四足机器人系统设计

聊城大学本科毕业论文 摘 要 四足机器人作为仿生机器人的一种 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键的部分 目前 行走机构的研究大多采用在腿机构的关节 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 转弯机构研究不足 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 Pro E4 0 设计了四足机器人的机械系统 提出了一种新颖的凸轮控制驱动式行走机构 设计了一种腿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 单片机为控制器的行走 机构和转向机构的控制系统设计 关键词 四足机器人 行走机构 凸轮驱动 控制系统 三维设计 Abstract Quadruped robot as one of biomimetic robots has been extensively studied Travel agencies and institutions is a quadruped robot turning the key At the present servo motor is installed in the leg joints of the most travel agencies increasing the weight of the robot and the difficulty of the control system strategy And most of the robot is a rigid body as a whole and the research of the turning institutions is not fully studied For this purpose the project will take four legged robot whole body as a flexible rigid body and three dimensional modeling software Pro E4 0 is used for designing quadruped robot mechanical systems a new travel agency based on cam control drive is proposed a kind of leg mechanism and control of the corresponding cam drive mechanism is designed and a flexible turning institution is preliminary designed Based on this work the control system of the robot was designed Especially control systems of the stepped mechanism and the wheel mechanism were analyzed 聊城大学本科毕业论文 i detailed Key words quadruped robot stepped mechanism cam drive control system three dimensional design 目 录 1 引言 1 1 1 机器人及其相关技术的发展 1 1 2 国内外四足行走机器人得研究概况 2 1 3 机器人学主要涉及的学科内容 4 1 4 课题简介 5 2 机器人系统总体设计 6 2 1 机器人系统结构概述 6 2 2 四足机器人研发流程 7 2 3 四足机器人系统结构设计 9 3 四足机器人机械系统的结构设计技术 10 3 1 机器人机械设计的内容及特点 10 3 2 机械结构总体设计 11 3 3 行走机构的研究 13 3 4 行走机构的设计计算 19 3 5 转弯机构的设计 24 3 6 腱机构 28 3 7 机器人的外形设计 28 3 8 驱动系统的设计 29 4 控制系统的硬件设计 35 4 1 传感器 35 4 2 控制器 36 4 3 控制系统 39 聊城大学本科毕业论文 ii 5 控制系统的软件设计 42 5 1 行走系统软件设计 42 5 2 转弯控制系统软件设计 43 总结 47 参考文献 49 致谢 51 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 Karel 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 ROBOTA Robot 机器人 一词由此演化而来 1960 年 美国 Unimation 公司根据 Devol 的专利技术研制出了第一台工业机 器人样机 并定型生产 Unimate 工业机器人 1962 年 美国的 General 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 1 1 是近代 机器人发展的重大事件的时间表 1 时间 事件 聊城大学本科毕业论文 iii 1954 年 1960 年 1968 年 1970 年 1978 年 1984 年 1998 年 2002 年 2006 年 George Devol 开发出第一台可编程机器人 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 ETL 公司发明带视觉的自适应机器人 美国推出通用工业机器人 PUMA 这标志着工业机器人技术已经成熟 机器人 Helpmate 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人 Mind storms 套件 iRobot 公司推出吸尘机器人 Roomba 是世界上销量最大的家用机器人 微软公司推出的 Microsoft Robotics Studio 机器人模块化 平台化的趋势 越来越明显 比尔 盖茨预言 家用机器人会很快席卷全球 1 2 国内外四足行走机器人得研究概况 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 承载能力强 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 其研制工作一直受到国内外的重视 本文 介绍了国内外在机构设计 步态 控制等方面已经取得的进展 并分析了其中的 关键技术 最后 归纳总结了未来四足步行机器人的几个发展趋势 以期对以 2 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 随着计算机技术和 机器人控制技术的研究和应用 到了 20 世纪 80 年代 现代四足步行机器人的研 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器人是由 Frank 和 McGhee 于 1977 年 制作的 该机器人具有较好的步态运动稳定性 但其缺点是 该机器人的关节是 由逻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 Shigeo Hirose 实验 室研制的 TITAN 系列 1981 1984 年 Hirose 教授研制成功脚部装有传感和信号 处理系统的 TITAN III 它的脚底部由形状记忆合金组成 可自动检测与地面接 触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 TITAN 机器人采用新型的直动型腿机构 避免了 上楼梯过程中各腿间的干涉 并采用两级变速驱动机构 对腿的支撑相和摆动相 聊城大学本科毕业论文 iv 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 IV 如 1 3 所示 它的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 系统控制是由基于 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 摄像机 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碰撞快速行走 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 1 4 所示 它能以不同步态在恶劣的地形上攀爬 可以负载高达 52KG 的重量 爬升斜坡可达 35 其腿关节类似动物腿关节 安装有吸收震动 部件和能量循环部件 同时 腿部连有很多传感器 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 平衡能力极佳 图 1 3Tekken IV 图 1 4 美国 机器骡子 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 4 聊城大学本科毕业论文 v 图 1 5 JTUWM III 图 1 6 清华大学四足机器人 上海交通大学机器人研究所于 1991 年开展了 JTUWM 系列四足步行机器人 的研究 1996 年该研究所研制成功了 JTUWM III 如 1 5 所示 该机器人采 3 用开式链腿机构 每条腿有 3 个自由度 它采用力和位置混合控制 脚底装有 PVDF 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 7km h 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 不足之处是腿运动 时的协调控制比较复杂 而且承载能力较小 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 国内四足步行机器的研究起步比较晚 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 机器人学主要涉及的学科内容 机器人学主要涉及控制论 仿生机构学和人工智能三大基础学科 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 撇开人脑的细微结构 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 聊城大学本科毕业论文 vi 机器人的控制能力提高 而体积减小 另外 大容量晶体管 栅控闸流晶体管 场效应管等电子元件的开发 促进了机器人伺服驱动技术的发展 3 传感技术 这是涉及很多学科领域的技术 机器人有视觉 听觉和触觉等感觉 相应传 感技术包括视觉系统的模式识别技术 环境的情景分析 三维位置测量技术和皮 肤的感觉 如触觉 压觉等力的感觉 其他还有语音识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械装置 小 型高强度机械装置的研制 对机器人手 足机构的改进起到了很大的推动作用 5 仿生机构技术 机器人作为一种拟人 动物 的自动机械装置 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器人学研究领域最重要的一 个方向 因此 必须进行行走步态 重心转移 移动导向 稳定步行等仿生问题 的研究 机器人还涉及到其他领域 如材料科学 心理学等其他学科 总之 机器人 学是一门综合性的学科 它的发展和进步与其他相关学科的发展密切相关 1 4 课题简介 本课题所设计的是一种四足行走机器人 目前国际上对四足行走机器人的研 究相当热门 技术也已相当成熟 主要集中在电子宠物机器人领域 如前所述的 日本及美国的机器狗 均标志着两国在机器人和机器动物研制领域已处于世界领 先地位 由于现实世界中 狗占据着宠物的 霸主 地位 故本课题选择狗的外形作 为四足行走机器人外形的参考模型 而且 狗作为人类的得力助手 在福利助残 导盲犬 对付犯罪 缉毒犬 警犬等 等方面能发挥重要的作用 故本课题的研 究就具有重大的现实意义 本课题的研究重点是设计一种四足行走行走机构 并设计了一种脊柱转弯机 构 以这两种机构为基础 以狗外形作为外形参考模型 设计了一种四足行走机 器人 机器狗 本课题的主要任务是提供一个比较完善的行走机器人机械系统 为开发完整 的行走机器人系统提供硬件支持 聊城大学本科毕业论文 vii 本课题所设计的机器人的腿机构技术性能如下 腿机构的自由度 3 个 机构所含的运动副 转动副 移动副 在支撑相 中 足端相对于机身运动状况 理论上绝对水平匀速直线运动 支撑相相位角 3 2 悬空相 相位角 2 机构的外形 具有哺乳动物腿的外形 本课题所设计的机器人技术性能如下 外形尺寸 895 808 322 电源 12V 镉 镍碱性蓄电池 运动形式 可前进 后退 左转 右转 步距 150mm 正常前进时 步行速度 可变 智能水平 无 待开发 负载 无 2 机器人系统总体设计 2 1 机器人系统结构概述 机器人基本上是由机械本体结构 伺服驱动系统 计算机控制系统 传感系 统 通信接口等部分组成 1 机械本体结构 从机构学的角度来分析 机器人的机械结构可以看作有一系列连杆通过旋转 关节 或移动关节 连接起来的开式运动链 步行机器人在运动过程中 各腿交替的呈现两种不同的状态 即支撑状态和悬空 状态 腿处于支撑状态时 足端与地面接触支持机体重量 并且推动机体前进 这种状 态称为支撑相 当腿处于悬空状态时 足端抬离地面 向前迈步为下一个支撑相作准备 这种状 态称为悬空相 聊城大学本科毕业论文 viii 2 关节伺服驱动系统 机器人本体机械结构的动作靠的是关节驱动 机器人的关节驱动大多是基于 闭环控制的原理来进行的 常用的驱动单元是各种伺服电机 由于一般伺服电机的输出转速很高 1000r min 10000r min 因此 在电机与负载之间用一套传动装置来进行转速和 转矩的匹配 3 计算机控制系统 各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后在每个采样周期给出 计算机通 过轨迹规划 得到空间轨迹在各采样时刻的数据 通过逆运动学计算把空间数据 转变为各关节的指令值 4 感知系统与通信接口 机器人要正常地进行工作 必须与周围环境保持密切的联系 除了关节伺服 驱动系统中供反馈用的位置 速度 加速度的传感器 称为机器人的内部传感器 机器人还可配备视觉 力觉 触觉 接近觉等等多种类型的传感器 称为机器人 的外部传感器 以及传感信号的采集处理系统 2 2 四足机器人研发流程 四足行走机器人的研发流程如图 2 1 所示 首先 采用虚拟样机技术 vitual prototype 利用三维造型软件 5 PRO E 建立机器人机械部分的三维实体模型 然后利用动力学分析软件 ADAMS 建立机械系统的运动学和动力学模型 进行动力学仿真 与此同时 进行四足机器人的控制 驱动和传感器子系统设计 最后 对机器人各个系统进 行集成 调试 根据调试的结果修改设计缺陷 对整个系统进行循环改进 直至 获得最优设计方案后 再制作物理样机 聊城大学本科毕业论文 ix 机构设计 步态规划设计 运动学 动 力学分析 控制子系统的设计 驱动子系统的设计 总体设计 建模仿真 兼容性分析 传感器子 系统的设 计 加工物理样机 图 2 1 四足机器人的研发流程 任务 2 3 四足机器人系统结构设计 任务 本课题并未要求规划机器人的任务 因此 在本节系统规划中将其纳入机器 人系统中 但在后续设计中并不进行具体设计 环境 机器人的移动机构形式取决于移动环境 广义的移动环境包括气体环境 液 体环境 固体环境和混合环境 本课题所设计的机器人的移动环境是陆上表面环 境 其特点是表面较硬 凹凸不平 有障碍 独立 即环境不应因机器人的运动 而改变 控制系统 控制系统由计算机系统及相应的软件组成 计算机系统可由二级或三级组成 由主计算机完成智能控制功能 从计算机产生行走控制信号 本设计完成了从计算机子系统 实现了行走控制功能 调整优化 聊城大学本科毕业论文 x 任务 环境 机器人模型 环境模型 工作任务程序 控制算法 外部 传感 器 行走机构 转弯机构 减速机构 动力装置 伺服电机 接口电路 内部传感器 机器人控制系统 计算机语言 交互作用 2 2 机器人结构框架图 机器人本体 机器人本体主要由三个部分组成 动力装置 伺服电机 减速装置 执行 机构 行走机构 转弯机构 通过内部传感器 光电编码器等 将这三部分有 机地结合在一起 本课题中使用了直流伺服电机作为动力装置 12V 蓄电池为系统提供能量 也使用了齿轮副作为二级 三级减速 使用了一种三自由度的平面关节式腿机构 作为行走机构 转弯功能通过一种脊柱机构完成 系统集成 要把以上四个部分结合在一起 构成一个有机的机器人系统 完成了如下工 作 利用计算机语言将任务 告诉 控制系统 经控制系统处理后 产生控制信 号 经过接口电路 控制伺服电机动作 机器人在具体的环境中运动 与环境相 互作用 通过外部传感器 将环境信息采集处理后传输给控制系统 控制系统指 导机器人如何动作 3 四足机器人机械系统的结构设计技术 机构设计是四足机器人系统设计的基础 整体机械结构 自由度数 驱动方 聊城大学本科毕业论文 xi 式和传动机构等都会直接影响机器人的运动和动力性能 同时四足机器人在机构 设计除了需要满足系统的技术性能外 还需要满足经济性要求 即必须在满足机 器人的预期技术指标的同时 考虑用材合理 制造安装简单以及可靠性高等问题 3 1 机器人机械设计的内容及特点 所谓 机械 经典的定义就是 按确定的位置相互联结 并按一定的规律 相对运动的机构或零件的组合体 通过这种组合可以达到减轻或代替人的劳动 完成有用的机械功或转换机械能的目的 机器人的机械设计与一般的机械设计 相比 许多方面是类似的 但是也有不少特殊之处 首先 从机构学的角度来分析 机器人的机械结构可以看作有一系列连杆通 过旋转关节 或移动关节 连接起来的开式运动链 开链结构使得机器人的运动 分析和静力分析复杂化 两相邻连杆坐标系之间的位姿关系 手臂末端操作器的 位姿与各关节变量之间的关系 末端操作器上的受力和各关节力矩 或力 之间 的关系等 均不是一般机构分析方法能解决得了的 而要建立一套针对空间开链 机构的特殊的运动学 静力学分析方法 末端的位置 速度 加速度和各关节力 矩 或力 之间的关系是动力分析的主要内容 在开链结构中 每个关节的运动 受到其他关节运动的影响 作用在每个关节上的重力负载和惯性负载随着手臂的 形位变化 在高速情况下 还存在不容忽视的力心理和哥氏力的影响 因此 严 格地讲 机器人是一个多输入多输出的非线性的强耦合的位置时变的动力学系统 动力学分析十分复杂 即使经过一定程度的简化 也区别于一般的机构分析方法 其次 机器人的开链结构形式比期一般机构来说 虽在灵巧性和空间可达性 等方面要好得多 但是由于开链结构相当于一系列悬臂杆件串联在一起 机械误 差和弹性变形的累积 使机器人的刚度和精度大受影响 也就是说 这种形式的 机器人在运动传递上存在先天的不足 一般机械设计主要是强度设计 机器人的 机械设计既要满足强度要求 又要考虑刚度和精度设计 为了克服开链机构的缺 陷 目前已发展了基于闭链结构的机器人 再次 机器人的机械结构 特别是关节传动系统 使整个机器人伺服系统中 的一个组成环节 因此 机器人的机械设计具有机电一体化的特点 比如 一般 机械对运动部件的惯量控制只是从减少驱动功率着眼的 而对机器人来说 常从 聊城大学本科毕业论文 xii 缩短机电时间常数 提高机器人的快速响应能力这一角度出发来控制惯量的 再 如 一般的机械设计中控制机械谐振频率是为了保证不破坏 而在机器人上 是 从运动的稳定性 快速性等伺服性能角度来控制机械谐振频率的 5 此外 与一般机械的设计相比 机器人的机械设计在结构的灵巧性 紧凑性 等方面有更高的要求 3 2 机械结构总体设计 对于行走机器人来说 总体机械结构可分为三大部分 行走机构 转弯机构 动力传输机构 伺服驱动系统 四足行走机器人机械系统结构简图如图 3 6 1 机械系统结构三维实体图 3 2 1 后腿髋关节 2 脊柱 3 螺旋齿轮 4 二级减速齿轮 5 谐波齿轮减速器 6 联轴节 7 前腿髋关节 8 大腿 9 膝关节 10 小腿 11 伺服电机 12 膝关节凸轮 13 髋关节凸轮 14 主凸轮 图 3 1 机械系统结构简图 设计说明 1 脊柱中有四根钢丝 拉放这四根钢丝 可使脊柱在空间任意弯曲 从 而使机体具有柔性 拉放左右两根钢丝 可使机体左右转弯 2 腿的运动过程如下 伺服电机 11 的输出通过谐波齿轮减速器 5 二级 减速齿轮 4 螺旋齿轮副 3 减速 使膝关节凸轮 髋关节凸轮 主凸轮转动 这些凸轮相互配合使腿按照一定的规律运动 从而实现机体的运动 3 前后两腿通过联轴节 6 联接 聊城大学本科毕业论文 xiii 3 3 行走机构的研究 3 3 1 概述 在行走机器人机械系统设计中 最重要的是行走机构 腿 的设计 因此 对行走机构进行研究很有必要 从仿生学的角度出发 我们将行走机构称为 腿 在行走机器人研究中 人们多是着力于让机器采用类似于动物的腿的机构 即关节式机构 3 3 2 腿机构的基本要求 从运动角度出发 在行走过程中 一般要求处于支撑状态的足端 贴在地面 的足端 相对于机身走直线轨迹 这样才不至于因机身重心上下波动而消耗不必 要的能量 同时有利于各支撑足驱动时的协调运动和机身姿态的控制 为了使行 走机器人能在不平的地面上行走 以及腿复位的需要 腿的伸长 即足端相对于 机身的高度 应该是可变的 从机器人整体的行走性能出发 一方面要求机体能走出直线运动或平面曲线 轨迹 在严重崎岖不平地面 另一方面要求能够转向 当前进运动和转向运动 均由腿的运动完成时 腿机构应不少于三个自由度 并且足端具备一个实体的工 作空间 当机体的运动由腿机构之外的其他独立的转向机构完成时 腿机构可以 是两自由度的平面机构 当机器人机体的推进和转向运动均由复合机架完成时 图 3 2 机器人机械结构三维实体 图 聊城大学本科毕业论文 xiv 只要求单自由度的伸缩腿机构 行走机器人的腿在行走过程中交替地支撑机体的重量 并在附中状态下推进 机体向前运动 因此 腿机构必须具备与整机重量相适应的刚性和承载能力 只 有这样 在不至于患 软骨病 3 3 3 四足动物行走的特点 四足动物 如狗 正常行走 非奔跑状态 时 四条腿的协调动作顺序一般 按对角线原则 即如左前腿 右后腿 左后腿 右前腿 左前腿 如此循环 下去 在每一时刻 至少有三条腿着地 支撑着机体 即最多只有一条腿抬起 脚掌离地 因此 对于每条腿的运动来说 脚掌离地时间与着地时间之比为 1 3 3 3 4 四足行走机器人腿机构的要求 根据如前所述的腿机构的基本要求以及四足动物行走的特点 对四足行走机 器人腿机构提出如下要求 7 1 腿的足端部相对于机体的运动轨迹形状应如 直线段对应的就是 足支撑机体的运动轨迹 支撑相 曲线段对应的是脚掌离开地面部分的足端运 动轨迹 悬空相 2 为了不至于使机器人在运动的过程中 因机体上下颠簸而消耗不必要的 能量 应保证要求 1 中的直线段有一定的直线度 3 为了不至于使机器人在运动的过程中 因支撑机体的三条腿的足端运动 速度不相等而产生摩擦 而消耗不必要的能量 应保证足端在要求 1 中的直线段 上匀速运动 4 对于要求 1 中曲线段 没有形状要求 但对其最高点有要求 即其高度 决定了机器人在起伏不平的地面上的通过能力 5 在要求 1 中 足端通过直线段的时间是通过曲线段的时间的 3 倍 即支 撑相的相位角 为 3 2 悬空相的相位角为 2 6 按要求 1 5 设计的机器人的四条腿的协调动作顺序应遵循对角线原则 先后动作的两条腿的相位相差 2 本文相位角指的是凸轮的相位角 凸轮一周的相位角为 2 聊城大学本科毕业论文 xv 3 3 5 腿机构的形式 为了满足 3 3 4 中所设计的要求 1 4 提出一种三自由度 2的的平面机构 8 如图 3 3 所示 来作为四足机器人的腿机构 从仿生学的角度来说 我们可以将图 3 3 中的 BC 为称为小腿 B 为大2O 腿 称 为髋骨 称 B 为膝关节 称 为髋关节 下面对应的各参数 21O2O E 髋关节偏距 小腿长 1h 大腿长 2h S 步长 髋关节转角 1 步距角 2 自由度的计算 低副 转动副和移动副 提供两个约束 高副 提供一个约束 自lp hp 由度计算公式为 其中活动构件的数目为 n 4 转动副 3 个 2 31nF 4 l 移动副一个 故 F 3 h 由于在支撑相 2由足端所处位置决定 即由步距决定 故称 2为步距角 图 3 3 三自由度腿的平面机构 聊城大学本科毕业论文 xvi 膝关节转角 3 该机构完成满足 3 3 4 中所述要求的运动的机理如下 先令髋关节及膝关 节不动 即 0 0 只向右移动移动关节 A 则足端 C 沿着以 O2 为圆心 13 以 h1 h2 半径的圆弧移动 若关节 A 匀速移动 则 B C 与图 3 2 中虚线轨迹的 直线段的交点也匀速运动 再令髋关节及膝关节转动 使足端 C 运动到上述的 交点 这就满足了 3 3 4 中的要求 2 3 再令移动关节 A 向左快速移动 移 动行程与向右移动行程相等 但移动时间为向右移动时间的 1 3 并是足端 C 沿 着图 3 2 中虚线轨迹的曲线段运动 至此 满足了 3 3 4 中所述的所有要求 3 3 6 各参数关系 控制函数 为了使图 3 3 所示机构的足端 C 能按图中虚线所示轨迹运动 并满足 3 3 4 中所述的所有要求 必须求出各参数间的函数关系 对图 3 3 所示的 机构进行分析 可知只需知道 及 的函数 即可对足端 C 的空间位置1 23 进行控制 及 的函数即为控制函数 1 23 7 为更方便地求 及 的函数关系 先将图 3 3 所示的机构简化成图 3 2 4 所示 按 3 3 4 所述的所有要求 当腿机构处于支撑相时 腿机构中各参数必 须满足某种严格的数学函数关系 而当腿机构处于悬空相时 腿机构各参数没有 特殊的函数关系 从控制的角度来说 当腿机构处于支撑相时 需进行连续控制 当腿机构处于悬空相时 只需进行点位控制 求 及 的函数关系 是机器人运动学求逆解问题 1 23 9 都满足如下条件 2 2 22arctn ccyxS 式 1 即为 五 中所述的约束条件 聊城大学本科毕业论文 xvii 图 3 4 当约束条件 1 确定时 求 的函数关系就相当于平面二杆机器人1 3 的运动学逆解问题 二杆为 和 BC BO 运动学正解可以通过平面几何确定 12121213 cos cos inin cOBxl hOByB 1 根据余弦定理 221112cos OBlhEOB 根据正弦定理 212sinsin OBl 运动学逆解就是给定 求解 和 运动学逆解问题本来极为cXY13 复杂 但经过上述化简后 在如图 3 3 b 所示极坐标系 r 中利用解析几 何及平面几何的知识 可得 1arctn yx r2 xc2 yc2 22os OBOBlhl 聊城大学本科毕业论文 xviii 2 112OB 22arcos OBlhrlh 3 3 式 1 3 就是控制腿机构在支撑相中运动所需的函数 在悬空相中不能通过上述方法求得 由于只需对足端进行点位控制 故只需知 道一些特殊点的 及 有多种方法可以求得这些点的 及 本设1 23 1 23 计中利用 PRO E 中的草绘 测得 15 个点的 及 的值 如下表所示 1 23 序号 1 4 2 8 3 12 4 15 5 17 6 19 7 20 8 22 9 23 10 25 11 26 12 27 13 29 14 30 15 31 表 3 1 具体的测量方法如图 3 5 所示 下部布置了十五个点 此图为第一个点的测 量实例 其他各点测量方法类似 聊城大学本科毕业论文 xix 图 3 5 悬空相测点图 3 4 行走机构的设计计算 根据上一节的研究结果 现在进行本课题行走机构的具体设计 3 4 1 控制方式选择 由上一节可知 要控制行走机构的行走过程 必须对 及 进行1 23 控制 一般有三种控制方式 电气控制 液压控制和纯机械控制 电气控制即利用伺服电机作为执行装置 由控制器 如单片机 按照控 制函数对应的控制算法 产生控制信号 其特点是重量轻 体积小 系统具 有柔性 液压控制即利用液压缸或液压马达作为执行装置 由控制器 如单片机 按照控制函数对应的控制算法 产生控制信号 其特点是功率大 运行平稳 系统具有一定的柔性 纯机械控制即利用一些机构来实现控制 其特点是简单 功率较大 柔 性差 对于本课题 由于每条腿有 及 三个参数需要控制 四条腿就1 23 有 12 个参数要控制 即若选择电气控制 就需 12 部伺服电机 再加上与这 些电机匹配的减速器 电气控制的重量轻 体积小的特点就显示不出来了 若选择液压控制 就需 12 个液压缸 液压马达 再由于行走过程的颠簸 聊城大学本科毕业论文 xx 液压控制也不太适合 因此 本课题使用凸轮机构来实现这 12 个参数的控制 3 4 2 参数选择 由于本课题所设计的机器人是以狗的外形作为参考模型 因此 腿机构的尺 寸参数如下 髋关节偏距 E 50 mm 小腿长 mh201 大腿长 8 步长 S 150 mm 其中 步长 S 是正常行走时的尺寸 转弯或遇到非常状态时 步长应是可变 的 为了使步长 S 可变 参考 3 3 6 中的控制函数的推导过程 应使髋骨长 E 可变 二者关系见下一节 转弯机构的设计 3 4 3 具体设计 如前述 使用凸轮机构来实现 及 这 3 个参数的控制 因此设计的1 2 重点就是凸轮机构的设计 1 的控制 髋关节凸轮 髋关节凸轮控制 的机理如 3 6 1 图 3 6 髋关节结构原理图 根据平面几何的知识 凸轮的从动件的运动规律为 11tan sE 所以 凸轮轮廓线上的点的直角坐标值 X Y 聊城大学本科毕业论文 xxi 1 cosinoxry 4 其中 支撑相中的 由公式 1 确定 3 3 6 悬空相中的 表 3 1 确1 1 定 见 3 3 6 由公式 4 只能得到髋关节凸轮的理论轮廓曲线 实际轮廓曲线是以理论 轮廓曲线上各点为圆心 以滚轮半径为半径的一族圆的内包络线 通过上面的理论分析 在 PRO E 中建立模型并画出髋关节凸轮的三维实体模 型 通过实时渲染后的三维截图 如图 3 7 所示 10 图 3 7 髋关节凸轮的三维实体图 注 具体的凸轮绘制方法见附录 2 的控制 主凸轮 主凸轮控制 的机理是将图 3 3 中移动关节 A 沿 AO 1 移动的运动规律作为2 凸轮从动件的运动规律 凸轮机构如图 3 8 所示 图 3 8 主凸轮结构原理图 如上节所述 移动关节 A 的运动规律是沿 AO 1 匀速移动 所以主凸 轮的从动件的运动规律为 聊城大学本科毕业论文 xxii 23 bs 其中 从动件位移 2S b 移动关节 A 的运动行程 凸轮轴的转角 为凸轮的转向系数 当凸轮转向为顺时针时 1 当凸轮转 向为逆时针时 1 以下将求出主凸轮的轮廓 由图 3 9 根据平面几何学的知识 可得凸轮从动件平底的直线方程为 21211 cos sin tan o oyrxr 它是以 为参数的直线族 而凸轮轮廓线是以该直线族的包络线 由微分几 何得知 以 为参数的曲线族的包络线方程为 图 3 9 主凸轮的轮廓图 其中 f X Y 0 是曲线 族的方程 X Y 是包络线上的点的直角坐标 值 所以 凸轮轮廓线方程为 即得凸轮轮廓线上的点的直角坐标值 聊城大学本科毕业论文 xxiii 其中 由于式 4 中有一个变量 1 支撑相中的 1 由公式 1 确定 3 3 6 悬空相中的 1 表 3 1 确定 3 3 6 通过上面的理论分析 在 PRO E 中建立模型并画出髋关节凸轮的三维实体模 型 通过实时渲染后的三维截图 如图 3 10 所示 图 3 10 主凸轮三维实体图 3 的控制 膝关节凸轮 膝关节凸轮控制 的机理如 3 11 根据几何知识 膝凸轮从动件的运动规3 律为 1332Rrs 所以 凸轮轮廓线上的点的直角坐标值 X Y 6 其中 支撑相中的 由公式 3 确定 3 3 6 悬空相中的 表 3 1 确定 3 聊城大学本科毕业论文 xxiv 3 3 6 由公式 6 只能得到膝关节凸轮的理论轮廓曲线 实际轮廓曲线是以理论 轮廓曲线上各点为圆心 以滚轮半径为半径的一族圆的内包络线 图 3 11 通过上面的理论分析 在 PRO E 中建立模型并画出髋关节凸轮的三维实体模型及其 相关联的零件图 组装成 ASM 文件图 如图 3 12 所示 1 图 3 12 齿轮齿条与凸轮配合的三维实体总装图 3 5 转弯机构的设计 如本章第一节总体设计所述 可利用脊柱机构来实现机体的转弯 脊柱机构由脊骨 关节和腱构成 如下图 7 聊城大学本科毕业论文 xxv 图 3 13 转弯机构的结构简图 3 5 1 控制函数 1 脊柱弯曲控制函数 6 假设脊柱有 n 节脊骨 由于受力情况相似 可认为对于每节脊骨均有 i 则腱的伸缩量为 1 12ta 2nhr 其中 h1 内侧腱的伸缩量 h2 外侧腱的伸缩量 r 腱到脊柱轴线的距离 若转弯角不超过 45 脊骨多于 6 节 即 5 则 2 12hrn 令 为转弯角 转弯时机体的圆周角 则 3 1n 那么 脊柱弯曲控制函数为 4 12hr 2 步长控制函数 当机体按图 5 所示轨迹转弯时 有 聊城大学本科毕业论文 xxvi 图 3 14 机器人机体转弯轨迹 5 12aBR 其中 B 左右两腿足端距离 体宽 轨迹对应的一节脊骨的偏角 则内侧与外侧步长之比为 12SRaB 6 其中 S1为外侧脚步长 S2为内侧脚步长 又 7 12 bhsE 其中 b 图 3 中关节 A 到关节 O1的距离 h1 小腿长 h2 大腿长 E 髋关节偏距 故 8 12aB 其中 聊城大学本科毕业论文 xxvii E1 外侧腿髋关节偏距 E2 内侧腿髋关节偏距 假设外侧腿髋关节偏距的增量与内侧腿髋关节偏距的减少量相等 即 0122eaB 9 其中 E0 正常行走时髋关节偏距 e 髋关节偏距增量 由公式 9 可得 0EBea 10 因为 1n 11 12 aL 其中 L 脊柱的长度 n 脊柱的节数 故 步长控制函数为 01EBenL 13 由上述理论分析可以设计出相应的转弯机构 在 PRO E 中建立三维模型的各 个零件 然后通过建立组件 ASM 文件即转弯机构的总装图 可以看到组成后的转弯 机构 如图 3 15 所示 聊城大学本科毕业论文 xxviii 图 3 15 转弯机构总装图 3 5 2 控制方式 由于 h1 h 2 e 均正比于 用一部伺服电机即可实现这三个参数的控制 然而 为了使机器人在不转弯时也能调整步长 可用三部伺服电机控制 一部控 制脊柱中的腱 h 1 h2 另外两部电机分别控制左右两侧的髋关节偏距 E 3 6 腱机构 图 3 16 腱机构的原理图 如图 3 16 所示 腱的工作原理为 腱的两端的端套与机体连接 固定不动 管套是根橡胶管 可任意弯曲 筋是根钢丝 筋可以在管套中自由移动 筋的一 端的移动必然引起另一端的移动 若不考虑钢丝的弹性 则称为 刚性腱 若考 虑钢丝的弹性 称为 弹性腱 由于弹性腱比较复杂 使用的腱均为刚性腱 3 7 机器人的外形设计 本课题中机器人外形的设计属于工业设计的范畴 而一个产品的设计通过 外观线型的塑造 细节的刻画 色调品味等元素的共性化处理 在人们的心目中 会建立起风格和特色鲜明的一个形象 12 本课题选择以狗的外形作为设计的蓝本 力求使设计的产品能够吸引人们的 眼球 获得人们的关注 机器狗的外形如图 3 17 所示 聊城大学本科毕业论文 xxix 图 3 17 机器狗的外形设计图 3 8 驱动系统的设计 驱动系统在仿生机器人中的作用相当于生物的肌肉 它通过直接或间接转动 腿部的各关节来改变机器人的姿态 驱动系统必须有足够的功率对关节进行加减 速并带动负载 而且自身必须轻便 经济 精确 灵敏 可靠且便于维护 3 8 1 电机的选择 为了满足四足机器人行走时的各项要求 其驱动电机的选择至关重要 它与 机器人运动功能的实现 控制硬件的配置 电源能量的消耗 系统控制的效果都 有很大的关系 首先必须考虑电机能够提供负载所需的瞬时转矩和转速 此外 其他方面的诸多因素也需要加以考虑 但在多种影响因素中 主要的因素有以下 几点 1 电机用于何种产品 做何种驱动 该产品是维修还是开发生产 预计批 量 了解电机应用对于选型至关重要 可以通过其它类似项目的经验做出准确的 选型 同时可以通过对产品市场类型 批量潜力的判断 来确定那些方案可行 2 电机与传动机构的配合结构 一套好的运动控制方案除了选择合适的电 机 还需要合理设计传动机构 丝杠导程的选取 齿轮的传动比 皮带轮的直径 除了考虑机械结构的紧凑 还应与电机与控制方案联合考虑 一次随意性的丝杠 导程选取 可能让您的电机与控制系统增加一倍的价格 而一旦有经验的销售工 程师了解到您的传动机构 他可以为您提供整套系统配搭的方案 保证系统的完 美组合 聊城大学本科毕业论文 xxx 3 电机的工作状况 电机在不同的机器中工作状况大不相同 因此需要选 择不同种类的系统 比如有的电机仅是在 1200rpm 高速运行 有的只在 100rpm 以下低速工作 有的是每分钟 80 次快速起停 而有的要求从 2 5 360 度 秒连续 可调且不能有抖动 每一种要求都牵涉到不同的电机选择以及驱动器甚至控制方 式的选择 所以有必要详细了解电机的工作状况 4 电机的负载情况 这包括电机的负载类型 是恒定负载还是变化负载 电机力矩转化为直线推力 或是旋转带动大惯量负载 电机负载随转速变化吗 如果可能 推算一下电机在正常工作速度范围内所需的力矩 5 伺服系统的价格 供货期 样品库存 最低定货量等 这些非技术因素 也是完美方案的一个不可缺少的部分 由于行走机构在支撑相中足端水平运动 行走过程机器人机体水平匀速直线 运动 因此理论上在水平地面上行走不消耗能量 因此 依据运动消耗功率来确 定电机容量不太可行 因此 主电机容量只能按如下方法估计 从本课题设计的机器人的外形和材料 硬质塑料 来看 机器人的重量大概 为 15 kg 设机器人能以 0 5 m s 的速度 沿坡度为 30 的坡行走 则机器人的 功耗为 P mgvtg230 15 9 8 0 5 tg230 24 5 w 功率 40 W 电压 24 V 电流 2 2 A 转速 3000 r min 转矩 0 13 N m 外形尺寸 总长 96 mm 外径 55 mm 轴径 6 mm 聊城大学本科毕业论文 xxxi 图 3 18 行走机构驱动电机图 转弯伺服系统可使用功率更小的电机 查参考文献 14 可得 30SZWT 型永 磁直流稳速电动机满足要求 其技术性能数据如下 功率 6 5 W 电压 26 V 电流 0 85 A 转速 9000 180 r min 转矩 7 mN m 重量 200 g 外形尺寸 总长 77 5 mm 外径 30 mm 轴径 6 mm 图 3 19 转弯机构驱动电机图 3 8 2 传动设计 步行四足机器人根关节的驱动装置为电机 齿轮减速 根关节的转动有一级 齿轮进行减速 而髋关节和膝关节的驱动装置中除了采用上述的减速外 还增加 了一级锥齿轮传动 将经减速器主轴传出的旋转运动改变方向 使得传动的输出 轴线和腿部中心线重合 以适应四足行走机器人腿部细长的外形结构 如下图 3 20 所示为一级直齿齿轮传动副的三维实体模型 聊城大学本科毕业论文 xxxii 图 3 20 一级直齿齿轮传动副的三维实体模型 需要指出四足步行机器人传动系统选用锥齿轮 传动副主要出于以下考虑 一 方面用于相互垂直的轴线间的运动传递 以改变电机输出运动的方向 另一方面 锥齿轮的传动具有运转平稳 误差小 噪声小等特点 但同时考虑到设计及其加 工制造的因素 故采用直齿锥齿轮进行传动 如下图 3 21 所示锥齿轮传动副三 维实体模型 图 3 21 锥齿轮传动副三维实体模型 3 8 3 轴承的选择 四足行走机器人的运动是靠运动副 关节 的正常工作来实现的 因此运动 副的摩擦性能对机器人的工作性能影响很大 采用什么样的轴承 提供什么样的 润滑 如何保持良好的工作条件 这些都对机器人的正常工作起着非常重要的作 用 不同结构的轴承具有不同的工作特性 不同的使用场合和安装部位对轴承的 结构和性能也有不同的要求 选择轴承时 通常都是从轴承的有效空间 承载能 力 速度特性 调心性质 运转精度和疲劳寿命等方面进行综合考虑 在为本课 题的四足行走机器人选择轴承时 还要重视下面两个因素 1 由于微小型系统自身的能量非常有限 如果能够通过选取合适的轴承 聊城大学本科毕业论文 xxxiii 来减小摩擦力矩 降低系统的能耗 这对节省机器人总系统弥足珍贵的能量是十 分有利的 同时也提高了机器人的工作效率 2 对四足行走机器人的控制需要完成预定的运动以外 还要求达到规定 的定位精度 但加工 制造 安装及使用过程中存在的各种偏差都会影响机器人 各控制任务的执行 综上所述 对于四足机器人而言 将以摩擦力矩和旋转精度作为主要的衡量 标准来选取轴承 由于考虑到安装的精度问题 因此本课题中的轴承选用深沟球 轴承 如下图 3 22 所示深沟球轴承的三维实模型图 3 22 深沟球轴承三维模型图 3 8 4 转弯机构的传动设计 本课题提出的一种新型的转弯机构 设计了一种与之相配合的万象传动机构 能够很好的使转弯机构运作 本文选择的是双十字万向节 起运动特性为第一万 向节的不等速效应有可能被第二万向节的不等速效应所抵消 从而实现两轴之间 的等角速传动 根据运动学分析得知 为了达到这一目的 必须满足一下两个条 件 15 1 第一万向节两轴间的夹角与第二万向节两轴间的夹角相等 2 第一万向节从动叉的平面与第二万向节主动叉的平面处于同一个平面 中 本条的实现完全可以由传动轴和万向节叉的正确装配来保证 转弯机构的万向节传动副三维实体模型如下图 3 23 所示 聊城大学本科毕业论文 xxxiv 图 3 23 万向节传动副三维实体模型图 3 8 5 供电电源 为了满足伺服电机的供电要求 以及机器人移动的便捷性 可选择蓄电池作 为机器人的供电电源 在蓄电池中 由于镉镍碱性蓄电池具有放电率大 耐恶劣环境 贮存和循环 寿命长 使用和维护简单 价格合理等优点 而成为本机器人系统供电电源的首 选 4 控制系统的硬件设计 本设计所指的控制系统是行走控制系统 所有的控制系统都包含硬件部分和 软件部分 四足行走机器人行走控制系统硬件部分包括控制器 传感器及各个相 应的接口电路 也可把伺服电机包括在控制系统硬件中 本设计将伺服电机归入 机械系统 4 1 传感器 传感器俗称 电五官 是机器人的感官系统 本次设计因为没有涉及智能 开发 相应的众多传感器也不能确定 本设计仅就行走控制系统及转弯控制系统软硬件进行了设计 因此须为其选 定相应的传感器 对应机械系统设计中的内容 行走机构开环控制 不使用传感 聊城大学本科毕业论文 xxxv 器 转弯机构闭环控制 使用选择光电编码器作为伺服系统的传感器 编码器有 绝对型和增量型两类 增量型编码器 转弯机构中使用绝对型编码器 转弯伺服系统使用的绝对型编码器选用 ROC408 其外形尺寸如图 4 1 图 4 1 其技术参数如下 脉冲数 2 8 256P R 绝对测量步距角 近似 1 4 分辨率 近似 1 2 输出信号类型 TTL 数据编码 格雷码 数据输出 并行 电源电压 DC5V 允许轴速 电气 机械 6000 10000 4 2 控制器 机电产品中使用的控制器一般有工控机 PLC 单片机 用单片机作为控制 器的数字伺服系统 有体积小 可靠性高 经济性好 接口齐全等明显优点 因 此 本设计选用 Intel 公司生产的在国内广泛应用的 MCS 51 系列单片集中的 8051 作为控制器 4 2 1 8051 的性能 8051 是 Intel 公司 MCS 51 系列单片机的典型产品 他的性能比早期的 MCS 48 要好得多 是生产过程控制 智能仪器 机电一体化等领域十分有用的 一种单片机 8051 的主要特点 如下 16 采用高性能的 HMOS 生产工艺生产 内部行定时器 计数器 有二级中断优先处理结构 聊城大学本科毕业论文 xxxvi 有 32 条 I O 线 输入输出能力强 程序寻址空间达 64K 字节 内 EPROM 有保险功能 可防止 EPROM 误写入 由布尔处理功能 可扩展性能 对内部 RAM 有位寻址功能 游客变成的全双工串行口 含基本指令 111 条 其中 64 条是单字节指令 数据存储器寻址空间 64K 8051 的技术性能如下 工作环境温度 0 70 C 存储环境温度 65 150 C EA VPP端对 VSS的电压 0 5 21 5V 任何引脚到 VSS的电压为 0 5 7V 电源电压 5V 10 电源电流 125 250mA 电源功耗 1 5W 4 2 2 8051 的结构 8051 的内部结构如图 4 5 所示 它主要包括有 ALU 部件 定时和控制部件 并行 I O 接口 串行 I O 接口 定时器部件 程序存储器 数据存储器等七个部 分 ALU 步件含有 ALU 单元以及累加器 ACC 寄存器 B 栈指针 SP 数据指针 DPTR 程序状态字 PSW 暂时寄存器 TMP1 TMP2 等 ALU 除了可以进行四则算术 运算外 还可以进行布尔运算 定时和控制部件用于产生指令执行的同步信号及微操作信号 他和 ALU 部件 形成了 8051 的 CPU 并行 I O 接口有 P0 P1 P2 和 P3 共四个 他们都是 8 位并行端口 其中 P0 口是地址 数据复合总线 它用于传送第 8 位地址 A0 A7 也用于传送数据 D0 D7 P2 口是高 8 位地址 A8 A15 的地址总线 但也可做一般的 I O 口 P1 是一个纯 I O 口 他只用于数据的输入输出 P3 是控制信号及 I O 信号复用口 它除了用作 I O 口之外 还用于传送控制信号 P3 口对应引脚用于控制信号时 聊城大学本科毕业论文 xxxvii 的情况如表 4 1 所示 串行 I O 接口可以以全双工方式工作 串行 I O 口占用并行 I O 口 P3 的 P3 0 和 P3 1 两位 串行 I O 口有四种工作方式 在方式 0 时 串行数据的输入 输出都由 RXD 端执行 而 TXD 用于串行时钟 方式 1 时 数据发送用 TXD 端 接收用 RXD 端 数据传输格式用 10 位 其中一个起始位 0 8 个数据位 地位 在前 一个停止位 1 传送波特率可辨 方式 2 时 数据数据发送用 TXD 端 接收用 RXD 端 数据传输格式用 11 位 格式与方式 1 类同 只是在数据位后多 了一个编程位 传送波特率选定在振荡频率的 1 32 获 1 64 处 方式 3 和方式 2 基本一样 只是在方式 3 中 波特率可改变 表 4 1 P3 口个引脚对应的控制信号 引脚编号 控制信号 说明 P3 0 R