现了六足昆虫机器人的步态生成与控制，完成了节律运动的生成。Shinkichi Inagaki等人建立了CPG的数学模型并把它应用到了多足机器人的控制上。P.Arena等人通过以CPG作为底层运动控制器的分层控制方法，实现了机器人在不平路面上的平衡运动。尽管有这些成功案例，但是由于当前计算能力的制约，神经网络中神经元个数十分有限，CPG控制远未成熟。因此，只能适用于相对简单的场合且灵活性和柔性均较差，不能适应非结构环境与复杂的地形扰动。基于动力学模型的控制方法，则受到模型精度和复杂度的制约。通常情况下对于四足步行机器人运动学方面的研究，其一般方法是首先建立各坐标系，如地面参考坐标系、机体坐标系、腿部坐标系等，然后根据几何条件及运动条件建立各坐标系间的位姿变换矩阵，从而得到机器人各运动部件间及地面参考坐标系间的运动学模型。而动力学模型的建立更为复杂，由于四足步行机器人是一个多变量、强耦合、本质上非线性和时变的动力学系统，要建立一个正确完整、完全符合实际的动力学模型非常困难。为了满足控制的实时性要求，1986年美国麻省理工学院的Raibert独辟蹊径，出版了第一本介绍足式机器人动态平衡控制的专著，开创性地将等效虚拟腿的概念引入足式机器人中，把四足、两足、单足机器人的动态稳定控制问题最终均简化为矢状面内的单弹簧加载倒立摆（SLIP）的动态控制问题，从而较好地实现了单足跳跃、双足跳跃、四足机器人对角小跑、跳跃、奔跑等对动态平衡控制要求较高的运动步态。随后，许多学者在Raibert的研究基础上进行延伸和扩展，Gregorio等人研制了1DOF单足跳跃机器人“ARL Monopod-I”，并在其基础上增加了顺应机构开发了“ARL Monopod-II”；Berkemeier和Desai设计了一种新型2DOF电驱动单足跳跃机器人；Zeglin等人仿袋鼠运动研制了三连杆铰链连接的单腿跳跃机器人“Uniroo”；为了更好地进行能量转换，Hyon等人增加了“肌-腱”系统并开发了铰链式仿生单足跳跃机器人“Kenken”等。在单足跳跃机器人研究的基础上，研究者将等效SLIP模型平衡控制方法扩展到双足、四足、六足等足式机器人系统中，最为典型的为Mcgill等大学研制的“SCOUT-I&II”型四足机器人和六足机器人RHex。尽管如此，由于等效SLIP模型仅仅是机器人在矢状面上的等效，只能适用于平整地形上的二维平面运动，对于各种外力冲击扰动和复杂地形惯性扰动等情况则不适用。因此，寻找适合扰动情况下的空间等效模型依然是一个有待解决的问题。为了稳定和可靠的步行，四足仿生机器人除了必须满足在动力学模型基础上分析得到的稳定性条件外，还要满足机体作用力的平衡以及脚底作用力的约束等，所以四足仿生机器人的力控制也非常重要，这就是所谓的脚力规划和分配问题。从1976年至今，国内外许多学者对此进行了一系列的研究。McGhee和Orin运用一种“最优化方法”（optimization method）用于解决足式机器人脚力分配的不确定性问题，Klein等人利用伪逆法得到脚力分配的最小欧氏范数解。Waldron和 Kumar将脚力系分解为交互力系和平衡力系，基于零作用力的假设得到其脚力分配，该方法在后来的研究结果中得到了证明。Gao X.C.和 Song X.M.提出一种刚性矩阵法,该方法在解决脚力分配问题时考虑了机器人腿部结构、驱动器以及地面的弹性变形，更适用于实时控制或仿真实验。2005年，华中科技大学机械学院陈学东等人在推导四足步行机器人的动力学模型的基础上，利用平方规划方法研究开发适用于实时控制的四足步行机器人脚力分配的新算法。这些方法都是基于常规步态而提出的，而在扰动情况下就引入了微分代数规划问题、时变拓扑、时变摩擦锥等诸多问题，使得脚力规划与分配算法更为复杂。 此外，在外力大冲击扰动下，机器人动态行走的渐进稳定性也是平衡控制必须解决的一个关键问题。目前对于足式机器人的运动渐进稳定性的研究主要集中在动态步态（如奔跑）的控制策略，控制算法方面，且主要集中在两足机器人方面，多足机器人的运动渐进稳定性研究较少。基于渐进稳定性的或考虑到渐进稳定性的针对两足机器人或多足机器人的动态步态的控制方法。这些方法有的控制精度高，如Guanzheng Tan的实时控制计算策略；有的地形适应性广，如J.P. Ostrowski的非线性反馈算法；有的控制性能和效率高，如Fumihiko Asano的步态发生和控制的方法；有的适用于二足乃至多足机器人的快速奔跑控制，如Uluc Saranli提出的控制器。然而，没有哪一种方法综合满足地形适应性、实时性、抗扰性、快速性等要求。综上所述，虽然很多学者和公司在足式机器人平衡控制方面进行了丰富的研究，但目前的研究成果尚不能满足高性能足式机器人在多种复杂地面条件下（碎石、废墟、坑洼、泥沼、雪地、陡坡等）或者受到外界大推力干扰条件下的平衡控制要求。因此，研究四足机器人在多种复杂地面条件和外力大冲击扰动情况下的姿态稳定控制方法是四足机器人走向实用面临的一大挑战。1.4本课题的研究内容1熟练掌握CAD软件工具A、熟练掌握3D建模软件，如SolidWorks、Inventer等；B、熟练掌握2D绘图软件，如AutoCAD等；2完成四足仿生机器人各等效运动模型控制性能测试需求分析A、了解并分析四足仿生机器人单SLIP、双SLIP、四SLIP等效模型及单腿运动机构的运动形式及运动范围；B、分析各等效模型控制性能测试需求；C、提出等效模型实验平台设计指标，包括空间尺寸、主/被动自由度数、可变构型等； 3完成四足仿生机器人等效运动模型实验平台详细设计； A、根据设计指标进行实验平台详细三维结构设计，需实现基本功能包括： a. 单SLIP模型弹跳运动不间断测试； b. 双SLIP模型弹跳及俯仰运动测试； c. 四SLIP模型横滚横移及常规步态不间断测试； d. 单腿运动机构等效刚度测试； e. 必要的传感器检测分析； B、完成平台搭建所需的器件选型 C、进行实验平台功能仿真；2 四足仿生机器人运动模型2.1四足仿生机器人基本运动步伐通常情况来讲，四足仿生机器人的步态目前研究较多的是：爬行（Crawl），对角小跑（Trot），溜蹄（Pace），跳跃（Bounding），定点旋转（Rotation），转向（Spinning）等，如图2-1所示。这几种步态在实验室条件下均有成功的实验记录。有人将X-Crawl，Y- Crawl，O- Rotation及其相反方向的步态称为标准步态。标准步态比较容易实现，现阶段大量的文献多研究的是这几种标准步态及其转换的规划和控制问题。如爬行步态的规划与稳定性控制；对角小跑稳定性步态的规划与稳定性控制；溜蹄步态的规划与稳定性控制。对角小跑步态属于动态稳定步态，能够提高运动速度。跳跃式步态较其他步态在前进的效率上具有明显的优势，但是由于受到腿机构的摆动惯性力和关节处大冲击力的影响，因此需要较大的瞬时驱动力并且腿机构的缓冲装置也是必不可少的，否则集体关节将受到很大的冲击力，有可能损坏关节和驱动元件。另外，跳跃的持续时间是比较短暂的，为了保证四足机器人的实时可控，必须在极短的时间内采集多种信号，这对目前的驱动元件和传感器都提出了极高的要求。同时，根据仿生学的提示，要解决足式运动的跳跃步态规划和实用问题，首先要提高腿机构的能量利用率，解决能量利用的关键是采用高效的储能和冲击缓冲装置，将部分接触能储存并反馈给运动系统。目前所研究的各种步态中，跳跃步态的研究是最具挑战性的难点问题。 图2-1 2.2 SLIP运动模型目前学术界通常采用Spring Loaded Inverted Pendulum，SLIP（弹簧负载倒立摆模型）来分析机器人系统的运动特性。此处以弹簧浮在倒立摆模型来等效关节型缓冲腿来表述腿机构的跳跃运动特性。图2-2为该倒立摆的运动模型。此模型由质量和一个等效弹簧构成，为了简化数学模型的分析，假设等效弹簧质量为零，并且在足底与地面接触时无滑动。指点质量；接触地时的初始长度；弹簧刚度；接触地时的厨师角度；倒立摆与垂直线的夹角；接地过程中角变化量 图2-2 等效质量弹簧倒立摆跳跃模型从仿生学角度分析，四足哺乳动物运动可等效成四肢为SLIP的运动模型如图2-3所示，其经典运动步态有对角小跑(trot)、溜蹄(pace)、跳跃(bound)等对称步态。如图2-1所示，利用等效虚拟腿概念将作用力和作用力矩分别等效，可将四足仿生机器人的对角小跑步态等效为作用在中心的双足交替运动构型，进而简化为中心单腿跳跃构型；将四足仿生机器人的溜蹄步态等效为作用在机身两侧的双足运动构型；将四足仿生机器人的跳跃步态等效为作用在前后的双足运动构型。在不考虑外界扰动等情况下，运用动力学分析方法建立各种等效运动构型的动力学模型。 图2-32.3 控制系统及方法足式机器人控制难点，从系统控制模型分析存在原因是：1） 是非线性系统；2） 在整个状态空间中运动；3） 在重力的作用下运动；4） 与半结构化的复杂环境相互作用；5） 不稳定；6） 属于多输人多输出系统；7） 具有时变性和间歇动态性；8） 既需要连续控制又需要离散控制。另外从机器人与环境的交互方面考虑，则存在环境识别，导航，轨迹规划等移动机器人的共性问题，使得控制系统相当复杂。四足机器人从控制任务方面存在的困难是行走控制需要多个子系统的密切配合才能完成复杂的任务。这些子系统包括：1）四腿共12个自由度的关节协调控制子系统，2）不同步态和足的相位序列的控制子系统（特有的控制子系统）；3）整体机身的姿态监控子系统；4）地形环境的的感知建模子系统；5）基于感知环境地图的路径规划子系统；6）障碍的躲避和越障策略子系统。因而足式机器人的控制是很复杂的系统任务腿式机器人的控制研究取得了一定的进展，但大多数都是围绕底层的机构关节空间、腿部协调运动、步态规划与控制、稳定性控制及多种传感器的应用等方面展开的。现阶段足式机器人不仅仅是欠缺整体姿态与步态规划的联动控制，且基于感知(perception-based)的高级控制方法的研究应用还很少。在步态生成和控制方面，有理论突破意义的是基于生物中枢模式发生器(CPG)原理的运动控制，这是近几年取得的一种新的机器人运动控制方法1。动物的运动控制机理一直颇受生物学家的注意，生物学家普遍认为，动物的节律运动并不是大脑的刻意行为，而是位于脊髓中的中心模式发生器（CPG）产生。Shik等2于1966年提出动物的节律运动是由CPG控制的。1979年，Grillner和Zangger验证了脊椎动物的脊髓中存在CPG。JDuysens和WAAHenry预测了灵长类和人体中存在CPG的可能性3，工程界一般将CPG 建模为一组互相耦合的非线性振荡器组成的分布系统, 通过相位耦合实现节律信号的发生。 从80年代初Cohen 提出第一个CPG 模型, 人们一直在这方面进行着探索和研究。 A vis H. Cohen等通过对脊髓控制下七鳃鳗运动行为的研究, 构造出CPG 控制电路, 实现了机器人腿的“走”和“跑”两种运动46。Shinkichi INA GA KI 等利用一个局部通信的非线性振荡器来模拟CPG, 控制一个分布自律式四足机器马, 实现了机器马的“走”、“小跑”、“奔跑”三种步态7。文8详细介绍了CPG方法在机器人控制方面的研究应用情况。CPG方法的应用和发展有望将足式机器人的行走控制性能推进一步。文9总结了另一种基于仿生学的动作行为控制方式：根据对青蛙的研究证明，青蛙的脊椎中存在一种某些固定的放电模式运动元，这些运动元的线性组合就可以形成复杂的运动模式。这些基于仿生学的将复杂问题简单化的控制方法也许就是足式机器人不久要应用的最有效的控制方式。 3 实验平台设计 本章主要介绍四足仿生机器人等效运动模型实验平台的设计，主要包括SolidWorks MiSUMi3.1 .SolidWorks相关特性SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。至此，SolidWorks所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。Solidworks软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks 的三大特点，使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。对于熟悉微软的Windows系统的用户，基本上就可以用SolidWorks 来搞设计了。SolidWorks独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。SolidWorks资源管理器是同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks ，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。在强大的设计功能和易学易用的操作（包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SolidWorks ，整个产品设计是可百分之百可编辑的。SolidWorks提供了技术先进的工具，帮助用户跨越交流的障碍。协同设计版本使得用其他CAD软件，甚至根本不用CAD软件的用户进行方便的交流。零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。SolidWorks零件建模有如下特点：1） SolidWorks提供了无与伦比的、基于特征的实体建模功能。通过拉伸、旋转、薄壁特征、高级抽壳、特征阵列以及打孔等操作来实现产品的设计。 2） 通过对特征和草图的动态修改，用拖拽的方式实现实时的设计修改。 3） 三维草图功能为扫描、放样生成三维草图路径，或为管道、电缆、线和管线生成路径。 4） 加快特征树回退、提高特征编辑性能，快速建模的菜单结构大大提高建模速度。 5） 零件建模时提供自动尺寸标注、草图共享、草图着色、套合样条曲线、可扩展的设计、分离的实体设计、轮廓与区域、本地化的操作、布尔运算、特征范围、插入零件。SolidWorks在装配设计是主要有以下特点：1） 在SolidWorks 中，当生成新零件时，你可以直接参考其他零件并保持这种参考关系。在装配的环境里，可以方便地设计和修改零部件。对于超过一万个零部件的大型装配体，SolidWorks 的性能得到极大的提高。2） SolidWorks 可以动态地查看装配体的所有运动，并且可以对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测。3） 镜像部件是SolidWorks 技术的巨大突破。镜像部件这一功能能够产生基于已有零部件（包括具有派生关系或与其他零件具有关联关系的零件）的新的零部件。4） SolidWorks 用捕捉配合的智能化装配技术，来加快装配体的总体装配。智能化装配技术能够自动地捕捉并定义装配关系。SolidWorks中的有限元分析：SolidWorks是世界上第一家将结构分析的的功能嵌在CAD环境中的软件公司。COSMOSXpress模块使得使用SolidWorks软件的设计和工程队伍可以直接对设计的零件进行有限元分析，对产品的性能进行评估，而不必花大量的时间和金钱制造昂贵的样机。3.2MiSUMi自动化用零件MiSUMi标准系日本MISUMI株式会社提供模具用零件、工厂自动化用零件等各种模具配件的制造标准。MiSUMi标准与德国的HASCO标准、美国的DME标准齐名是世界三大模具配件制造标准之一。使用MiSUMi标准件进行产品设计时，能够最大程度的减少建模时的细节尺寸与各零件之间装配所需的配合尺寸等。同时在建模成功之后，由于MiSUMi标准件的高精度性，能够保证所设计内容在现实的构建过程中保证与所设计基本吻合，也能够达到比较理想的预期效果。同时，MiSUMi公司有配套的与产品目录相关的三维导入软件供设计者在设计过程中进行调用，实现了方便快捷的设计过程。3.3整体方案选型与最终定型首先，本实验平台的作用是对四足仿生机器人在各种步态的运动下起一定的保护支撑作用，以防止其在产品试验过程中由于自身的不完善而造成不必要的刚性冲击等不必要的损坏。 图3-1 图3-2鉴于对BigDog视频的观看，得出Boston Dynamics公司在BigDog的试验阶段所采用的实验平台是跟随式悬挂移动平台，如图3-1，它能够伴随“大狗”的运动而移动，通过一些线的牵引对“大狗”进行预保护，其运动状态则由人观看“大狗”的实时运动状态来对整体实验平台进行推移。但是，此实验平台相对来说造价过高，并且需要人为的驱动显得不方便，但是也有自动跟随式的实验平台如图3-2所示。不过其所能满足的工作环境也相对来说比较完善，优越性还是比较高。而我们这里的实验平台所要保护的“大狗”的基本运动方式仅为如下三种： a. 单SLIP模型弹跳运动不间断测试； b. 双SLIP模型弹跳及俯仰运动测试； c. 四SLIP模型横滚横移及常规步态不间断测试；因此，对于这种造价高，需要人为操作的实验平台并不适合此次设计需求。受哈工大仿生机器人实验平台方案的启发，最终得出如图3-3所示的框架式滚轮移动实验平台。该平台节省了空间，造价相对来说比较便宜，并且可以脱离人的控制来达到自主的保护支撑目的。图3-3图中：1整体框架；2导轨、滑块；3连杆组件；4滑块档杆；5轴承座组件；6滑轨组件；7滚轮该设计主要基本理念为：将“大狗”置于其中，并通过连杆与“大狗”的重心想连，这样可以保证连杆3的波动幅度不至于太大，如图3-4所示。大狗的行进方式为一个三维空间的扰动，这样在“大狗”进行各种步态的运动过程中，“大狗”的运动形态通过连杆3传递到导轨滑块2上去，进而通过导轨与铝合金组件的组装带动整体框架1随大狗一起移动。图3-4在这一个过程当中，以跳跃（Bounding）为例，“大狗”的基本运动为跳跃式前进，在此过程中“大狗”的重心会有一定的两自由度移动，这是通过滑块来缓冲其纵向的位移，同时通过“大狗”对连杆、滑块组合的横向作用分力来驱使整体框架的横向移动，以达到与“大狗”并行的基本工作状态。于此同时由于滑轨6的存在，“大狗”在行进过程中出现的偏离轨迹的小幅度扰动可以通过它的小幅度滑动来缓冲掉。由于各种步态的不同需求，各个步态之间的位移方向的不同，有受横向外冲击的情况，因此需要实验平台能够对不同的方向进行保护，这就需要实验平台能够灵活的在两种步态之间进行转换。次试验平台通过5轴承座组件与6滑轨组件，并通过人为的波动与拉伸，将滑轨组件转移九十度的同时拉伸，缩短滑轨引出件的长短便可以在两种状态下对“大狗”形式保护，支撑功能，直行如图3-5与横移图3-6所示。 图3-5 图3-6而在“大狗”出现不稳定坠倒时，可以通过滑块档杆4与连杆3组合来防止“大狗”产生过大的刚性冲击，损坏零部件。3.4 实验平台尺寸确定与零件选型 基于“大狗”本身的基本尺寸尺寸为L:1000mm；W：500mm；H：1000mm，同时考虑到其运动范围的考虑，最终定义的尺寸如下：1 框架框架的长：1500mm；宽1000mm；高：1800mm，主要考虑因素为“大狗”的跳跃高度与其行走时的前冲程度来确定框架的高度宽度与长度。而零件的选择全部为HFS6-3030铝合金型材如图3-7，各处的连接件则选择为HBLFSN6如图3-8，HNTTSN6如图3-9与CBM6-12如图3-10，三个零件组成的连接件如图3-11，最终与框架的组装如图3-12所示。图3-7 图3-8 图3-9 图3-10 图3-11 图3-122 滑轨组件滑轨组件的尺寸则由“大狗”的本身尺寸与框架的整体尺寸相结合得出如图3-13所示，单位为（mm）。其主要的考虑因素有，滑轨的伸出长度能否满足在“大狗”横向移动时的连接长度，因此定义滑轨底座为850mm可以保证在“大狗”自身宽500mm的同时还能保证其身长1000mm的要求；导轨的长度主要考虑为“大狗”在跳跃的过程中产生的纵向位移为最大，但是经查资料显示，其重心位置所产生的径向位移不会超过500mm因此，定义导轨的长度为600mm；而导轨连接杆的长度主要是考虑到滑块通过连杆组件连接“大狗”的时候保证导轨上有足够的行程满足其对于纵向位移的要求。滑轨底座与滑轨的组装如图3-14所示，其中滑轨底座采用HFS6-3090如图3-15所示，导轨滑块采用SSXRLZ28，为重载直线导轨其基本额定动载荷为11.1kN,如图3-16所示。图3-13图3-14 图3-15 图3-163 轴承的选型 根据轴的受力方向主要为为轴向载荷，故选择推力球轴承作为转动滑轨组件的轴部组件。此处选择B51202型号止推滚珠轴承，如图3-17所示。其基本动态额定负载为16.7kN，基本静态额定负载为24.8kKN。图3-17轴承的应力分析图例如下所示，算例结果名称类型最小位置最大位置应力1VON:von Mises 应力189.656 N/m2节: 923(15.7569 mm,-5.4 mm,2.77837 mm)14444.8 N/m2节: 22162(-7.51877 mm,-6 mm,5.12621 mm)位移1URES:合位移0 mm节: 932(13.3368 mm,-6 mm,-7.7 mm)1.97546e-007 mm节: 29895(8.06761 mm,5.82426 mm,13.6133 mm)应变1ESTRN :对等应变1.31409e-009 单元: 4497(-0.454243 mm,-5.41845 mm,15.7815 mm)3.51628e-008 单元: 4844(-6.76742 mm,-2.8944 mm,6.89745 mm)位移2URES:合位移0 mm节: 932(13.3368 mm,-6 mm,-7.7 mm)1.97546e-007 mm节: 29895(8.06761 mm,5.82426 mm,13.6133 mm)应变2ESTRN :对等应变7.70664e-010 节: 923(15.7569 mm,-5.4 mm,2.77837 mm)5.86965e-008 节: 22162(-7.51877 mm,-6 mm,5.12621 mm)应力2VON:von Mises 应力189.656 N/m2节: 923(15.7569 mm,-5.4 mm,2.77837 mm)14444.8 N/m2节: 22162(-7.51877 mm,-6 mm,5.12621 mm)B51202-算例 应力-应力1图3-18B51202-算例 位移-位移1图3-19B51202-算例 应变-应变1图 3-20结论此轴承B51202在受1500N的轴向载荷与400N的径向载荷时是可靠的4 轴的设计轴的设计在每一个机械设计当中都是比较重要的一个环节在此处这样的一个关系到实验平台的工作效率问题的转轴上来说，更是重中之重，轴的设计及其一系列的构思都是在这个轴的设计上来完成的。首先，需要确定轴的尺寸，根据轴承的型号得知轴与轴承的配合尺寸为15，同时由于轴承的外径为32，故有此确定轴的最上端轴径为25，长度根据轴承座的原因定义为=8mm；与轴承配合处的轴径为15，长度有轴承高度H=12mm定义为=12mm；接下来为了装配轴时能够顺利进入轴承，给一个1的轴肩，因此接下来的轴径为14，其长度为=23mm；接下来是一段在轴端加工螺纹的情况下给一个垫片的预留一定的圈度以保证其能够固定螺钉与连接件，此处给出其轴径根据M4的螺钉给为12，其长度为=25mm；最后一段为一个M410的螺钉，还预留有长度为=2mm的垫片厚度，故此段总长为=12mm。由此得出轴的总长为=80mm，其效果如图3-18所示。经给定最大轴向力=1.5kN，最大径向力=0.3kN的情况下校核轴的刚度合格。 图3-21轴的装配如图3-19所示，图3-22轴的应力分析图例如下所示算例结果名称类型最小位置最大位置应力1VON:von Mises 应力47242 N/m2节: 10850(-10.2396 mm,2.80961e-007 mm,7.16945 mm)1.3755e+010 N/m2节: 7780(1.63802 mm,69 mm,1.16205 mm)位移1URES:合位移0 mm节: 1(10.8253 mm,8 mm,6.25 mm)0.685964 mm节: 464(1.38902 mm,79.9999 mm,1.59403 mm)应变1ESTRN :对等应变5.5693e-007 单元: 3387(-0.0196686 mm,0.841995 mm,-0.0379551 mm)0.0424165 单元: 2374(-0.135465 mm,68.8097 mm,1.53796 mm)应力2VON:von Mises 应力47242 N/m2节: 10850(-10.2396 mm,2.80961e-007 mm,7.16945 mm)1.3755e+010 N/m2节: 7780(1.63802 mm,69 mm,1.16205 mm)位移2URES:合位移0 mm节: 1(10.8253 mm,8 mm,6.25 mm)0.685964 mm节: 464(1.38902 mm,79.9999 mm,1.59403 mm)应变2ESTRN :对等应变1.91967e-007 节: 10850(-10.2396 mm,2.80961e-007 mm,7.16945 mm)0.0558933 节: 7780(1.63802 mm,69 mm,1.16205 mm)应变3GMXY:YZ 基准面上的 Y 方向抗剪-0.0921398 节: 7799(-0.548061 mm,69.163 mm,1.9351 mm)0.0964583 节: 7689(0.18596 mm,69.0001 mm,-2.00006 mm)轴-算例 应力-应力1图3-23轴-算例 位移-位移1图3-24轴-算例 应变-应变1、图3-25结论该轴的总体设计在承受最大轴向、径向力与扭矩的情况下，轴的无论从应力、位移还是应变上都能满足设计需求。5 连杆组件的设计连杆的设计主要考虑为在“大狗”进行特定步态行进时，如若用一个直杆进行直接连接则可能因为压力角的原因，是导轨滑块产生磨损破坏，影响实验平台的跟随精度。因此引入连杆组的作用便是减小压力角，并且在突然“大狗”突起、急停之时能够给与一定的缓冲。此处选用的连杆类型为自润滑衬套压入型，且为双衬套型的LNMWB，=12mm，=12mm，=90mm，外形如图3-26所示，自润滑衬套如图3-27所示。其连杆组组装如图3-28所示，与滑块组装如图3-29所示。 图3-26 图3-27 图3-28 图3-29算例结果名称类型最小位置最大位置应力1VON:von Mises 应力0 N/m2节: 3761(59.1856 mm,-1.45418 mm,-28.0222 mm)32914.9 N/m2节: 8972(-13.0131 mm,-3.82635 mm,-3.04358 mm)位移1URES:合位移0 mm节: 3761(59.1856 mm,-1.45418 mm,-28.0222 mm)1.06747e-007 mm节: 3369(62.8932 mm,0.642308 mm,-6.46025 mm)应变1ESTRN :对等应变0 单元: 2207(56.6306 mm,8.86769 mm,-28.1587 mm)6.37181e-008 单元: 1702(57.1119 mm,-3.42093 mm,1.99578 mm)应变2ESTRN :对等应变0 节: 3761(59.1856 mm,-1.45418 mm,-28.0222 mm)1.33749e-007 节: 8972(-19.3856 mm,-3.71512 mm,-3.04358 mm)位移2URES:合位移0 mm节: 3761(59.1856 mm,-1.45418 mm,-28.0222 mm)1.06747e-007 mm节: 3369(62.8932 mm,0.642308 mm,-6.46025 mm)应力2VON:von Mises 应力0 N/m2节: 3761(59.1856 mm,-1.45418 mm,-28.0222 mm)32914.9 N/m2节: 8972(-13.0131 mm,-3.82635 mm,-3.04358 mm)连杆-算例 应力-应力1图3-30连杆-算例 位移-位移1图3-31连杆-算例 应变-应变1图3-32结论此连杆设计在受到500N的拉力情况下无论从应力、位移还是应变上都能满足设计需求。6 其他零部件设计实验平台的移动要通过可以保证实验平台顺畅移动的零部件来完成，因此此设计选用的是一个万向脚轮来完成，其型号为HSMC65，如图3-24所示。图3-33另外滑块档杆与吊杆的连接处也是另外一种新的零件，选择了HBLBS6b，如图3-25所示，之所以选择这种而不是上面所提到的如图3-11所示的连接件是因为滑块在最底端时需要与下面的铝合金杆件先接触而不是与连接件相碰撞。另外其连接杆件的方式如图3-26所示。 图3-34 图3-35除此之外还有两个自己设计的零部件，轴承座如图3-27所示与连杆底座如图3-28所示。 图3-36 图3-373.5四足仿生机器人运动学基础仿真首先将“大狗”置于实验平台当中通过自身的躯干的侧边螺孔座与连杆组件相连，得到如图3-28所示的效果。图3-28由于，对于“大狗”而言其跳跃的步态为最为困难的部分，在此对“大狗”的跳跃步态进行简单的仿真，首先，假设图3-28为初始状态，在跳跃的过程当中，躯干不发生任何旋转，如图3-29。图3-29在这里，大狗的跳跃步伐以前后双足交替抬起为特点，并且每次双前腿（双后腿）是同步的，也如图3-29所示。而实验平台的作用则是通过图3-29中所示的连杆组件与“大狗”相连，在这里起到一个与“大狗”运动同步的作用，其主要传递大狗的运动状态，同时还能小范围的缓冲大狗的垂直方向运动，为滑块的垂直移动提供支持。这样在“大狗”将进行移动的时候，实验平台就能够通过连杆组件、滑块、悬架等将“大狗”的运动传递到滚轮上，期间通过连杆与导轨滑块来平衡掉“大狗”给实验平台“带来”的竖直位移，这样就能够与“大狗”的运动保证实时同步，以达到动态保护的作用。另外，还有一些诸如对角小跑，溜蹄等步态的仿真在此就不做赘述。所有的动态仿真，基本上遵循的原则就是旋转加移动，在不同的帧上定义相应的动作即可实现四足机器人与实验平台组装体的动态仿真。5总结四足仿生机器人的运动特性在四足仿生机器人的设计中是至关重要的。四足仿生机器人的运动特性对四足仿生机器人的等效运动模型实验平台的设计和开发都有着重要的指导作用。了解四足仿生机器人的这些运动特性，在一定的工作条件下，我们就可以得出四足仿生机器人的工作状态，进而设计出相应的实验平台。四足仿生机器人的运动步态有比较多种，工作环境也是各种各样，不同的步态与不同的工作环境，对四足仿生机器人的工作状态都有着至关重要的影响，进而影响到实验平台的设计。但是，此次设计的所需要实现的基本功能主要包括：单SLIP模型弹跳运动不间断测试；双SLIP模型弹跳及俯仰运动测试；四SLIP模型横滚横移及常规步态不间断测试。工作环境不定，因此所需的步态并不复杂，工作环境也可以相对理想化一些为平面。由此得出的实验平台的设计只要满足机器人保证两个自由度的前提下出现小范围立体扰动的工作条件即可。在建模的过程当中，由于MiSUMi标准件的引入使得对于零件的选型是一个比较麻烦的问题。因为在设计思路成型之后，很难与自己最初的设想有相符的零件存在，也可能是自己的经验太少，没有充分考虑零件的加工条件。另外，在运动模型仿真的过程当中，由于在装配零部件的时候装配出了点问题导致最终的模型不能很好的进行仿真，最终还是重新装配后才得以实现。有以上两点总结出在今后的设计过程中，注重对于经验的积累，同时加强装配体的配合干涉等问题。本论文主要介绍对四足仿生机器人的运动特性与等效运动模型实验平台的设计。希望这个实验平台的思路能够对四足仿生机器人设计开发起到帮助作用。致谢本论文是在导师罗欣老师，韩斌博士，的悉心指导下完成的。他们在我进行课题研究及论文写作过程中都给予了极大的指导和鼓励，在论文的研究过程中富有指导性和启发性的建议使本文得以顺利完成，韩师兄的每一次切身的指导都推动着论文的发展，使我的思路更加开阔。罗老师渊博的学识水平，严谨的治学风范，勤勉的工作精神都使我受益匪浅。在此向导师表示深深的谢意和崇高的敬意。在我的研究过程中也得到了同组其他同学的关心和帮助，如周博、洪汉、别永超、黄鑫等，他们在我课题完成过程中所给予了莫大支持与鼓励，同时在收尾阶段又给予了理论支援，在此一并向他们表示由衷的感谢。 付国忠 20011年6月9日参考文献1 McGhee. 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