仿生輪足結(jié)合機器人結(jié)題報告

1、仿生輪足結(jié)合機器人研究摘要：當(dāng)前世界各國對機器人的研發(fā)都特別重視，因為一款高級的機器人可極大的解放人類的 勞動力，并對國民經(jīng)濟發(fā)展和國家綜合國力的提高產(chǎn)生不可估量的影響。四足仿生機器人通 過對哺乳動物行動方式的模仿，實現(xiàn)了克服復(fù)雜地形，穩(wěn)定、高效的行走，但由于現(xiàn)有驅(qū)動 方式的局限，其在較平路面還是存在一定速度缺陷。本小組設(shè)想將輪與足式結(jié)合，實現(xiàn)更加 廣泛的適應(yīng)性。在這一設(shè)想指導(dǎo)下，我們在小腿內(nèi)內(nèi)置了輪，需要時，機器人便能放下輪前 行。但是，這樣的結(jié)構(gòu)也有很多問題，比如小腿結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，不宜進行動畫仿真，機器人 輪行時整體重心偏高，不太穩(wěn)定等。制作過程中，我們針對這些問題進行了討論和優(yōu)化，最 終

2、做出了大家都比較滿意的作品。關(guān)鍵詞：機器人；輪足結(jié)合；仿生一.項目研究的背景及意義機器人研究現(xiàn)狀美國的MIT Leg Lab實驗室早在1986年研制完成了一款四足機器人。美國 的四足機的典型代表是卡耐基美隆大學(xué)的Boston dynamics實驗室研制的BigDog （圖。和LittleDog （圖2）。BigDog是最像仿生對象的仿生機器人，外形和體 特比例很像一頭兇猛的獵犬，負(fù)載52KG的重量能夠在粗糙的瓦礫地面或泥濘地 面以不同步態(tài)自如行走，野外行走能力很強。最大的特點是具有較強的機體平衡 能力，在劇烈的側(cè)面沖擊作用下，能保持平衡而不倒。在卡耐基.梅隆大學(xué)2006.11.3 的機器人學(xué)術(shù)

3、報告會上，Martin Buehler（Director of Robotics Boston Dynamics）稱，已列入計劃將BigDog的四足機器人深入研究，使其性能達(dá)到能走、 跑、平衡、爬行等動態(tài)移動、運載貨物、識別粗糙地形能力、自主控制能力等方 面達(dá)到一個新的水平。國內(nèi)起步較晚，但發(fā)展較快。清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等 對機器人的研究貢獻(xiàn)較為突出。在對現(xiàn)有地面移動機器人結(jié)構(gòu)形式及特點分析的 基礎(chǔ)上，哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了一種輪足式四足機器人概念模型HIT-HYBTOR （圖3），機器人由四個獨立驅(qū)動的輪代替了四個足構(gòu)成具有3個自由度的輪腿機 構(gòu)，其中髖關(guān)節(jié)具有2個自由度，膝

4、關(guān)節(jié)具有1個自由度，可以根據(jù)環(huán)境需求在 輪式機器人和足式移動之間切換。該模型結(jié)合輪式機器人和足式機器人的優(yōu)點， 根據(jù)不同的環(huán)境變換輪式運動和足式運動兩種運動方式，期望達(dá)到良好的運動靈 活性和較高的移動速度的統(tǒng)一。圖 1-DigDog圖 2-LittleDog圖 3-HIT-HYBTOR發(fā)展趨勢可以看出，四足仿生機器人確實有其他種類機器人無法比擬的優(yōu)勢，它適應(yīng) 性強，穩(wěn)定性高，是研究的熱點之一。而仿生程度的高低，直接決定了機器人的 性能。以現(xiàn)有的仿生技術(shù)，只能對其行走方式，步態(tài)規(guī)劃等做初步的仿生。現(xiàn)下， 對仿骨及仿肌肉組織的研究正在進行，一旦應(yīng)用于實踐，機器人將不再局限于傳 統(tǒng)的低效、緩慢的驅(qū)動

5、方式，在效率，速度方面有較大的突破。但是現(xiàn)在要解決 速度問題，無疑采用輪足結(jié)合更為現(xiàn)實，所以在將來一段時間內(nèi)，輪足結(jié)合技術(shù) 會發(fā)展的更加成熟。更遠(yuǎn)的將來，仿生技術(shù)達(dá)到一個新的高度后，輪足結(jié)合或許 會淡出我們的視線，取而代之的是更加栩栩如生的仿生機器人。總的來說，更高程度的仿生必將成為研究的熱點，不論從控制、驅(qū)動方式還 是材料上。而現(xiàn)階段輪足結(jié)合機器人也有較大的發(fā)展需要。研究意義本小組通過改變機器人的行走方式及控制方式，克服運動緩慢以及難以控制 的缺點，使其具有較高的靈活性，能夠適應(yīng)不同的環(huán)境。它可以充分發(fā)揮輪足結(jié) 合的特點，以最快的速度到達(dá)指定地點，完成各種指定任務(wù)，從而在各種搜救搶 險工作中

6、發(fā)揮作用。雖然國內(nèi)外已有較為成熟的設(shè)計方案，本次研究在增進對機器人了解，熟悉 各類制圖軟件方面還是有極大的意義。而最終的結(jié)果也證實了這一點。二研究內(nèi)容與研究方法本次研究的主要內(nèi)容有：輪腿結(jié)合的設(shè)計；機器人的整體結(jié)構(gòu)；機器人的步態(tài)規(guī)劃。研究的主要流程為：提出設(shè)想討論確定一一軟件繪圖優(yōu)化修改。從 前期到后期，討論和修改一直存在。各方面各個部件，最終確定下來時和最初有 很大差別。課題研究的結(jié)果腿部結(jié)構(gòu)輪腿結(jié)合式機器人難點之一是其腿部結(jié)構(gòu)，所以研究的重點之一便是如何實 現(xiàn)輪與腿的結(jié)合。我們先后設(shè)想過三種輪腿結(jié)合方式。受所閱資料影響，輪最開 始被設(shè)想成與足是同一裝置（圖4），后來又將輪置于中腿上（圖5）

7、，最終才確定 將輪置于下腿上（圖6）。圖5-中期圖圖6-最終圖第一種方式結(jié)構(gòu)最簡單，看似控制也很容易，但是在用輪行走時如何將輪固 定住是個難題，而且這樣的結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中肯定會有容易磨損，不耐久的問題。 因此，我們第一時間就排除了這一想法。第二種結(jié)構(gòu)可行性稍強，小組當(dāng)初在該結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上繪制完成了機器人整體模 型，并在中期檢查時提交。但后來經(jīng)過仔細(xì)思考，這種結(jié)構(gòu)只能在三維模型中存 在。因為要讓腿著地，小腿至少需要向后旋轉(zhuǎn)90度，加上前進時小腿向前邁的 角度，控制該小腿的舵機旋轉(zhuǎn)角度須達(dá)到120度或更多，但是實際上舵機可旋轉(zhuǎn) 角度通常只有90度，所以后期設(shè)計中并未采用這一結(jié)構(gòu)。第三種，也就是最終采用

8、的方式，具有較好的可控性和可操作性，在實際中 較容易實現(xiàn)，因此，最終應(yīng)用了這種結(jié)構(gòu)。但是，這種結(jié)構(gòu)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到完美 的地步，如小腿過于復(fù)雜笨重，足行震動較大時內(nèi)部零件易損壞等。針對這些問 題，我們的解決辦法是主體采用質(zhì)輕而堅固的材料如鎂鋁合金制作，觸地部分采 用有彈性的材料。機器人的整體結(jié)構(gòu)機器人的最終整體效果如圖7、圖8：圖7-側(cè)面圖圖8-整體效果機器人的頭部有一些感應(yīng)器，用以探知前方路況，決定用輪行還是足行，或 者轉(zhuǎn)彎避障，頸部可以上下旋轉(zhuǎn)，做抬頭、點頭等簡單動作；軀干內(nèi)部有大量空 間，用以裝載電池，單片機等；機器人每條腿上有3個自由度，四條腿共有12 個自由度，可以靈活的完成行走，行進

9、中轉(zhuǎn)向等基本動作；動力分配上面四條腿 是一致的，而輪只有前面兩輪有動力，這樣更易于控制。（舵機，線路等圖中未 畫出）機器人的步態(tài)規(guī)劃參照哺乳動物的運動方式，機器人足行時對角線上的兩腿同時抬起邁進，交 替進行完成前進。轉(zhuǎn)彎時內(nèi)側(cè)腿小幅移動，外側(cè)腿大幅邁步以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。在較平 坦的路面上，機器人調(diào)整腿部姿態(tài)，放下輪來前進，中腿與下腿連接處關(guān)節(jié)保持 不動，由肩部關(guān)節(jié)來控制方向。本次研究的創(chuàng)新點本次研究的創(chuàng)新點主要在于將仿生技術(shù)和成熟的輪行裝置結(jié)合在了一起，使 機器人兼具高度的適應(yīng)性和良好的效率及速度。而在小腿內(nèi)部放置輪，也是足以 讓其在眾多輪足機器人中與眾不同的設(shè)計。頭部和腿部多自由度的組合，給了機

10、器人極大的活動自由，可以完成各種較復(fù)雜的動作。輪的驅(qū)動采用前驅(qū)設(shè)計，很 大程度上減小了控制難度。對研究項目的總結(jié)從去年十一月立項到現(xiàn)在六月底結(jié)題，對這個項目研究已近七個月了。從當(dāng) 時尚不知作圖軟件為何物，到現(xiàn)在已能利用其做一些動畫，我們確實在不知不覺 中，學(xué)到了一些重要的技能。其實，本次研究中，令我們獲益更多的是它對團隊 意識、創(chuàng)新意識的要求，還有其間養(yǎng)成的研究方法。年前，我們只對機器人有了初步設(shè)想；寒假期間及剛返校時，我們集中學(xué)習(xí) 了 solidworks的作圖方法，然后繪制了一些簡單的零件，在那時，中期答辯迫在 眉睫，我們深感準(zhǔn)備不足，倉促應(yīng)戰(zhàn)的尷尬；中期后，我們馬上著手學(xué)習(xí)Inventor 并繪制零件，學(xué)習(xí)動畫等，后來對機器人的一些細(xì)節(jié)進行優(yōu)化，終于有了差強人 意的作品?？磥?，凡事提前準(zhǔn)備，才可有備無患，從容應(yīng)對。回顧整個研究過程，雖然在上面所費甚多，但從中所得，亦足以讓自己歡欣 鼓舞了。語云：一分耕耘，一分收獲，用在科技創(chuàng)新中，也很是得當(dāng)啊