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毕业设计（论文）四足步行机器人腿的机构设计学生姓名：学号：所在系部：专业班级：指导教师：日期：I摘要本文介绍了国内外四足步行机器人的发展状况和三维制图软件SolidWorks的应用，着重分析了设计思想并对行走方式进行了设计并在此软件基础上四足步行机器人腿进行了绘制，对已绘制的零部件进行了装配和三维展示。展示了SolidWorks强大的三维制图和分析功能。同时结合模仿四足动物形态展示出了本次设计。对设计的四足行走机器人腿进行了详细的分析与总结得出了该机构的优缺点。本文对四足机器人腿的单腿结构分析比较详细，并结合三维进行理性的理解。关键词：SolidWorks；足步行机器人腿IIAbstractInthispaper,fouthinsideandoutsidethetwo-leggedwalkingrobotandthedevelopmentofthree-dimensionalmappingoftheapplicationofSolidWorkssoftware,focusedonananalysisofdesignconceptsandapproachtothedesignofwalkingandthebasisofthissoftwarequadrupedwalkingrobotlegshavebeendrawnoncomponentshavebeendrawntotheassemblyandthree-dimensionaldisplay.SolidWorksdemonstratedastrongthree-dimensionalmappingandanalysisfunctions.Atthesametime,combinedwithfour-leggedanimalpatternstoimitatethedesignshow.Thedesignoffour-leggedwalkingrobotlegstocarryoutadetailedanalysisandarriveatasummaryoftheadvantagesanddisadvantagesoftheinstitution.Inthispaper,foursingle-leggedrobotmoredetailedstructuralanalysis,combinedwitharationalunderstandingofthree-dimensional.Keywords:SolidWorks;four-leggedwalkingrobot目录摘要.............................................................................................................IAbstract.............................................................................................................II1绪论.................................................................................................................11.1步行机器人的概述................................................................................11.2步行机器人研发现状............................................................................11.3存在的问题............................................................................................52四足机器人腿的研究......................................................................................62.1腿的对比分析........................................................................................62.1.1开环关节连杆机构......................................................................62.1.2闭环平面四杆机构......................................................................92.2腿的设计.............................................................................................112.2.1腿的机构分析...........................................................................122.2.2支撑与摆动组合协调控制器....................................................182.3单条腿尺寸优化..................................................................................212.3.1数学建模...................................................................................212.3.2运动特征的分析.......................................................................232.4机器人腿足端的轨迹和运动分析.......................................................242.4.1机器人腿足端的轨迹分析........................................................242.4.2机器人腿足端的运动分析........................................................273机体设计........................................................................................................303.1机体设计.............................................................................................303.1.1机体外壳设计...........................................................................303.1.2传动系统设计...........................................................................313.2利用SolidWorks进行腿及整个机构辅助设计...................................354结论...............................................................................................................364.1论文完成的主要工作..........................................................................364.2总结.....................................................................................................36参考文献...........................................................................................................37致谢...............................................................................................................3911绪论1.1步行机器人的概述机器人相关的研发和应用现如今早已变成每个国家的重要科研项目之一，通过运用机器人来代替人们的某些危险工作或者帮助残疾人完成自己所不能完成的事情。在工业，手工业，重工业等方面机器人的辅助功能尤为突出，大大提高了工作效率，节省开支。其中，行走机构比较普遍，比如哈尔滨工业大学自主研发的可以用来进行足球比赛的几个四足机器人，在较小的场地里用机器人踢球看起来非常有趣。步行是人和自然界的大多数动物所具有的一种运动方式。步行能够比较有效的适应环境的变化，相对于履带式、轮式和蠕动式这些运动方式来说，明显更有发展的前景。一些专家和学者从事于步行机器人的研发工作，并不是为了刻意去追求对复杂系统的研发，而是因为步行机器人确实具有广泛的应用前景，比如在替代危险环境下工作的人们、工厂的维护方面和崎岖地面上的货物搬运工作以及灾害支援救助等方面都具有很好的发展前景。此外，随着目前不断加深的社会老龄化程度的问题，对于老年人的护理、康复医学以及在普通家庭的家政服务等方面步行机器人也可以取得较好的应用。1.2步行机器人研发现状20世纪60年代，对于四足步行机器人的研究工作刚刚开始起步。随着计算机技术的发展和机器人控制技术方面的应用研究，20世纪80年代之后，现代四足步行机器人的研发工作进入了广泛的发展阶段。到20世纪80、90年代比较具有代表性的四足步行机器人是由日本的一所名叫ShigeoHirose的实验室研制的TITAN系列机器人。1981～1984年Hirose教授成功研制在脚部安装传感和信号处理系统的TITAN-III机器2人。TITAN-Ⅵ机器人运用了一种新型的直动型腿机构，有效避免了在上楼梯过程中各腿间的干涉，并且采用了两级变速驱动机构，能够实现腿部的摆动相和支撑相分别进行驱动。图1-1Tekken-IV机器人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，如图1-1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，同时它利用了激光和CCD摄像机进行导航，能够有效的躲避前方的障碍物，实现无碰撞的行走。如图1-2所示为美国BostonDynamics实验室研制的叫做BigDog的机器人，是目前最具代表性的四足步行机器人，它能在各种恶劣的地形上进行行走，最大负载达到52kg，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3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。但由于汽油发电机需携带油箱，故工作时受环境影响大，可靠性差。另外，当机器人行走时引擎会发出怪异的噪音。