燕山大学本科生毕业设计（论文）
Abstract
A bionic leg structure which is similar to the legs of mammals was used， and a hexapod walking mode was designed according to this structure．By controlling 18 step motors straight walking function of the hexapod robot has been implemented with tripod gait movement．Simulation and experiment show that this structure can keep the hexapod robot balance better，providing high reference value to research the advantage and feasibility of leg raising walking gesture．
As there are many joints in the bionic hexapod walking robot and the calculation of its walking track and joints control unit are comparatively comp- licated，the kinematical simulation and analysis of the model of bionic hexapod walking robot have been done by using solidworks and UG．Through simulation，the applicability of designed tripod gait are validated．
Keywords Hexapod robot；Walking；Tripod gait；Kinematics simulation
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目 录
摘要 ....................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................ II 第1章 绪论 ........................................................................................................ 1
1.1 课题背景 .............................................................................................. 1 1.1.1研究主要成果 ............................................................................... 2 1.1.2发展趋势 ....................................................................................... 4 1.2本章小结 ............................................................................................... 5 第2章 机器人学与仿生学介绍 ........................................................................ 6
2.1机器人学的基本理论 ........................................................................... 6 2.1.1机器人的基本定义 ....................................................................... 6 2.1.2机器人学的基本术语 ................................................................... 7 2.1.3机器人的规格 ............................................................................... 7 2.1.4机器人的分类 ............................................................................... 8 2.1.5本课题研究的意义 ................................... 9 2.2 仿生学概述 ........................................................................................ 10 2.2.1仿生学的研究方法与内容 ............................ 12 2.2.2仿生学的研究范围 .................................. 14 2.3本章小结 ............................................................................................. 15 第3章 仿生六足机器人的设计 ...................................................................... 16
3.1 六足仿生机器人的三角步态运动原理与设计 ................................ 16
3.1.1关于步态的参数描述 ................................ 16 3.1.2三角步态运动原理 .................................. 17 3.1.3步态设计 .......................................... 18 3.2仿生六足机器人机构建模 ................................................................. 19 3.3仿生六足机器人本体设计 ................................................................. 20 3.4 仿生六足机器人腿部设计 ................................................................ 22 3.4.1腿部参数确定原则 .................................. 22 3.4.2腿部驱动系统设计 .................................. 22 3.5本章小结 ............................................................................................. 28
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结论 ..................................................................................................................... 29 参考文献 ............................................................................................................. 30 致谢 ..................................................................................................................... 32 附录1 .................................................................................................................. 33 附录2 .................................................................................................................. 38 附录3 .................................................................................................................. 44
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第1章 绪论
第1章 绪论
1.1 课题背景
机器人技术是在新技术革命中迅速发展起来的一门新兴学科，它在众多领域与生产部门得到了广泛的应用，并显示出强大的生命力。它使得传统的生产发生变革，并对人类社会的生活产生深远的影响，它正在成为工厂，企业进行产品生产，乃至整个国家进行经济和军事较量的重要手段。
从诸葛亮的“木牛流马”到阿西莫夫“的机器人三定律”，长久以来，人们从未停止对机器人的幻想，探索和研究。直到1961年，美国通用机械公司生产和销售了第一台工业机器人，取名为“尤尼梅特”。此后，各国对机器人的研究都给予了相当的重视，各种各样的机器人如雨后春笋般诞生。我国对机器人技术的研究从70年代末起步以来，经过“六五”，“七五”期间的发展，在机器人理论，样机设计，研制及机器人应用工程等方面取得了大批成果。高等学校作为培养高素质人才的基地，同样在机器人领域开展了广泛的研究，如长沙的国防科技大学，上海交通大学，北京航空航天大学，燕山大学等在步行机器人，精密装配机器人，7自由度机器人及并联机器人等前沿领域都取得了可喜的成绩，正在逐步缩小在机器人技术方面与世界先进水平的差距。
步行机器人（walking robot legged robot）或步行车辆（walking vehicle）简称步行机，是一种智能型机器人，它是涉及到生物科学、仿生学、机构学、传感技术及信息处理技术等的一门综合性高科技
[10]
。在崎岖
[1]
路面上，步行车辆优于轮式或履带式车辆。腿式系统有很大的优越性：较好的机动性，崎岖路面上乘坐的舒适性，对地形的适应能力强。所以，这类机器人在军事运输、海底探测、矿山开采、星球探测、残疾人的轮椅、教育及娱乐等众多行业，有非常广阔的应用前景，多足步行机器人技术一直是国内外机器人领域的研究热点之一
[1,9]
。
随着机器人的工作环境和工作任务的复杂化以及人们对于娱乐辅助等移动机器人的需求的增加，要求机器人具有更高的灵活性、智能性和环境适
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燕山大学本科生毕业设计（论文）
应性，足式仿生机器人的发展越来越受到重视。运动性能是足式机器人的一项重要的考查指标，在现有的机器人系统中，大多采用步态规划算法进行步态规划，此方法需要对机器人及环境精确建模，控制过程中进行大量计算和测量，较难满足实时性要求。基于生物节律运动控制机理的仿生机器人通过模拟自然界动物最常见的运动方式——节律运动来实现具有高度稳定性和环境适应性的运动，从而避免了大量的计算与规划，实时性与环境适应性较好
[16]
。
1.1.1研究主要成果
1、1990年，美国卡内基- 梅隆大学研制出用于外星探测的六足步行机器人AMBLER，该机器人采用了新型的腿机构，由一个在水平面内运动的旋转杆和在垂直平面内作直线运动的伸展杆组成，两杆正交。该机器人由一台32位的处理机来规划系统运动路线、控制运动和监视系统的状态，所用传感器包括激光测距扫描仪、彩色摄像机、惯性基准装置和触觉传感器。总质量为3180kg，由于体积和质量太大，最终没被用于行星探测计划
[7,17]
[2]
。
2、1994年，日本电气通信大学的木村浩（Hiroshi Kimura）等研制成功四足步行机器人Patrush-II，该机器人用两个微处理机控制，采用直流伺服电机驱动，每个关节安装了一个光电码盘，每只脚安装了两个微开关，采用基于神经振荡子模型CPG（Central Pattern Generator）的控制策略，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特点。
3、1995年，日本产业技术综合研究所的小谷内、安達等开始研究手脚统一型步行机器人MELMANTIS
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，将手臂的操作机能和脚的移动机能统
一，可进行森林采伐作业、地雷探测及拆除作业等。
4、2005 年大阪大学的田窪明仁、新井健生等研制成功最新型的手脚统一型步行机器人ASTERISK
[10,11]
，该步行机器人在2005年4月爱知世博会上
展出，具有用脚移动及用手搬运物品或进行作业的双重机能。以机体为中心，呈放射状配置6条腿，表现为全方位均等的作业空间和全方向移动的机能，能在不平地面上移动或悬吊于天花板进行作业，宽816mm，高78mm，每条腿
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