1、I摘 要国民经济和现代工业技术的发展使机器人在几乎所有技术领域中日益广泛应用，已成为实现自动化的主要技术手段。机电一体化技术，控制技术，计算机技术的发展，使机器人技术与计算机技术大大的结合起来，从而使机器人技术技术进入了一个新的发展阶段。致力于获得更快速度、更高的机械效率、更具有适应性的攀爬行走机器人，我们开发一种两足步行机器人，他可以完成行走、攀爬、滚动，这种机器人通过形态学设计，使其在不需要添加额外的构件的情况下就可以实现滚动，此外，我们在开发这种机器人的同时，为其开发了一种准静态滚动控制装置，可以实现盘式滚动步行复合运动机器人重心的变化，从而实现其滚动，同时，我们做了一系列的实验，证明滚
2、动比两足运动更具有机械效率，功率因素可以达到5.5，我们掩饰了这种机器人具有在地坡度的斜坡上滚动和翻滚越障的能力，我们设计这款机器人时要求这种机器人更节能，能够适应不同的路面环境，在复杂的路面可以实现双足行走，当路面平坦时，可以变换运动方式，实现滚动，这种滚动不是依靠传统的轮子来实现的，而是依靠整个机器人形态上的设计形成一个圆形，依靠各构件间的运动，改变重心位置，实现机器人的运动。关键词：滚动运动； 攀爬运动； 双足步行； 运动机器人；运动控制全套图纸加153893706IIAbstractWith the development of national economy and modern
3、industrial technologies, the robot technology has become widely used in almost all fields of technology. It has become the main technology about automation. With the development of mechanical and electrical integration technology computer technology, robot technology has been combined with microelec
4、tronics and computer greatly. And the robot technology come into a new stage of development. Motivated by the need for greater speed, efciencyand adaptability in climbing and walking robots, we have developed a bipedal planar robot that complements its walking and climbing capabilities with rolling.
5、 Rolling capabilities are provided by an innovative morphology, without the need for additional resources beyond those required by walking and climbing. Herein ,we present the design of this robot, the development of a quasi-static rolling controller, and a comparison of experimentally obtained spee
6、d and energy data for walking versus rolling locomotion. We show that rolling can signicantly improve energy efciency over walkingas much as a factor of 5.5. We also demonstrate the ability to roll up slopes and roll over obstacles.Index Terms：Legged locomotionmobile； robots； motion ControlIII目 录1 绪
7、论 11.1 引言 11.2 机器人学发展现状 21.3 选题背景和意义 31.4 本课题的基本设计思路 52 盘式滚动步行复合运动机器人设计 72.1 介绍 72.2 运动结构设计 82.3 铰链设计 92.4 脚设计 .103 盘式滚动双足步行的运动学分析 114 准静态滚动控制 135 通过重心偏距的优化产生关节轨迹 145.1 介绍 145.2 过程优化 145.3 限制优化 145.3.1 最大重心偏距 14IV5.3.2 重心偏置角 155.3.3 滚动平面的连续性 155.4 足之间的干涉 166 本课程未来的研究方向 207 设计总结 207.1 本文的主要内容小结 .207.
8、2 设计心得 21参 考 文 献 22外文资料 .23中文翻译 .28致谢V1 绪论 1.1 引言机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。机 器 人 是 高 级 整 合 控 制 论 、 机 械 电 子 、 计 算 机 、 材 料 和 仿 生 学 的 产 物 。在 医 学 、 农 业 、 建 筑 业 甚 至 军 事 等 领 域 中 均 有 重 要 用 途 。现在，国际上对机 器 人的概念已经逐渐趋近一致。一般来说，人们都可以接受
9、这种说法，即机器人是靠自身动 力 和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零 件 、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。 ” 机 器 人 一 般 由 执 行 机 构 、 驱 动 装 置 、 检 测 装 置 和 控 制 系 统 和 复 杂 机 械 等组 成 。执 行 机 构 即 机 器 人 本 体 ， 其 臂 部 一 般 采 用 空 间 开 链 连 杆 机 构 ， 其 中 的 运动 副 （ 转 动 副 或 移 动 副 ） 常 称 为 关 节 ， 关 节 个 数 通 常
10、 即 为 机 器 人 的 自 由 度数 。 根 据 关 节 配 置 型 式 和 运 动 坐 标 形 式 的 不 同 ， 机 器 人 执 行 机 构 可 分 为 直 角坐 标 式 、 圆 柱 坐 标 式 、 极 坐 标 式 和 关 节 坐 标 式 等 类 型 。 出 于 拟 人 化 的 考 虑 ，常 将 机 器 人 本 体 的 有 关 部 位 分 别 称 为 基 座 、 腰 部 、 臂 部 、 腕 部 、 手 部 （ 夹 持器 或 末 端 执 行 器 ） 和 行 走 部 （ 对 于 移 动 机 器 人 ） 等 。驱 动 装 置 是 驱 使 执 行 机 构 运 动 的 机 构 ， 按 照 控 制
11、系 统 发 出 的 指 令 信 号 ，借 助 于 动 力 元 件 使 机 器 人 进 行 动 作 。 它 输 入 的 是 电 信 号 ， 输 出 的 是 线 、 角位 移 量 。 机 器 人 使 用 的 驱 动 装 置 主 要 是 电 力 驱 动 装 置 ， 如 步 进 电 机 、 伺 服电 机 等 ， 此 外 也 有 采 用 液 压 、 气 动 等 驱 动 装 置 。检 测 装 置 的 作 用 是 实 时 检 测 机 器 人 的 运 动 及 工 作 情 况 ， 根 据 需 要 反 馈给 控 制 系 统 ， 与 设 定 信 息 进 行 比 较 后 ， 对 执 行 机 构 进 行 调 整 ， 以
12、 保 证 机 器 人的 动 作 符 合 预 定 的 要 求 。 作 为 检 测 装 置 的 传 感 器 大 致 可 以 分 为 两 类 ： 一 类是 内 部 信 息 传 感 器 ， 用 于 检 测 机 器 人 各 部 分 的 内 部 状 况 ， 如 各 关 节 的 位 置 、速 度 、 加 速 度 等 ， 并 将 所 测 得 的 信 息 作 为 反 馈 信 号 送 至 控 制 器 ， 形 成 闭 环 控制 。 另 一 类 是 外 部 信 息 传 感 器 ， 用 于 获 取 有 关 机 器 人 的 作 业 对 象 及 外 界 环 境等 方 面 的 信 息 ， 以 使 机 器 人 的 动 作 能
13、适 应 外 界 情 况 的 变 化 ， 使 之 达 到 更 高 层次 的 自 动 化 ， 甚 至 使 机 器 人 具 有 某 种 “感 觉 ”， 向 智 能 化 发 展 ， 例 如 视 觉 、声 觉 等 外 部 传 感 器 给 出 工 作 对 象 、 工 作 环 境 的 有 关 信 息 ， 利 用 这 些 信 息 构 成一 个 大 的 反 馈 回 路 ， 从 而 将 大 大 提 高 机 器 人 的 工 作 精 度 。控 制 系 统 有 两 种 方 式 。 一 种 是 集 中 式 控 制 ， 即 机 器 人 的 全 部 控 制 由 一 台微 型 计 算 机 完 成 。 另 一 种 是 分 散 （
14、 级 ） 式 控 制 ， 即 采 用 多 台 微 机 来 分 担 机器 人 的 控 制 ， 如 当 采 用 上 、 下 两 级 微 机 共 同 完 成 机 器 人 的 控 制 时 ， 主 机 常用 于 负 责 系 统 的 管 理 、 通 讯 、 运 动 学 和 动 力 学 计 算 ， 并 向 下 级 微 机 发 送 指 令信 息 ； 作 为 下 级 从 机 ， 各 关 节 分 别 对 应 一 个 CPU， 进 行 插 补 运 算 和 伺 服 控制 处 理 ， 实 现 给 定 的 运 动 ， 并 向 主 机 反 馈 信 息 。 根 据 作 业 任 务 要 求 的 不 同 ，机 器 人 的 控 制
15、 方 式 又 可 分 为 点 位 控 制 、 连 续 轨 迹 控 制 和 力 （ 力 矩 ） 控 制 。1. 2 机器人学发展现状机 器 人 有 三 个 发 展 阶 段 ， 那 么 也 就 是 说 ， 我 们 习 惯 于 把 机 器 人 分 成 三 类 ，一 种 是 第 一 代 机 器 人 ， 那 么 也 叫 示 教 再 现 型 机 器 人 ， 它 是 通 过 一 个 计 算 机 ，来 控 制 一 个 多 自 由 度 的 一 个 机 械 ， 通 过 示 教 存 储 程 序 和 信 息 ， 工 作 时 把 信 息读 取 出 来 ， 然 后 发 出 指 令 ， 这 样 的 话 机 器 人 可 以
16、重 复 的 根 据 人 当 时 示 教 的 结果 ， 再 现 出 这 种 动 作 ， 比 方 说 汽 车 的 点 焊 机 器 人 ， 它 只 要 把 这 个 点 焊 的 过 程示 教 完 以 后 ， 它 总 是 重 复 这 样 一 种 工 作 ， 它 对 于 外 界 的 环 境 没 有 感 知 ， 这 个力 操 作 力 的 大 小 ， 这 个 工 件 存 在 不 存 在 ， 焊 的 好 与 坏 ， 它 并 不 知 道 ， 那 么 实际 上 这 种 从 第 一 代 机 器 人 ， 也 就 存 在 它 这 种 缺 陷 ， 因 此 ， 在 20世 纪 70年 代后 期 ， 人 们 开 始 研 究 第
17、 二 代 机 器 人 ， 叫 带 感 觉 的 机 器 人 ， 这 种 带 感 觉 的 机 器人 是 类 似 人 在 某 种 功 能 的 感 觉 ， 比 如 说 力 觉 、 触 觉 、 滑 觉 、 视 觉 、 听 觉 和 人进 行 相 类 比 ， 有 了 各 种 各 样 的 感 觉 ， 比 方 说 在 机 器 人 抓 一 个 物 体 的 时 候 ， 它实 际 上 力 的 大 小 能 感 觉 出 来 ， 它 能 够 通 过 视 觉 ， 能 够 去 感 受 和 识 别 它 的 形 状 、大 小 、 颜 色 。 那 么 第 三 代 机 器 人 ， 也 是 我 们 机 器 人 学 中 一 个 理 想 的
18、 所 追 求 的 最 高 级 的阶 段 ， 叫 智 能 机 器 人 ， 那 么 只 要 告 诉 它 做 什 么 ， 不 用 告 诉 它 怎 么 去 做 ， 它 就能 完 成 运 动 ， 感 知 思 维 和 人 机 通 讯 的 这 种 功 能 和 机 能 ， 那 么 这 个 目 前 的 发 展还 是 相 对 的 只 是 在 局 部 有 这 种 智 能 的 概 念 和 含 义 ， 但 真 正 完 整 意 义 的 这 种 智能 机 器 人 实 际 上 并 没 有 存 在 ， 而 只 是 随 着 我 们 不 断 的 科 学 技 术 的 发 展 ， 智 能的 概 念 越 来 越 丰 富 ， 它 内 涵
19、越 来 越 宽 。1. 3 选题背景和意义我们当前对于滚动步行复合运动机器人的研究是在以往对微型攀爬机器人研究的基础上进行的，以往的攀爬机器人虽然能够适应攀爬各种不同的表面，通过限制性的空间，攀爬越障，但是他们通常速度很慢，效率很低，为解决这个问题，我们设计了两种机器人，他们都具有行走、攀爬、滚动多种运动形式，这就是滚动步行复合机器人和球型六足机器人，第二种机器人还在构思当中，他拥有球型的骨架，将滚动步行复合运动机器人的二维运动扩展打三维当中去，圆形的骨架设计时这种机器人利用他们的腿在接触表面产生转矩以是其产生滚动。因为人们已经对步行、攀爬运动进行了深入的学习研究，我们将在这篇文章中只进行简单
20、的介绍，而将重点放在翻滚步行复合运动机器人如何在步行、攀爬、滚动的运动模式变换中适应复杂的环境，我们将全面的讨论行走和攀爬，我们将提供一些当代的关于攀爬、行走机器人讨论的问题，我们在这里研究的主题包括1、机器人的滚动 2、如何实现机器人的复合运动 3、如何通过改变自身的结构以变化不同的运动形式适应不同的路面环境 4、如何通过重心的改变达到驱动机器人运动的目的 。每一个我们研究的相关主题，和中高适应性的复合运动机器人概念将会在以下的每个部分进行概括。1、滚动机器人第一个滚动机器人是由Halme设计的，他用一个电机驱动顶在内部机构的轮子上，从而可以驱动封装在球型塑料的机构，同时这用驱动可以得到确定
21、的运动方向，Michaud 和Caron 设计了一个球型玩具，他把电机连接在球型机器人的表面上，用来实现驱动，设计了一个平衡物来确定方向，Mukherjee驱动系统，集中线性驱动器上的质量用来控制整个机器人的质量分布，因此，得到旋转机器人的转矩、位置、定向。还有另外一种滚动方式，这种滚动方式是有Bhattacharya 和 Agrawal 设计的，由一个装在球形内部的两个相互垂直的电动机驱动机构，通过动量守恒让球形机器人运动。另外的研究者研究通过非圆形骨架个构件之间的移动驱动机器人移动，这些机器人滚动是通过改变他们的形状，使工作重心重新分布，形成复杂的面配置，这种形式的运动相对于圆形和球形运动
22、不够顺畅，当时相对于其他形式运动步法更有效率一些。比较以上所述的机器人，我们会发现一个规律，通过调整机器人质量的分布，达到重心位置的改变，从而使机器人不同的部位不地面接触，从而实现其运动，这种滚动步法比其他步法更有效率。值得注意是可以通过改变机器人的形状达到重心的改变，这种滚动被定义成结构改变运动。这篇文章中提到的机器人的驱动是通过使用圆形骨架和协调连接关节，实现其驱动，我们设计的滚动运动形式部分源于从Halme对准静态控制的研究中受到得启发，当时不用于Halme的运动方式，我们不用轮子驱动重心位置的变化，我们用协调关节的运动来改变运动的位置，这种形式更像是变结构机器人。2.复合运动机器人结合
23、不同的运动方法设计一个机器人具有不同的运动形式，这几是复合机器人的实际思路。大多数复合机器人结合了具有高机械效率滚动运动形式，使其在水平平整的平面更好的移动，同时能够进行足式运动，使其能够适应复杂的运动路面，大多数机器人通过在腿上装上轮子把滚动和足式运动优点结合在一起，当然轮子也可以装在机器人的其他部位，其他的，很少用到的，复合机器人也同样会用到轮腿式的移动机构，一些小构件是上安装在轮上，也有一些绳索机器人，他们攀爬或在斜面完成其他的任务，通过绳索支撑主体，通过腿实现运动，我们的设计本质上和以上两个例子是有区别的，滚动步行复合运动机器人和球形六足机器人是通过利用圆形骨架的结构改变的技术实现其运
24、动。3、被动动态机器人前面文章中提到的滚动控制方法依靠重力对机器人进行加速，是通过构件位置的变化使其质量中心发生变化，重力的作用位置就发生变法，造成机器人的不同部位与运动表面接触，实现其运动，这种被动驱动滚动运动形式是被动动态行走研究方案的先驱，每一个被行走步法都是基于质量或者是动量在机器人不同部位的转移。这种被动行走的概念被应用于这篇文章介绍的复合攀爬机器人的设计当中，作为一种设计准静态滚动机器人的方法，机器人骨架外部的每一个构件是作为整个圆的一部分，作为一个整体，这些构件为滚动步行复合运动机器人形成一个稳定圆形滚动平面，这和被动行走的腿功能是相似的。这种机器人通过各构件位置的变化，达到质量
25、的重新分布，是重心改变，在重力的作用下，机器人不同的外表面点步路面接触，实现机器人的运动。我们的准静态滚动方法和被动动态行走机构的势能变化方法是相似的，我们通过小幅度的改变机器人的重心从而增加系统的势能，但是这用方法也有所不同，他不像被动动态行走机构只是动态稳定的，滚动步行复合运动机器人和球形六足机器人允许他们被动的稳定，此为，我们限制控制定律来适应低速，我们避免了对滚动运动的深入的理论研究，例如动态、冲击、接触机构。1.4 本课题的基本设计思路致力于使机器人获得更快的移动速度、更高的机械效率和使机器人在攀爬和行走过程中对环境更具有适应性，我们开发了一系列具有攀爬、行走、和滚动的复合运动机器人
26、，这机器人是基于形态学设计的，他可以在不添加额外构建的情况下实现攀爬和行走运动，这用机器人具有多种运动形式，他可以根据不同得路面变换不同的运动形式，所以这用机器人更具有环境适应性，在复杂，不平整的路面上，足式运动更有优势，而在平整光滑的路面上，滚动则可以提供更快的移动速度和更高的机械效率。此外，我们利用所设计的滚动步行复合运动机器人研究得到滚动和步行更具有机械效率，这就意味着滚动比步行更节能，基于此实验开发的准静态滚动控制装置，证明了盘式滚动步行复合机器人的滚动比步行的功率因数之比为5.5.盘式滚动步行复合机器人是三自由度的平面机器人，这种机器人在二维的平面上做攀爬、翻滚测试，这个实验可以在未
27、来开发球形六足机器人提供思路，如图1，演示了盘式步行复合运动机器人如何实现攀爬、行走、滚动，以及为实现不同的运动形式，各构件进行的变换。图1 滚动步行复合机器人不同形式的运动及变化图我们基于滚动步行复合运动机器人开发了的准静态滚动控制装置，他通过各构件间的运动改变滚动步行复合运动机器人的工作重心，使其偏移几何中心，这种准静态滚动控制装置的优点在于他应用了自然力学的知识，重心始终指向地面，通过重心相对于几何中心的偏移，他不需要除铰链控制电位计以为的其他传感器，仅利用重心的变化实现滚动步行复合机器人的运动。未来的将集中在如何实现动态滚动反馈的控制装置的研究上，以实现更快的移位和更强环境适应性上。向
28、前移动的关节轨迹通过独立计算和静态最优化轨迹处理找到需要的关节角，通过关节角的变化实现滚动步行复合运动机器人重心跟随预订轨迹的几何中心变化而变化，以达到确定运动的目的，同时我们在机器人运动的过程中估计能量消耗和轨迹路径的特征，我们还比较滚动和行走两种不同运动模式下的数据，并对数据进行分析。我们这里用的滚动控制装置是在以往控制装置的的基础上改进上得到的，以往的控制装置没有重新产生想要的结果的能力，以往的控制装置通过给便多关节的运动轨迹实现滚动步行复合运动机器人重心位置的变化，同时仿真技术用于手动调整多关节的位置，从而变换滚动步行复合运动机器人的运动方式。攀爬 行走 变换 滚动这种方式也有一个弊端
29、，存在粘滞摩擦系数这可影响因数，他可能使模拟中产生的预期结果与实际的结果不一样，从而引起失效。我们将会展示我们改进的准静态滚动运动控制器将具有使滚动步行复合运动机器人完成整个运动的能力，同时具有跟踪预订的滚动角的能力，我们将进一步的展示滚动的运动方法比步行的运动方法能够提高机械。整个论文我们将会分阶段的叙述滚动步行复合运动机器人，在第二部分我们将介绍机器人的研究背景和已经取得研究成果，在第三部分我们将详述滚动步行复合运动机器人的结构设计，第四部分我们将描述滚动步行复合运动机器人的运动模式，第五部分我们将详细介绍准静态滚动运动控制器。为提供预期的重心位置变化而进行的关节运动路径优化将会在第六部分
30、介绍，我们将在第七部分讨论实验结果，我们将在第九章中讨论未来机器人的研究方向和重点，我们将在第九部分做出总结。2 盘式滚动步行复合运动机器人设计2.1 介绍总体方案是设计一个双足攀爬行走机器人，同时他具有变换构件位置，形成圆形，实现滚动，仅利用攀爬、步行的驱动，不需要添加额外的驱动，就可以实现滚动，我们同圆形骨架的引入解决这一问题，机器人的每一个构件是圆形骨架的一部分，所以当用于攀爬的机构的两足的脚掌面和在一起，就构成了一个圆形，所以圆形骨架在和其他的形式外形如轮子、添加附加物的方法相比，更具有优势，这也使我们选择圆形骨架的原因，这种装置额外的重量可以达到相反的效果，同时限制了攀爬能力，圆形骨
31、架可以增加整个机器人的直径，例如构件高度，通过环境的限制环境的限制图2 机器人设计的装备图2.2 运动结构设计根据图2展示机器人的外轮廓，我们可有看到，这个机器人是用四个构件由铰链连接而成的平面连杆机构，在横向截面区域机器人被四个构件均匀的分为几个部分，构件1、构件2分别占机器人横向截面的三分之一，机器人的两个脚占据机器人剩下横向截面的三分之一，一个创造性的腰部铰链把机器人的两个腿构件连接在一起，两个踝关节铰链则把机器人的腿构件和脚构件连接在一起。为使整个机构能够对称滚动，构成机器人的四个构件的质量必须平衡，这样在机器人整个封闭的机构内，机器人的重心就一直接近于几何形心。电池电磁铁图3 铰链的
32、分解图2.3 铰链设计这一部分我们将介绍铰链设计的驱动原理，如图3，铰链这样设计的目的在于，既保证了铰链的直径尽量小，同时允许传递尽可能大的转矩，在传动末端，每一个铰链轴被一个涡轮蜗杆机构驱动，这样做有一些明显设计优势，电机被安装在垂直于铰链轴的位置，这样做，可以使构件的长度减小，同时可以直接驱动铰链，涡轮蜗杆机构结构紧凑，占有空间小，但可以实现大转动比转动，可以实现很大的减速，这样设计同样允许在涡轮蜗杆机构前端装一个齿轮箱，得到较小的传动比，实现较小的减速，这样做可以减少齿轮的级数，电机的大小和降低整个机构的重量。每一个铰链用一个型号RE-MAX 17的微型电机驱动，这种电机装备了GP 16
33、A的行星轮齿轮箱，整个齿轮减速系统实现传动比为1264:1的减速，这种减速机构实现这样大的减速有很多优点，因为电机的动态特征和其余的整个机器人其他构件间的动态特征是孤立的，所以铰链的动态特征就成了机器人动态特征的主要影响因素，这样就可以实现简单的控制，此外，因为高传动比的齿轮、涡轮蜗杆、都是不反馈的，这就在机器人攀爬过程中有了优势，这就不需要电机在一个位置保持不动。这用选择电机齿轮箱的联合运用的目的是为了当剩下的构件以20/s的角速度在水平方向伸展时，电机齿轮箱联合运用可以使踝关节脚部构件拥有静态转矩，选择这种电机的原因在于可输出的功率在这种运行点可以达到最大值，对于滚动来说，更大的铰链转动速
34、度是我么想要得到的，而这用电机齿轮箱联合运用可以提供无负载情况下 的铰链转动角速度。50/s铰链的位置反馈是有安装在铰链轴端的电位计来完成的，用来提供铰链位置的直接测量结果，机器人其他铰链的位置反馈装置都运用了同样的设计，这样就降低了整个系统的复杂性。图4 对于铰链和抓手的最坏负载2.4 脚设计机器人脚的设计思路出发点简单易行，但同时要就求机器人脚的设计能够让机器人在不给滚动运动造成影响的情况下能够完成完成攀爬，因为在完成滚动时，要求机器人的脚能够彼此接触的很紧密，脚的尺寸要求保持最小，以保证机器人有最大的运动幅度，电磁吸盘的质量也要被考虑进来，防止引起机器人整个机构的质量的分配不均，这样在滚
35、动中就可以得到理想的质量平衡分配。在当前设计的滚动步行复合运动机器人中我们选择电磁吸盘作为脚部与路面间的固定装置，因为电磁吸盘相对其他机构来说易于驱动，同时他的质量可以用来平衡电动机和电池的质量，但是这种设计也有一定的局限性，限制了攀爬表面只能是用铁材料制成的墙面，这用脚构件设计也具有灵活性的优点，可以用其他构件代替电磁吸盘，例如机械抓、吸盘、钩子。我们的机器人脚机构设计充分利用了滚动骨架去提升脆弱的断开的构件设计，同时提升了整个机构的运动特征，每一个电磁铁都安装在脚掌中心的位置，让足构件能够大幅度的运动，这样就可以提供更高效率的运动，这种电磁吸盘设计可以上机器人悬在墙壁上。如图43 盘式滚动
36、双足步行的运动学分析盘式滚动步行复合运动机器人的整体的重心是由各构件的相对位置决定的，标准Denavit-Hartenberg转换用来进行盘式滚动步行复合运动机器人的运动参数确定，如图5，标注了Denavit-Hartenberg参数在盘式滚动步行复合运动机器人的运动图上，框架的中心c位于滚动圆的中心，这和滚动圆表面和地面的接触点、各构件的位置同时确定，框架上的点g是地面与机器人框架表面的接触点，yg 定义为滚动平面的参考方向，z g 则指向平面内部，滚动角是旋转的中框架中心c与z g 的夹角。图5 滚动步行复合运动机器人滚动运动分析的运动模型表一 图5中参数确定i im degi img i
37、b-1 48 -90 Na Na0 84 * 182 -51 -23 1T1 167 * 363 -84 -21 1T2 167 * 376 -90 -18 1T3 84 * 209 -36 -21 1T4 48 -90 Na Na在框架C上的重心的位置Cr可以用以下齐次坐标表示0102031 101232 for 60 18 ctctctTmbTbmrTb 23031332for 0 3 60 ct bmmT （3-1）这里 是齐次转换矩阵，代表坐标从框架j向i和 的坐标转换，是调整重心位T ijb置的构件j和i的齐次坐标，构件i的质量用 表示，机构整体的质量用 im，表1为在前面的方程和图
38、5中持续出现的状态提供数值。1234imm在这篇文章后面的论述中大量用到的重心偏移距离L可以用以下公式得到（3-2 ）21cLr和重心偏置角的计算公式(3-3)21tan,90cr在公式中参数 和 是 的第一、第二元素，1Cr2Cr4 准静态滚动控制假设滚动阻力和惯性对整个机器人机构的影响被忽略，滚动步行复合运动机器人达到平衡时重心的方向垂直指向与地面的接触点，当重心位置发生变化时，滚动步行复合运动机器人要重新回到词状态，那么一定的重心变化，滚动步行复合运动机器人就有一个确定的运动方向，所以重心位置的变化以及其重新回到平衡的过程，重心的变化的位置起着确定运动方向的作用，所以重心位置慢慢的变动，
39、滚动步行复合运动机器人将会通过滚动重新达到平衡，这种运动原理如图6，对于所有的重心偏距L0的重心偏置角，当重心偏移角在0360慢慢变化，将会是滚动步行复合运动机器人旋转，实际上，重心的偏距L越大，滚动控制装置的控制能力越强，定向越平稳。5 通过重心偏距的优化产生关节轨迹5.1 介绍这一部分集中介绍为产生需要的重心偏距设计铰链路径，首先我们介绍拱形的优化，然后介绍各个方面必须满足的物理约束。5.2 过程优化我们的准静态控制方法的目的在于产生铰链路径，这样就可以重心偏置角在0360变化的过程中产生重心大于零的重心偏距L。铰链路径被用于向前反馈控制输入到铰链上的伺服电机上，以不同的速率运动，我们把这
40、些路径的产生作为处理一系列限制优化问题的一部分，我们的目的在于在最大重心偏距Lk 、 在分散的旋转角路径得到铰链角 ，参数K的引入是为表示k次优化问题，MATLAB 的fmincon 功能就是用来循序的解决每一个K优化问题，从优化K得到的铰链的位置被用来评估优化K+1，关于驱动优化的问题只简单的叙述。5.3 限制优化5.3.1最大重心偏距重心的偏移长度为L k，用公式2进行重心偏移长度计算，但是不能超过最大平衡 重心偏置 通过滚动恢复平衡中重心偏移长度Lmax 。我们选择把重心偏移距离限制在最大值以内，这样就就可以取不同重心偏距的滚动下评估不同的结果。这用约束不等式完成。(5-1)max0 k
41、L5.3.2 重心偏置角对于任何想要的滚动角k、重心偏置角k，这些参数用公式3计算，但是必须符合以下公式(5-2) 0 k5.3.3滚动平面的连续性 为保证滚动步行复合运动机器人的滚动平面具有连续性，当滚动角靠近铰链运动对应的角度和构件运动终端即 滚动 =0，6,180,300,360时，铰链转动的变化限制在他们允许的范围内，那个相切双曲线函数用来限制铰链的运动范围内，如图7 ，限制函数为,|tanh180|0critnknomikismoh (5-3)=120是适合于所有铰链定义铰链角，k,j是定义值的偏差，因nom为铰链j限制在- allow k，j allow ，这里allow =60是
42、铰链的物理限制，能够变化的k是我们需要得到的滚动角，-smooth =crit 30 是滚动角在整个机构变窄达到 crit 。我们选择了30是因为这是这个机构能够张开到最大程度是滚动角达到的最大值，在crit =0和60之间，等同于crit在300和360之间，指数n的取值取决于想要的滚动角在以下情况的取值(5-4)1, for0 321203, 44fr5, o 36kkkn图8 脚碰撞的定义5.4 足之间的干涉对于任何想要的滚动角，滚动步行复合运动机器人的铰链的运动限制在给定的范围内，这样就可以避免滚动步行复合运动机器人脚跟脚之间的干涉，实验证明滚动步行复合运动机器人其他构件之间不存在干涉
43、现象，也就不再我们讨论的范围内，滚动步行复合运动机器人脚跟脚之间干涉的大小的可以用脚1O-2和O -1和脚2O 3和O 4边缘的距离衡量。在以下情况下干涉将会发生(5-5)0 0.3 and x ij ijdx这里 0dij shi 框架i对于j内部影响因素， 通过应用仅限于共同配置那就做不成了角度入手,这一原理见图8.相关的参数在表一中进行了列举，这些数据将会确定代表脚边缘的滚动步行复合运动机器人各部分运动的协调。滚动步行复合运动机器人的脚表面和另外一个脚表面形成一个闭合的部分，这一动作，可以用以下数值描述(5-6)0 03303, if x , elsij ijijijijxddu 在这里
44、Ui，j取负值表示滚动步行复合运动机器人的脚不会发生碰撞，当Ui，j取正值表示滚动步行复合运动机器人脚存在碰撞，这个结果可以用以下不等值进行限制(5-7) 0, for1,2 3,4ijuij铰链轨迹生成的结果图样在图9中进行了描述，图9描述了在允许的最大重心偏距2mm和8mm时，铰链和机器人重心的轨迹，为便于对照观察，单一的最大重心偏距轨迹在图10中进行了描述，从图中可以清楚的看出，我们实验中铰链轨迹产生的路径成功的产生铰链连续的运动，这样重心偏距轨迹在达到最大重心偏距时就是一个连续的数值。在重心偏置角接近 时是一个例外，由于滚动cirt平面持续性的约束，引起重心偏距降到零，虽然我们在研究我
45、们开发的准静态控制程序时忽略了惯性的影响，我们假设有足够的动量和重力影响，引起整个系统的滞后，在实验中将会使滚动步行复合运动机器人通过 。cirt滚动平面持续性的限制可能引起铰链1和3的位置快速的接近 ，这样就cirt在系统中引入了我们不想看到的动态影响，但是，通过观察，他们的加速度几乎相等，而且方向相反，这样就可以消除了整个系统动态影响，快速的铰链位置移动同样受限于铰链轨迹如何作用于机器人，他限制了铰链角的变化快慢，在完成攀爬运动是要求大传动比的齿轮，当速度变化时受限于电机的功率。图9 铰链路径生成图10 相对几何中心的最大重心偏距同样需要注意的是，对于不同的最大重心偏距，铰链轨迹有相识的形
46、状，彼此之间有大小接近的版本，大一些最大重心偏距需要大一些的铰链偏移，这也表明在最大重心偏距轨迹下需要消耗更多的能量，因为这需要更大的铰链结合。6 本课程未来的研究方向因为盘式滚动步行复合运动机器人的一个主要运动是攀爬，所以电机和齿轮要基于完成攀爬运动所需要的条件进行选择，基于攀爬运动选择电机、齿轮要求能够给铰链提供高的转矩，这和完成滚动要求铰链有很大的转速，能够为滚动提供更多的动态模式，这两点是矛盾的。因为减速齿轮系统本身所固有的低效率，使得用来完成减速的大传动比的齿轮系统同样会对不同形式的运动造成影响。未来将研究如何优化电机和齿轮系统，从而在允许滚动步行复合运动机器人攀爬各种不用的路面的同
47、时具有高的铰链转速和高的齿轮转动效率。未来研究同样包括开发能够适应更动态方法滚动的控制系统，这些方法包括用腿踏开地面，通过铰链的结合为系统提供动量，用重心的偏移维持大的转矩，我们将会开发能够完成状态评估和地形特征识别的传感器用来完成反馈控制，嵌入式控制系统将会代替分离式控制系统，我们将会研究根据不同运动模式和地形特征的转换方法，用来是以后研发的机器人能够更好的适应不同的环境。最后我们将利用在盘式滚动步行复合运动机器人上的研究成果，用来开发球型六足机器人和下一代盘式滚动步行复合运动机器人。7 设计总结7.1 本文的主要内容小结经过几个月的学习与努力，终于完成了滚动步行复合运动机器人这一毕业设计课
48、题，在这一课题中，我的主要内容是如何设计方案达到运动目的，如何进行结构设计，运动分析和结构运动的优化处理。（1）在系统方案设计中，我阅读了大量的关于机器人设计方面的书籍，如何比较已有方案的的不同点，了解他们的设计思路，把他们的设计亮点运动的自得的设计中去，滚动、步行、攀爬，这每一种运动形式都有个大量的研究，我们设计的目的就是如何把这三种不同的运动形式结合在一起，那么必定要参考已有的设计方案，但是在设计过程中还有一些创新性的东西，那就是运动圆形骨架把这些不同的运动形式结合在一起。（2）运动分析，在这一节的分析中我们要解决已经确定了结构的情况下，如何实现特定的运动，确定主要构件的支撑，和一些细节设
49、计，使滚动步行复合运动机器人能实现滚动、步行、攀爬这三种运动，同时又可以轻松的实现三种运动形式的变换，在这里面重点要解决的是如何通过重心位置的变化，使机器人能够顺利实现所需的滚动。（3）优化处理，在这一部分中我们要解决滚动步行复合运动机器人运动过程遇到的特殊问题，比如如何对重心偏距 L、重心偏置角进行限制，找出限制不等式，为了使滚动步行复合运动机器人能搞得到连续性的运动平面，又要对一些条件进行限制，最终的目的是为了得到理想的运动形式。（4） 最后是图纸的绘制，这一过程中结合设计和工艺要求，对各零部件进行了标准绘图，得到了的具体图纸，并锻炼了 CAD 软件的运用能力。7.2 设计心得实践，是一面很亮的镜子，能够通过它看出我们自身的缺点，能够通过它查找出自身缺乏的知识。通过这次设计，我明显感觉到“书到用时方恨少”。大学四年的学习虽让我们具备了一定的机械设计基础知识，但总的来说
