本文關(guān)鍵詞：多足仿生機(jī)械蟹步態(tài)仿真及樣機(jī)研制，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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Ｙ１ ４３７２４６

分類號(hào)：—— Ｃ：——
Ｕ Ｄ

密級(jí)： 編號(hào)：

工學(xué)碩士學(xué)位論文

多足仿生機(jī)械蟹步態(tài)仿真及樣機(jī)研制

碩士研究生：王剛

指導(dǎo)教師：孟慶鑫教授
學(xué)

位級(jí)別：工學(xué)碩士

學(xué)科、專業(yè)：機(jī)械電子工程 所在單位：機(jī)電工程學(xué)院
論文提交日期：２００８年４月 論文答辯日期：２００８年６月

學(xué)位授予單位：哈爾濱工程大學(xué)

哈爾濱丁程大學(xué)碩士學(xué)位論文

摘

要

隨著控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、仿生學(xué)、人工智能以及信息與感知 技術(shù)的研究的深入，帶動(dòng)了仿生機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，目前仿生機(jī)器人技術(shù)的 水平已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家高科技水平和工業(yè)自動(dòng)化程度的重要標(biāo)志，也成為當(dāng)
前科學(xué)研究的熱點(diǎn)方向。

論文對(duì)國(guó)內(nèi)外仿生機(jī)器人的發(fā)展和取得的最新成果進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹， 在總結(jié)前幾型多足仿生機(jī)械蟹研究的基礎(chǔ)上，采用仿生學(xué)的設(shè)計(jì)思想改進(jìn)設(shè)
計(jì)了新型多足仿生機(jī)械蟹。

論文提出了新型多足仿生機(jī)械蟹樣機(jī)總體方案，完成了新型多足仿生機(jī) 械蟹樣機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；提出了采用諧波減速器的新型機(jī)器人關(guān)節(jié)，并對(duì)驅(qū) 動(dòng)方式的選擇進(jìn)行了詳細(xì)的論證；從仿生學(xué)角度出發(fā)，對(duì)８?jìng)�(gè)步行足進(jìn)行了合 理的自由度分布設(shè)置，使機(jī)器人具有可翻轉(zhuǎn)行走特性，大大提高機(jī)器人水下 環(huán)境運(yùn)動(dòng)的耐波性和適應(yīng)性；采用遞階式控制思想，提出了新型多足仿生機(jī) 械蟹樣機(jī)的控制系統(tǒng)的總體框架，進(jìn)行了硬件電路和控制軟件設(shè)計(jì)；對(duì)新型 多足仿生機(jī)械蟹的各種步態(tài)形式進(jìn)行了分析比較，論證了雙四足步態(tài)的可行 性和穩(wěn)定性；對(duì)新型多足仿生機(jī)械蟹的步態(tài)軌跡進(jìn)行了規(guī)劃，并采用Ｍａｔｌａｂ 和Ａｄａｍｓ軟件聯(lián)合對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問題進(jìn)行了仿真，實(shí)現(xiàn)了平坦路 面直線運(yùn)動(dòng)、上下臺(tái)階及上下坡的運(yùn)動(dòng)仿真模擬；搭建新型多足仿生機(jī)械蟹 樣機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)，通過實(shí)際運(yùn)行結(jié)果指導(dǎo)新型樣機(jī)的理論研究工作和設(shè)計(jì)改進(jìn) 過程。同時(shí)，．論文對(duì)新型多足仿生機(jī)械蟹水下防腐蝕問題進(jìn)行了研究。 在完成上述工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了新型多足仿生機(jī)械蟹新型樣機(jī)的概念 設(shè)，工程設(shè)計(jì)和樣機(jī)的加工、制造，完成了新型多足仿生機(jī)器人的樣機(jī)裝配， 對(duì)樣機(jī)各關(guān)節(jié)進(jìn)行了調(diào)試，測(cè)試了各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)性能、運(yùn)動(dòng)范圍；完成了控制
電路的設(shè)計(jì)和功能的調(diào)試。

關(guān)鍵詞：多足仿生機(jī)械蟹；諧波減速器；步態(tài)；聯(lián)合仿真；分層遞階控制

哈爾濱Ｔ程大學(xué)碩士學(xué)位論文

Ａｂｓｔｒａｃｔ．
Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
ｏｆ

ｃｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ，ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｔｈｅｏｒｙ，ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｂｉｏｎｉｃｓ，

ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｅｎｓａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｂｉｏｎｉｃ ｒｏｂｏｔｓ’

ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

ｄｅｖｅｌｏｐｓ ｒａｐｉｄｌｙ．Ｒｅｃｅｎｔｌｙ ｔｈｉｓ

ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ

ｏｎｅ

ｏｆ ｔｈｅ

ｍｏｓｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｓｙｍｂｏｌｓ ｔｈａｔ ｃｏｕｌｄ ｃｏｎｖｅｙ ｔｈｅ ｈｉｇｈ?ｔｅｃｈ ｌｅｖｅｌｓ ａｎｄ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ

ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｄｅｇｒｅｅｓ ｏｆ
ｒｅｓｅａｒｃｈ．

ａ

ｃｏｕｎｔｒｙ．Ａｎｄ ｎａｔｕｒａｌｌｙ ｉｔ ｉｓ ｔｏ ｂｅ ｔｈｅ ｆｏｃｕｓ ｏｆ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ

Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｆｉｒｓｔ ｏｆ ａｌｌ，ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｈｅ ｄｏｍｅｓｔｉｃ

ａｎｄ

ｗｏｒｌｄ’＆

ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｌａｔｅｓｔ ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ ａｂｏｕｔ ｂｉｏｎｉｃ
ｔ０

ｒｏｂｏｔｓ’ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ

ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｈｉｃｈ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｒｍｅｒ ｔｙｐｅｓ，ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ

ｎｏｖｅｌ ｍｕｌｔｉ．．ｆｏｏｔ ｃｒａｂ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ

ｔｈｏｕｇｈｔｓ
ａ

ｏｆ ｂｉｏｎｉｃｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．

Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｍｕｌｔｉ．１ｅｇｇｅｄ ｃｒａｂ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｄｅｓｉｇｎ

ｇｅｎｅｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｎｏｖｅｌ ｂｉｏｎｉｃ

ｍａｃｈｉｎｅ，ｃｏｍｐｌｅｔｅｓ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ
ａ

ａｎｄ

ａｌｓｏ ｇｉｖｅｓ
ａ

ａ

ｎｅｗ ｋｉｎｄ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｊｏｉｎｔ ｆｏｒ
Ｏｉｌ

ｂｉｏｎｉｃ ｍｕｌｔｉ—ｌｅｇｇｅｄ ｍａｃｈｉｎｅ

ｔｈａｔ ｄｅｐｅｎｄｅｄ ｔｏ ｒａｔｉｏｎａｌ

ｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅ ｅｘｔｅｎｔ

ｔｈｅ

ｕｓｅ

ｏｆ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｒｅｄｕｃｅｒ．Ａｆｔｅｒｗａｒｄｓ ｂｅｅｎ

ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ

ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｅｅｄｏｍｓ ｏｆ ｅｉｇｈｔ ｌｅｇｓ ｈａｖｅ
ａ

ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｂｉｏｎｉｃｓ，ｔｏｏ．Ｉｎ
ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｗａｌｋｉｎｇ ｉｎｖｅｒｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ

ｓｅｎｓｅ，ｔｈｉｓ ｍａｃｈｉｎｅ ｈａｓ ｔｈｅ ｉｔｓ

ｅｎｈａｎｃｅｓ

ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ａｍｐｈｉｂｉｏｕｓ

ｅｎｖｉｒｏ衄ｅｎｔ．Ａｎｄ ｔｈｅｎ
ｉｎ ｔｈｅ

ｔｈｅ ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅｏｒｙ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ

ｄｅｓｉｇｎ

ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ

ｓｙｓｔｅｍ．Ｏｔｈｅｒｗｉｓｅ

ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｏｆ ｖａｒｉａｂｌｅ ｇａｉｔｓ

ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙ ｆｉｎｉｓｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ
ｏｎ

ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ

ｔｈｅ ｐａｐｅｒ．Ａ ｇｒｅａｔ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｏｆ

ＡＤＡＭＳ ａｎｄ ＣＯ—ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

ＡＤＡＭＳ

ａｎｄ

Ｍａｔｌａｂ．Ｔｈｅｓｅ
ｓｌｏｐｅ ａｎｄ

ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ

ｓｔｒａｉｇｈｔ ｍｏｖｉｎｇ，ａｓｃｅｎｄｉｎｇ ａｎｄ

ｄｅｓｃｅｎｄｉｎｇ

ｏｂｓｔａｃｌｅ ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ—ｆｏｕｒ ｇａｉｔ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｌｓｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｓｏｍｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ａｎｔｉｃｏｒｒｏｓｉｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．

ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ Ｆｉｎａｌｌｙ，ａｆｔｅｒ ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ ｔｈｅ ｗｏｒｋｓ ａｂｏｖｅ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｓ
ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ

ｄｅｓｉｇｎｓ

ｏｆ ｔｈｉｓ ｎｅｗ ｍｕｌｔｉ—ｌｅｇｇｅｄ ｃｒａｂ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｍａｃｈｉｎｅ ａｎｄ ｔｈｅｎ

ｔｈｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｍａｃｈｉｎｅ Ｗａｓ

ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ

ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，

哈爾濱工程大學(xué)碩十學(xué)位論文
ｔｈｅ ｍｏｖｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｔｅｓｔｅｄ ｄｅｂｕｇｇｅｄ．

ａｎｄ

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉ－ｌｅｇｇｅｄ ｂｉｏｎｉｃ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｒａｂ；ｈａｒｍｏｎｉｃ ｒｅｄｕｃｅｒ；ｇａｉｔ； ＣＯ—ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｈｉｅｒａｒｃｈｙ ｃｏｎｔｒｏｌ

哈爾濱工程大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明

本人鄭重聲明：本論文的所有工作，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，由 作者本人獨(dú)立完成的。有關(guān)觀點(diǎn)、方法、數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)等的引用已 在文中指出，并與參考文獻(xiàn)相對(duì)應(yīng)。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容 外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)公開發(fā)表的作品成果。 對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方 式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。

作者（簽字）：墨型
日期：２幻云年多月１３
Ｆｔ

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第１章緒論
１．１課題研究的背景及意義
機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)國(guó)家高科技水平和工業(yè)自動(dòng)化程度的重要標(biāo)志 和體現(xiàn)¨１。隨著計(jì)算機(jī)、控制論ｊ機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能以及 仿生學(xué)等學(xué)科的不斷發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)作為一類綜合性的高新技術(shù)已經(jīng)被廣 泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活中，逐漸朝著替代人工作的方向發(fā)展。機(jī)器人技術(shù) 集成了多學(xué)科的發(fā)展成果，代表高技術(shù)的發(fā)展前沿，是當(dāng)前科技研究的熱點(diǎn)
方向圓。 自然界的生物經(jīng)過億萬年的自然選擇和群體進(jìn)化，使其各自具備了某種

適應(yīng)特定復(fù)雜多變環(huán)境的能力，而這些能力往往是人類不具備的，因此人類 必須通過研究、學(xué)習(xí)、模仿來復(fù)制和再造某些生物的特性和功能，以此提高 人類對(duì)自然的適應(yīng)和改造能力閉，而這種研究、學(xué)習(xí)、模仿、復(fù)制和再造的 過程就是仿生學(xué)的內(nèi)涵。仿生學(xué)是生物科學(xué)和工程技術(shù)相結(jié)合的一類邊緣學(xué)
科，它可以延伸到很多領(lǐng)域，機(jī)器人學(xué)是其主要的結(jié)合和應(yīng)用領(lǐng)域之一。仿

生機(jī)器人可歸納為機(jī)器人的結(jié)構(gòu)仿生、材料仿生、功能仿生、控制仿生以及 群體仿生五個(gè)方面，本文也是依據(jù)這五部分對(duì)多足仿生機(jī)械蟹進(jìn)行設(shè)計(jì)的。 多足仿生機(jī)器人一般指四足或四足以上的機(jī)器人，相對(duì)于輪式和履帶式 機(jī)器人它有較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)靈活性，其腿部多關(guān)節(jié)、多自由度、多冗余度以及多 運(yùn)動(dòng)模式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)復(fù)雜環(huán)境有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，能夠在復(fù)雜惡劣的非結(jié) 構(gòu)環(huán)境中穩(wěn)定行走，可代替人工作，因此具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。然而，由于 多足機(jī)器人的多連桿、非線性、冗余驅(qū)動(dòng)以及時(shí)變特性，其運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué) 特性十分復(fù)雜。同時(shí)，多足的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)對(duì)于步態(tài)的規(guī)劃提出了挑戰(zhàn)，如何協(xié) 調(diào)多步行足協(xié)調(diào)有序靈活地運(yùn)動(dòng)，如何建立合理的、有較強(qiáng)適應(yīng)能力的步態(tài) 模型，如何有效地規(guī)劃足端軌跡曲線，這些問題都亟待完善和解決。 本課題源自國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“兩棲仿生機(jī)器蟹基礎(chǔ)技術(shù)研究”。多 足仿生機(jī)械蟹是具有兩棲工作能力的微小型武器中最具代表性的一種，是針 對(duì)海軍登陸作戰(zhàn)中的兩棲偵察、排雷、爆破、通訊中繼等惡劣環(huán)境下作戰(zhàn)需 求提出的，希望建立一個(gè)對(duì)復(fù)雜地形高度適應(yīng)、性能可靠、體積小巧、并具

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有兩棲環(huán)境下活動(dòng)能力的小型爬行機(jī)器人平臺(tái)。它可以充當(dāng)偵察設(shè)各、武器 系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的載體，完成普通士兵無法完成的近海域及灘涂的多種任務(wù)， 具有廣闊的應(yīng)用前景。
１

２國(guó)內(nèi)外多足仿生機(jī)器人的研究現(xiàn)狀
目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)器人的研究不斷深入，已經(jīng)開發(fā)出各式各樣的具有感

知、決策、行動(dòng)和交互能力的特種智能機(jī)器人和各種多足仿生機(jī)器人…。隨 著人工智能，電子信息等學(xué)科的深入發(fā)展，人們開始將多學(xué)科相互融合，將 模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等方法引入機(jī)器人理論研究當(dāng)中，補(bǔ)充機(jī)器 人技術(shù)研究的不足，特別是在機(jī)器人樣機(jī)的研制過程中取得了巨大的進(jìn)步。

１．２．１國(guó)內(nèi)外多足仿生機(jī)器人樣機(jī)的研制情況
多足仿生機(jī)器人的研究水平是隨著控制水平的提高而不斷發(fā)展起來的， 經(jīng)歷了由早期的機(jī)械式、近期具有簡(jiǎn)單的控制方式到現(xiàn)在由電子計(jì)算機(jī)控制 的過程。最早，對(duì)多足仿生機(jī)器人的研究可追溯到中國(guó)古代的“木牛流馬” 以及１８９３年Ｒｙｇｇ設(shè)計(jì)的“機(jī)械馬”。對(duì)多足仿生機(jī)器人樣機(jī)的研制來說， 四足、六足、八足都是國(guó)內(nèi)外多足仿生機(jī)器人研究的熱點(diǎn)，目前，美國(guó)、日 本和德國(guó)在多足仿生機(jī)器人樣機(jī)領(lǐng)域的研究成果比較突出。 上世紀(jì)９０年代初，美國(guó)羅克威爾公司及Ｉｓ機(jī)器人公司在ＤＡＲＰＡ資助下 研制了一種可對(duì)付岸邊的水雷的的機(jī)器人ＡＬｕｖ”（圖１ １），ＡＬＵ－Ｖ仿造螃 蟹的外形，具有兩棲運(yùn)動(dòng)性能，可以說是最早的兩棲多足機(jī)器人。隨后，ｉＲｏｂｏｔ 公司及美國(guó)國(guó)防先進(jìn)計(jì)劃研究署共同研制了機(jī)器人Ａｒｉｅｌ（圖１．２）”’，Ａｒｉｅｌ前 后側(cè)各有３條腿，可以像螃蟹一樣側(cè)行，其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙即使被水浪打翻了， 不需做出任何的機(jī)械調(diào)整仍可行走自如。

圖１ １多足兩棲仿蟹機(jī)器人ＡＬＵＶ

瀚蘑

圖１ ２多足兩棲仿蟹機(jī)器人Ａｒｉｅｌ

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機(jī)器人Ａｒｉｅｌ身上裝配了許多傳感器，可以通過內(nèi)部的傾角傳感器感知自 己的姿態(tài)信息。在水下時(shí)，使用超聲波感知被觸物體的形狀、表面紋理、材 料性質(zhì)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。此外，在運(yùn)動(dòng)上依靠電子羅盤進(jìn)行導(dǎo)航，沿與海灘線呈 ９０度夾角的方向運(yùn)動(dòng)。 ２００２年，美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局（ＮＡＳＡ）研制了一種外形類似蜘蛛 的微型仿生機(jī)器人（圖１ ３）。這種機(jī)器人有６條腿，裝配有一對(duì)可以用來探測(cè) 障礙物的天線。根據(jù)工作的不同，機(jī)器人的腿的數(shù)量和大小可以擴(kuò)展，因此， 它是一種可以在不同環(huán)境條件下對(duì)各種地形進(jìn)行探測(cè)的微小型全能步行機(jī)器 人。２００５年，ＮＡＳＡ下屬的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制成功了一種可在空問站外部 自動(dòng)行走的六足機(jī)器人Ｌｅｍｕｒ（圖Ｉ ４）剮１”１。Ｌｅｍｕｒ是模仿螃蟹的腿部結(jié)構(gòu)和 章魚身體外形特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的，它有６只復(fù)合機(jī)械臂，每只機(jī)械臂有四個(gè)運(yùn)動(dòng) 自由度和一個(gè)操作自由度，可實(shí)現(xiàn)肩部三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，肘部的俯仰和機(jī)械 手爪的夾緊動(dòng)作。主要用于太空環(huán)境下的小尺寸安裝、探測(cè)及維修等空間作 業(yè)”’。通常咀四腿著地，另兩條腿可安裝作業(yè)工具進(jìn)行工作。Ｌｅｍｕｒ的控制系 統(tǒng)采用分層遞階控制系統(tǒng)，上層采用ＰＣＩ０４作為主控系統(tǒng)，而下層主要完成 單足的運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解及各關(guān)節(jié)電機(jī)的伺服控制。

圖１ ３微型蜘蛛步行機(jī)器人

圖１．４ Ｌｅｍｕｒ六足仿生機(jī)器人
ｏ

２００６年，ＮＡＳＡ又開發(fā)了一種八足仿生蜘蛛機(jī)器人Ｓｐｉｄｅｍａｕｔ（１強(qiáng)１ ５）１９１

它也能夠在空間站外表自由行走，同時(shí)可趴在航天器表面，完成檢查、修理 等任務(wù)。同年，美國(guó)康奈爾大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種智能四足仿海星機(jī)器 人（圖１ ６）””。它可以像人類一樣感覺到身體遭受的傷害，并設(shè)法處理傷勢(shì)。 機(jī)器人全身每個(gè)連接處都裝有傾斜度傳感器和角度傳感器，通過這些傳感器 的返回值可以生成機(jī)器人結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)模型。一旦機(jī)器人身體某處受 傷，傳感器的返回值就會(huì)發(fā)生變化，機(jī)器人可以迅速感覺到，變換生成新的

計(jì)算機(jī)模型，然后在新的模型指導(dǎo)下繼續(xù)前進(jìn)。

圖１

圈藺
５

ｓ口ｉｄｅｍａｕｔ八足仿生蜘蛛機(jī)器人

圖１．６四足海星機(jī)器人

另外，美國(guó)海軍協(xié)同馬薩產(chǎn)品公司和波士頓東北工業(yè)大學(xué)針對(duì)在海流和 涌浪等淺水區(qū)域清除水雷的作業(yè)任務(wù)聯(lián)合研制了八足仿龍蝦機(jī)器人
Ｒｏｂｏｌｏｂｓｔｅｒ，ＢＵＲ－００１…１（圖１ ７）。在多石的洶涌波濤中運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人通過對(duì)

觸角及細(xì)毛彎曲力反饋信號(hào)的響應(yīng)，控制機(jī)器龍蝦仿生腿的肌肉，從而控制 它的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。機(jī)器龍蝦的觸角及細(xì)毛傳感器只有頭發(fā)絲粗細(xì)，是利用東北 大學(xué)的金屬微加工工藝制成的。研究人員用鎳鈦諾絲仿制出龍蝦的肌肉，鎳 鈦諾是一種鎳鈦的形狀記憶合金。鎳鈦諾絲通電加熱時(shí)肌肉就縮短，使龍蝦 的腿向上運(yùn)動(dòng)。一旦冷卻，它就恢復(fù)原來的形狀。交替地加熱及冷卻鎳鈦諾 絲，就可復(fù)制龍蝦腿的運(yùn)動(dòng)，這比用電動(dòng)機(jī)及齒輪裝置驅(qū)動(dòng)更加自然。由此， 機(jī)器龍蝦不但在結(jié)構(gòu)和功能方面對(duì)龍蝦進(jìn)行了仿生，而且還進(jìn)行了材料仿生 的嘗試。除此之外，斯坦福大學(xué)研制了六足仿蟑螂機(jī)器人（圖１ ８），西儲(chǔ)大學(xué) 也研制了采用啟動(dòng)人工肌肉的驅(qū)動(dòng)的多足機(jī)器人。

圖１．７八足仿龍蝦機(jī)器人

圖１ ８六足仿生蟑螂機(jī)器人

日本在多足仿生機(jī)器人樣機(jī)的研制方面也毫不遜色。２００３年，啟動(dòng)了 Ｑｕａｄｌａｔｏｒ ＩＩ機(jī)器人的設(shè)計(jì)“２“”】（圖１．９）。Ｑｕａｄｌａｔｏｒ １１的控制架構(gòu)采用嵌入式

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系統(tǒng)Ｔｉｔｅｃｈ Ｗｉｒｅ，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用Ｔｉｔｅｃｈ

Ｒｏｂｏｔ

Ｄｒｉｖｅｒ．軀干內(nèi)部設(shè)置了１２

個(gè)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行ＰＷＭ驅(qū)動(dòng)，電機(jī)采用了Ｍｉｎｉｍｏｔｏｒ的直流電機(jī)，自 帶６６倍的行星齒輪變速箱和尾部帶有光電碼盤。２００５年，日本大阪大學(xué)的 罔窯明仁、新井健生等研制成功鼴新型的手腳統(tǒng)一步行機(jī)器人 ＡＳＴＥＲＩＳｄｌ４１１１５１。ＡＳＴＥＲＩＳＫ具有用腳移動(dòng)及用手搬物品或進(jìn)行作業(yè)的雙重機(jī) 能。以機(jī)體為中心，呈放射狀配置６條腿，表現(xiàn)為全方位均等的作業(yè)空間和 全方向移動(dòng)的機(jī)能，能在不平地面上移動(dòng)或懸吊于天花板進(jìn)行作業(yè)。２００６年， 日本千葉大學(xué)研制了一種用于搜救任務(wù)的八足仿硬殼的節(jié)肢動(dòng)物的機(jī)器人哈
盧克二號(hào)Ｈａｌｌｕｃ ＩＩ”“”’（圖１．１０）。Ｈａｌｌｕｃ ＩＩ身體上共有１８?jìng)�(gè)傳感器：其中１３

個(gè)用來測(cè)量周邊物體距離的傳感器：２個(gè)傳感器是用來測(cè)量它３６０。范圍內(nèi)的 障礙物：還有３個(gè)轉(zhuǎn)軸傳感器用來保持身體平衡。Ｈａｌｌｕｃ ＩＩ的八條腿其實(shí)是 ８?jìng)�(gè)獨(dú)立控制的軸輪，由３２條“機(jī)器韌帶”負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)完成動(dòng)作。此外它還安 裝有５６個(gè)小馬達(dá)，確保它可以用三種方式運(yùn)動(dòng)，包括昆蟲式、動(dòng)物式和汽車
式。

圖１．９ Ｑｕａｄｌａｔｏｒ ＩＩ四足機(jī)器人

圖１ １０哈盧克二號(hào)機(jī)器人

除了美國(guó)和日本，德國(guó)也大力發(fā)展多足仿生機(jī)器人樣機(jī)的研制。德國(guó)布 萊梅大學(xué)（Ｂｒｅｍｅｎ）在空間多足機(jī)器人方面做了研究，開發(fā)了ＳＣＯＲＰＩＯＮ和
ＡＲＡＭＩＥＳ””（圖１ １１）兩代多足機(jī)器人。除此之外，該大學(xué)還致力于八足仿生

蝎子的研究，研制出仿生蝎子太空機(jī)器人（圖１ １２），該機(jī)器人采用模塊化的 設(shè)計(jì)思想，能夠滿足在其他星球的探險(xiǎn)和研究。同時(shí)，德國(guó)的Ｆｒａｌｍｈｏｆｅｒ智 能系統(tǒng)學(xué)院（ＡＩＳ），德國(guó)國(guó)家研究中心（ＧＮＲｃ）也仿照蝎子研制Ｔ）ｋ足機(jī)器人。

圖１ １１多足機(jī)器人ＡＲＡＭＩＥＳ

圖Ｉ １２八足仿蝎子機(jī)器人

我國(guó)學(xué)者也對(duì)多足仿生機(jī)器人樣機(jī)進(jìn)行了研究，盡管起步比較晚，但也 取得了很大的成功。１９８０年，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所采用平行 四邊形和凸輪機(jī)構(gòu)研制出一臺(tái)八足螃蟹式步行機(jī)器人”…。１９８９年，北京航空 航天大學(xué)進(jìn)行了四足步行機(jī)器人的研究””，１９９３年完成了地壁六足步行機(jī)器 的研究”“。１９９０年，中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所研制出全方位六足步行機(jī) 器人”“。同年，清華大學(xué)研制出了一臺(tái)Ｑｗ－ｔＩ型全方位四足步行機(jī)器人。１９９１ 年，上海交通大學(xué)仿照四足哺乳動(dòng)物的外形研制｝｝｛ＪＴＵＷＭ系列四足步行機(jī) 器人８”。２０００年，上海交通大學(xué)馬培蓀等對(duì)第一代形狀記憶合金ＳＭＡ驅(qū)動(dòng) 的微型六足機(jī)器人進(jìn)行了改進(jìn)，開發(fā)出了微型雙三足步行機(jī)器人ＭＤＴＷＲ”’。 除此之外，華中科技大學(xué)開發(fā)了“４＋２”多足步行機(jī)器人模型平臺(tái)，對(duì)其進(jìn) 行了各種行走步態(tài)的生成及控制方法的研究８”。２００３年，在國(guó)家自然科學(xué)基 金項(xiàng)目的資助下，哈爾濱工程大學(xué)海洋智能機(jī)械研究所也進(jìn)行了兩棲仿生機(jī) 械蟹基礎(chǔ)技術(shù)的研究，目前已成功研制出多種型號(hào)的兩棲仿生機(jī)器蟹樣機(jī)。
１ ２

２多足仿生機(jī)器人基礎(chǔ)理論的研究現(xiàn)狀
盡管多足機(jī)器人技術(shù)有了很大的發(fā)展，正如前面所看到的，目前國(guó)內(nèi)外

已開發(fā)了許多類型的多足仿生機(jī)器人模型和樣機(jī)，但是制約多足機(jī)器人進(jìn)一 步發(fā)展的一些基礎(chǔ)理論問題并沒有得到根本解決，正如著名機(jī)器人學(xué)家 Ｊ．Ａｎｇｅｌｅｓ教授所言的“步行機(jī)器人的基礎(chǔ)理論研究步伐要遠(yuǎn)滯后于其技術(shù)開 發(fā)的步伐川馴。特別是多足仿生機(jī)器人的步態(tài)軌跡規(guī)劃與控制問題一直為廣 大研究人員所關(guān)注。主要體現(xiàn)在步態(tài)的規(guī)劃方法、步態(tài)控制方法以及足端力 分配等方面。 多足機(jī)器人具有良好的地面適應(yīng)能力和步行靈活性，其步態(tài)規(guī)劃作為多

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足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的重要內(nèi)容備受關(guān)注瞄１。正如我們所看到的，多足動(dòng)物本 身具有諸如爬行、小跑以及奔跑等不同的步態(tài)，所以從理論上講，多足仿生 機(jī)器人也應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)這些步態(tài)方式。在早期研究中，主要圍繞規(guī)則化的爬
行步態(tài)展開，即多足步行機(jī)器人按照一種固定的方式緩慢運(yùn)動(dòng)的步態(tài)形式。

這種步態(tài)易于控制，但是機(jī)器人適應(yīng)路面的性能較差，無法適應(yīng)復(fù)雜的地形。 這方面的成果主要包括：１９６８年ＭｃＧｈｅｅ首先給出了描述和分析多足機(jī)器人 步態(tài)的數(shù)學(xué)定義；１９８６年ＭｃＧｈｅｅ和Ｆｒａｎｋ提出四足機(jī)器人直線行走波動(dòng)步 態(tài)；１９８９年和１９９０年Ｚｈａｎｇ和Ｓｏｎｇ分別提出的多足步行機(jī)器人的波形螃蟹 步態(tài)算法等等。隨著新的仿生技術(shù)和材料的出現(xiàn)，對(duì)于步態(tài)的研究己不再拘 泥于規(guī)則步態(tài)，而更多的關(guān)注那些能夠在凸凹不平的地面上行走的自由步態(tài)。 如ＰＮ和Ｊａｙａｒａｊａｎ采用圖像搜索法產(chǎn)生自由步態(tài)；Ａｌｅｘａｎｄｅｒ提出哺乳動(dòng)物和 龜?shù)男凶卟綉B(tài)。此外，還有一些特殊的步態(tài)，１９９１年Ｐａｎ和Ｃｈｅｎｇ提出的爬
斜坡步態(tài)、１９９３年他們又提出跨越溝渠、１９９１年Ｂｉｅｎ、Ｃｈｕｎ和Ｓｏｎｇ提出

最佳轉(zhuǎn)向步態(tài)以及２０００年Ｂｍ、Ｌｏｗ和Ｇｕｏ提出爬樓梯步態(tài)等。 控制系統(tǒng)如同生物的大腦，控制著生物的各種行為，因此建立一個(gè)良好 的控制體系來執(zhí)行所需的步態(tài)運(yùn)算是步態(tài)算法得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素。多足機(jī) 器人具有復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，使其在步態(tài)規(guī)劃和關(guān)節(jié)間協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控 制方面更具研究的挑戰(zhàn)性。目前，步態(tài)運(yùn)動(dòng)控制包括兩大類：力控制和位置 控制，它們分別基于多足步行機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆動(dòng)力學(xué)的計(jì)算。其中基 于逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的控制方法研究包括：１９９６年Ｋａｗａｂａｔａ和Ｋｏｂａｙａｓｈｉ進(jìn)行的分 布式智能控制器研究。１ ９９８年Ｃｅｌａｙａ和Ｐｏｒｔａ介紹了一種關(guān)于足式機(jī)器人運(yùn) 動(dòng)的控制結(jié)構(gòu)；同年，ＫＪｍｕｒａ、Ａｋｉｙａｍａ和Ｓａｋｕｒａｍａ用神經(jīng)振蕩器實(shí)現(xiàn)了四 足步行機(jī)器人的直線行走；Ｂｅｒｎｓ、Ｉｌｇ、Ｄｅｃｋ、Ａｌｂｉｅｚ和Ｄｉｌｌｍａｎｎ用計(jì)算機(jī) 體系結(jié)構(gòu)和模塊化軟件組成的開放式層次結(jié)構(gòu)來描述仿哺乳動(dòng)物類步行運(yùn)動(dòng) 的控制等。而基于逆動(dòng)力學(xué)的控制方法的研究包括：１９９５年Ｖｉｌｌａｒｄ、Ｇｏｒｃｅ 和Ｆｏｎｔａｉｎｅ考慮機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)特性和實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)特性提出一種四足機(jī)器的控 Ｎ／操作方法；１９９６年ＰｒａｊＯＵＸ和Ｍａｒｔｉｎｓ對(duì)四足機(jī)器人步行管理方案進(jìn)行了
仿真研究等。

實(shí)現(xiàn)多足機(jī)器人力控制的一個(gè)很重要的問題就是足端受力分配。這個(gè)部 分的處理方法大致分３類：規(guī)劃法、解析法以及智能算法。這三種方式的代

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表分別是：１９９０年Ｃｈｅｎｇ和Ｏｒｉｎ描述了一種有效的尋優(yōu)算法一對(duì)偶線性規(guī)
劃法；１９９０年Ｋｕｍａｒ和Ｗａｌｄｒｏｎ提出和研究了靜態(tài)穩(wěn)定步行機(jī)構(gòu)的力分配問 題及其解析解法；１９８８年Ｔｓａｉ和Ｌｅｅ采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊邏輯學(xué)習(xí)方法，提出 了一種在線自適應(yīng)模糊邏輯控制算法，進(jìn)行多足步行機(jī)器人腳力分配控制等。

１．３智能化多足仿生機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)
隨著多足仿生機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，多足仿生機(jī)器人也不斷地朝著智 能化的方向發(fā)展，人們對(duì)其的智能要求也越來越高。目前影響智能化多足仿 生機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的因素主要有導(dǎo)航與定位、多機(jī)協(xié)調(diào)、多傳感器融合技術(shù) 以及仿生智能控制策略以等。這些關(guān)鍵技術(shù)直接影響到機(jī)器人的性能和實(shí)用
性。

１．３．１導(dǎo)航與定位技術(shù)
在智能化的多足仿生機(jī)器人系統(tǒng)中，其自主導(dǎo)航是一項(xiàng)核心技術(shù)，也是 研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。導(dǎo)航是指機(jī)器人通過傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)， 實(shí)現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標(biāo)的自主運(yùn)動(dòng)。其基本任務(wù)有３點(diǎn)口ｎ：①基 于環(huán)境理解的全局定位：通過環(huán)境中景物的理解，識(shí)別人為路標(biāo)或具體的實(shí) 物，以完成對(duì)機(jī)器人的定位，為路徑規(guī)劃提供素材；②目標(biāo)識(shí)別和障礙物檢 測(cè)：實(shí)時(shí)對(duì)障礙物或特定目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性； ③安全保護(hù)：能對(duì)機(jī)器人工作環(huán)境中出現(xiàn)的障礙和移動(dòng)物體做出分析并避免 對(duì)機(jī)器人造成的損傷。機(jī)器人有多種導(dǎo)航方式，根據(jù)環(huán)境信息的完整程度、 導(dǎo)航指示信號(hào)類型等因素的不同，可以分為基于地圖的導(dǎo)航、基于創(chuàng)建地圖 的導(dǎo)航和無地圖的導(dǎo)航三類；根據(jù)導(dǎo)航采用的硬件的不同，又可將導(dǎo)航系統(tǒng) 分為視覺導(dǎo)航和非視覺傳感器組合導(dǎo)航兩大類ｕ１。 而智能化機(jī)器人的定位是指機(jī)器人在導(dǎo)航過程中，為了進(jìn)行實(shí)時(shí)避障和 全局最優(yōu)路徑規(guī)劃，需要精確知道機(jī)器人或障礙物的當(dāng)前狀態(tài)及位置，以完 成導(dǎo)航、避障及路徑規(guī)劃等任務(wù)的過程。一般來說，機(jī)器人的定位分為相對(duì) 定位和絕對(duì)定位兩大類。相對(duì)定位是一種局部位置跟蹤方式，這種定位方式 下，機(jī)器人是在已知初始位置的條件下確定自己的位置的，典型的相對(duì)定位 方式有：慣性導(dǎo)航和測(cè)程法。絕對(duì)定位是一種全局定位方式，要求機(jī)器人在

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未知初始位置的情況下確定自己的位置，典型的絕對(duì)定位方式有：導(dǎo)航信標(biāo)

定位，圖形匹配定位，ＧＰＳ定位，概率定位。目前哈爾濱工程大學(xué)海洋智能 機(jī)械研究所所研制的新型多足仿生機(jī)械蟹計(jì)劃采用ＧＰＳ定位方式。

１．３．２多機(jī)協(xié)調(diào)技術(shù)
隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展及生產(chǎn)實(shí)踐的需求，機(jī)器人所承擔(dān)的任務(wù)將越來 越復(fù)雜，然而單一的機(jī)器人并不能獨(dú)立完成這些復(fù)雜的作業(yè)，而需要多機(jī)器 人通過協(xié)調(diào)和合作共同完成。因此，多機(jī)器人系統(tǒng)的協(xié)作機(jī)制、通信和規(guī)劃 問題已經(jīng)成為機(jī)器人學(xué)研究的一個(gè)重要方面。 協(xié)調(diào)哪！指多個(gè)機(jī)器人個(gè)體通過對(duì)資源和目標(biāo)的合理安排，調(diào)整各自行為， 以求最大可能地實(shí)現(xiàn)各自或系統(tǒng)的目標(biāo)，協(xié)調(diào)一種動(dòng)態(tài)行為，是各機(jī)體對(duì)環(huán) 境及其它個(gè)體的適應(yīng)，一般通過改變機(jī)體的現(xiàn)有狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)。協(xié)作則是在非 對(duì)抗的機(jī)體之間保持行為協(xié)調(diào)的一個(gè)特例。針對(duì)給定的任務(wù)，如果多機(jī)器人 系統(tǒng)能基于某些協(xié)作機(jī)制，使系統(tǒng)的功能和效率得到增強(qiáng)，則多機(jī)器人系統(tǒng)
表現(xiàn)出協(xié)作行為。

通訊是多機(jī)協(xié)調(diào)中最基本的問題。多機(jī)通訊的模式目前主要有兩種Ｂ引： 一種是公共存儲(chǔ)，通過建立公共存儲(chǔ)區(qū)，每一個(gè)均可以對(duì)其進(jìn)行訪問，從而實(shí) 現(xiàn)之間的交互；另一種是個(gè)機(jī)之間的信文傳遞，即在之間直接進(jìn)行信息交換。

１．３．３多傳感器信息融合技術(shù)
傳感器信息融合技術(shù)是近年來十分熱門的研究課題，它與控制理論、信 號(hào)處理、人工智能、概率和統(tǒng)計(jì)相結(jié)合，為機(jī)器人在各種復(fù)雜、動(dòng)態(tài)、不確 定和未知的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)提供了一種技術(shù)解決途徑ｐ川。機(jī)器人內(nèi)部包含大 量傳感器，以保證其自身功能的正常運(yùn)作以及對(duì)外部環(huán)境的感知，多傳感器 信息融合技術(shù)就是將來自各傳感器的信息數(shù)據(jù)經(jīng)過某種處理以產(chǎn)生更可靠更 全面的控制信息，完成機(jī)器人的各種操作。目前多傳感器信息融合技術(shù)主要有 貝葉斯估計(jì)、Ｄｅｍｐｓｔｅｒ－Ｓｈａｆｅｒ理論、卡爾曼濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波變換等ｐ“。

１．３．４仿生智能控制策略
隨著仿生機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)絹碓较Ｍ麢C(jī)器人不僅可以結(jié)構(gòu)仿生 還可以對(duì)那些無法精確建�；蛘咝畔⒉蛔愕牟B(tài)系統(tǒng)進(jìn)行控制仿生，然而傳
９

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統(tǒng)控制理論無法完成這樣的目標(biāo)。近年來許多學(xué)者提出了各種不同的機(jī)器人 智能控制系統(tǒng)，機(jī)器人的智能控制方法包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、以及
多智能控制方式的融合技術(shù)等。

智能控制方法提高了機(jī)器人的速度和精度，但是也存在一定的局限性，
例如機(jī)器人模糊控制中需要建立龐大的規(guī)則庫，此時(shí)控制推理過程所需要的

時(shí)間就會(huì)很長(zhǎng)；反之如果建立較小的規(guī)則庫，則控制的精度又會(huì)受到限制； 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種按照人腦的組織和活動(dòng)原理而構(gòu)造的一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型非 線性映射模型，它具有并行處理、自適應(yīng)自組織、聯(lián)想記憶、容錯(cuò)魯棒以及

逼近任意非線性函數(shù)等特型３２１，因此極為適合于仿生機(jī)器人控制，然而神經(jīng)
網(wǎng)絡(luò)的隱層數(shù)量和隱層內(nèi)神經(jīng)元個(gè)數(shù)的確定仍是制約神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法應(yīng)用于機(jī) 器人控制的關(guān)鍵因素，另外神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)易陷入局部極小值，這都是目前智能化
機(jī)器人控制設(shè)計(jì)中要解決的問題。

１．４論文的主要內(nèi)容和論文結(jié)構(gòu) １．４．１論文的主要研究?jī)?nèi)容
１．本文在前幾型多足仿生機(jī)械蟹樣機(jī)的基礎(chǔ)上，采用完全模塊化的設(shè)計(jì) 思想設(shè)計(jì)出改進(jìn)的新型機(jī)器人樣機(jī)。 ２．對(duì)機(jī)器人總體機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，提出了采用諧波減速器的新型機(jī)
器人關(guān)節(jié)，并對(duì)驅(qū)動(dòng)方式的選擇進(jìn)行了詳細(xì)的論證。從仿生學(xué)角度出發(fā)，對(duì)

八個(gè)步行足進(jìn)行了合理的自由度分布設(shè)置，使機(jī)器人具有可翻轉(zhuǎn)行走特性， 可大大提高機(jī)器人水下環(huán)境運(yùn)動(dòng)的耐波性和適應(yīng)性。 ３．采用遞階式控制思想，對(duì)新型機(jī)器人樣機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬件和軟
件的總體設(shè)計(jì)，并給出了具體的硬件設(shè)計(jì)電路。

４．對(duì)多足仿生機(jī)械蟹的各種步態(tài)形式進(jìn)行了比較分析，論證了雙四足步
態(tài)的可行性和穩(wěn)定性。

５．對(duì)多足仿生機(jī)械蟹的步態(tài)軌跡進(jìn)行了規(guī)劃，并采用Ｍａｔｌａｂ矛ＩＡＤＡＭＳ 聯(lián)合仿真方式進(jìn)行了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，實(shí)現(xiàn)了平坦路面直線運(yùn) 動(dòng)、上下臺(tái)階及上下坡的運(yùn)動(dòng)仿真。 ６．搭建新型多足仿生機(jī)械蟹樣機(jī)，通過實(shí)際運(yùn)行結(jié)果指導(dǎo)新型樣機(jī)的理

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論研究工作和設(shè)計(jì)改進(jìn)過程。

１．４．２論文結(jié)構(gòu)
本文共分６部分，其中第一章為緒論部分；第二章為總體方案設(shè)計(jì)部分， 文章通過詳細(xì)論證提出了多足仿生機(jī)械蟹新型樣機(jī)設(shè)計(jì)的總體方案，包括機(jī) 械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體方案、控制系統(tǒng)總體方案以及防腐技術(shù)總體方案三個(gè)部分； 第三章是本文的重點(diǎn)，通過對(duì)多足仿生機(jī)械蟹步態(tài)的研究，提出多足仿生機(jī) 械蟹的基本行走步態(tài)形式，并對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)／動(dòng)力學(xué)仿真以及基于Ｍａｔｌａｂ
和ＡＤＡＭＳ的聯(lián)合仿真；第四章為硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分，采用模塊化的思

想將整個(gè)控制系統(tǒng)分為幾個(gè)模塊分別對(duì)各模塊進(jìn)行了硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；第 五章是樣機(jī)研制部分，文章詳細(xì)介紹了新型樣機(jī)的機(jī)械本體以及硬件控制系 統(tǒng)的研制過程，同時(shí)還對(duì)新型樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)進(jìn)行了介紹；最后一部分為結(jié)
束語。

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第２章新型多足仿生機(jī)械蟹總體方案設(shè)計(jì)
２．１引言
本課題所設(shè)計(jì)的多足仿生機(jī)械蟹，是針對(duì)哈爾濱工程大學(xué)海洋智能機(jī)械 研究所前四型機(jī)器蟹在實(shí)際研究和應(yīng)用中存在的一些問題和不足，將諧波減 速器引入關(guān)節(jié)傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)出新型關(guān)節(jié)，并由此組裝出多足仿生機(jī)
械蟹機(jī)械本體。新型關(guān)節(jié)應(yīng)用在機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)上，能夠提高腿部的承載能

力和傳動(dòng)效率。在關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將采用多層控制方法的多足步行機(jī)器 人的控制系統(tǒng)密封裝配在機(jī)器人的機(jī)體內(nèi)，最終完成整機(jī)的設(shè)計(jì)。除此之外， 對(duì)水下防腐技術(shù)進(jìn)行了研究，選出了適合于機(jī)器人水下環(huán)境工作的防腐材料。 采用力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人著地點(diǎn)的力反饋值，通過一定的判斷方法，得 出足端周圍有無障礙物的情況，從而為機(jī)器人的越障、避障提供控制信息。

２．２前四型多足仿生機(jī)械蟹簡(jiǎn)介
哈爾濱工程大學(xué)海洋智能機(jī)械研究所從１９９９年開始進(jìn)行多足仿生機(jī)械
蟹的研究，到目前為止已設(shè)計(jì)出四型可適應(yīng)水路兩棲的多足仿生機(jī)械蟹樣機(jī)。

２．２．１第一型多足仿生機(jī)械蟹樣機(jī)
第一型兩棲多足仿生機(jī)械蟹樣機(jī)ｐ習(xí)（圖２．１）以生物蟹為設(shè)計(jì)藍(lán)本，它由８ 條步行足（圖２．２）組成，各步行足有三個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)均采用錐齒輪傳動(dòng)方 式，各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用瑞士Ｍａｘｏｎ公司的ＲＥ．ｍａｘ ２６和ＲＥ．ｍａｘ ２２系列直 流伺服電機(jī)，控制系統(tǒng)采用ＤＳＰ芯片嵌入式分層控制。另外，為了減輕整機(jī)
的重量，機(jī)械本體采用輕質(zhì)鋁合金材料做框架，并在軀體上預(yù)設(shè)安裝空間及

安裝孔，以便于控制電路、傳感器、電源模塊等設(shè)備的安裝。考慮到外形封 裝的需要，并兼顧仿生物蟹外形的特點(diǎn)，整體上采用扁平結(jié)構(gòu)。第一型樣機(jī) 對(duì)仿生機(jī)器蟹進(jìn)行了第一次嘗試，為后幾型機(jī)器蟹的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。但第
一型樣機(jī)所采用的錐齒輪傳動(dòng)方式不具有自鎖能力且關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩嚴(yán)重不

足，因此在以后的幾代樣機(jī)中重點(diǎn)改進(jìn)了這些問題。

釃鏟
圖２ １第一型多足仿生機(jī)械蟹樣機(jī) ２．２

圖２．２第一型樣機(jī)單步行足結(jié)構(gòu)圖

２第二型多足仿生機(jī)械蟹樣機(jī)
第二型兩棲多足仿生機(jī)械蟹樣機(jī)ｐ４１（圖２．３）延續(xù)第一型的設(shè)計(jì)思想，提出

蟹足設(shè)計(jì)的模塊化設(shè)計(jì)思想。機(jī)器人步行足各關(guān)節(jié)選用比較經(jīng)濟(jì)的位置伺服 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，根關(guān)節(jié)采用繩輪傳動(dòng)方式，前后擺腿關(guān)節(jié)采用電機(jī)減速器輸出軸 直接驅(qū)動(dòng)，是末關(guān)節(jié)的側(cè)行擺腿采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。主控系統(tǒng)采用ＴＩ公司的 ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ，負(fù)責(zé)生成１４種步態(tài)以及２４路ＰＷＭ信號(hào)發(fā)生，電機(jī)伺服 控制采用三菱公司的基于電位計(jì)的位置伺服控制器Ｍ５１６６０Ｌ，該控制器對(duì)位 置進(jìn)行比例控制，主控系統(tǒng)與各個(gè)位置伺服驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成分布式系統(tǒng)。機(jī)器人 供電采用７ ２Ｖ／２０００ｍＡＨ鎳氫電池組方式。由于該機(jī)型沒有配備傳感器，因 此僅可以在沒有障礙物的平地行走，無蔽障能力。另外，選用的直流伺服舵 機(jī)驅(qū)動(dòng)方式不具有變速特性，因此機(jī)器人只能在固定的速度下運(yùn)動(dòng)；同時(shí)機(jī) 器蟹的蟹足較短且與軀體比例失調(diào)，這兩點(diǎn)原因使得機(jī)器蟹的行進(jìn)速度比較 慢（０ ｌｍ／ｓ）。第二型樣機(jī)是對(duì)仿生機(jī)器蟹設(shè)計(jì)的又一此嘗試，它為后續(xù)的機(jī) 器蟹步態(tài)研究奠定了基礎(chǔ)。

圖２ ３第二型多足仿生機(jī)械蟹樣機(jī)

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３第三型多足仿生機(jī)械蟹樣機(jī)
第三型兩棲多足仿生機(jī)械蟹樣機(jī)””（圖２．４）在第二型樣機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行

改進(jìn)，其結(jié)構(gòu)、尺寸比例均依照仿生原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，模擬海蟹結(jié)構(gòu)將步行足 分為髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和徑關(guān)節(jié)三部分。在第二型機(jī)器人的基礎(chǔ)上，第三型樣 機(jī)仍采用位置伺舵機(jī)為機(jī)器蟹關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)元件，根部選用了力矩更大的舵機(jī) （１Ｎｍ），傳動(dòng)方式除了最末關(guān)節(jié)的側(cè)行擺腿關(guān)節(jié)改用了繩輪傳動(dòng)方式外，其 余關(guān)節(jié)傳動(dòng)方式同第二型機(jī)器蟹。主控制系統(tǒng)采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，主處理器采用 Ｓａｍｓｕｎｇ公司的３２位ＡＲＭ７處理器Ｓ３Ｃ４４ＢＯＸ，主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互、步態(tài) 生成、各足協(xié)調(diào)控制、通信等；二級(jí)系統(tǒng)系統(tǒng)采用８片ＴＩ公司的１６位的處 理器ＭＳＰ４３０Ｆ１４９．主要負(fù)責(zé)單腿的運(yùn)動(dòng)控制和力覺數(shù)據(jù)采集。步行足配有 十六只力傳感器，檢測(cè)足尖落地和步行足是否碰到障礙物等信息，為步行足 的路徑規(guī)劃提供信息，使其能夠在沙灘、平地等環(huán)境前進(jìn)、后退、左右側(cè)行 及任意位置、任意角度、任意方向轉(zhuǎn)彎，同時(shí)還具有一定的越障能力和爬坡 能力。制作后期對(duì)該型樣機(jī)設(shè)計(jì)了橡膠防水外衣（圈２ ５），并進(jìn)行了首次水下 行走實(shí)驗(yàn)。此型樣機(jī)無論在功能還是性能上都有很大的提高，但其負(fù)重能力 和爬坡能力都很有限，存在速度不可調(diào)，運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)等問題。

圖２．４第三型多足仿生機(jī)械蟹樣機(jī)
２ ２

圖２．５柔性腔體密封外觀圖

４第四型多足仿生機(jī)械蟹樣機(jī)
第四型兩棲多足仿生機(jī)械蟹樣機(jī)９”。１（圖２．６）較前幾代機(jī)型有了較大的

改進(jìn)，功能己趨于完善。其各關(guān)節(jié)傳動(dòng)方式改用了具有自鎖能力的大斜齒輪 （類蝸輪蝸桿）傳動(dòng)方式，機(jī)器人設(shè)計(jì)有專用的電機(jī)伺服系統(tǒng)、聲納環(huán)傳感器 信息處理系統(tǒng)、三軸陀螺傳感器信息處理系統(tǒng)和變結(jié)構(gòu)力覺佶感器信息處理 系統(tǒng)。為便于實(shí)時(shí)了解機(jī)器人樣機(jī)的各種信息，并根據(jù)其反饋信息修改其運(yùn)

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動(dòng)參數(shù)，在其控制系統(tǒng)中增加了一個(gè)液晶顯示模塊，通信采用無線傳輸模塊 和紅外遙控兩種方式，同時(shí)還增加了一個(gè)攝像頭實(shí)時(shí)反饋外界環(huán)境信息。整 機(jī)制作完成后進(jìn)行了整體軟質(zhì)橡膠密封處理（圖２．７），使其具有兩棲環(huán)境下的 運(yùn)動(dòng)能力。隨后進(jìn)行了大量的陸地、水中的行走、爬坡、越障、觸障反射、 密封等試驗(yàn)，得到了一些非常有價(jià)值的數(shù)據(jù)和結(jié)論。但是通過實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也 發(fā)現(xiàn)了第四型兩棲多足機(jī)器人結(jié)構(gòu)存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜不宜于維修、零件通用性 不強(qiáng)、大斜齒輪摩擦能量損失大等缺點(diǎn)，大大影響了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能。

圖２．６第四型多足仿生機(jī)械蟹樣機(jī)

圖２．７第四型機(jī)水下形態(tài)圖

２．３新型多足仿生機(jī)械蟹結(jié)構(gòu)方案
２．３．１關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案
１設(shè)計(jì)要求

針對(duì)前四代多足仿生機(jī)械蟹樣機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)其應(yīng)用與研究產(chǎn)生的影響，對(duì)新 型樣機(jī)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)提出了以下要求： ①選擇合適的傳動(dòng)方式，使關(guān)節(jié)能夠高效率、穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)，具有自鎖能 力，關(guān)節(jié)有更寬廣的運(yùn)動(dòng)空間，且具有抗擊機(jī)體翻倒的自翻轉(zhuǎn)能力。 ②選擇合適的傳感器，能夠時(shí)刻給控制系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)，讓機(jī)器人具有感 知周圍障礙的能力。 ③具有不小于０ １ｎｆｓ的機(jī)體運(yùn)動(dòng)速度、一定的爬坡能力、越障能力，同 時(shí)增加機(jī)器人對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。 ④對(duì)模塊化設(shè)計(jì)的適應(yīng)性強(qiáng)，即可在第四型樣機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和改 進(jìn)，逐步用性能優(yōu)良的新部件替代舊部件。
２方案論證

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多足仿生機(jī)械蟹關(guān)節(jié)傳動(dòng)方式的選擇是機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之
一。目前機(jī)器人關(guān)節(jié)的傳動(dòng)方式主要有：繩索滑輪驅(qū)傳動(dòng)、連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)、

帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)等等口田。 ①繩索滑輪驅(qū)傳動(dòng)方式
繩輪傳動(dòng)方式是目前仿生機(jī)器人常采用的關(guān)節(jié)傳動(dòng)方式。這種傳動(dòng)方式

可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的遠(yuǎn)距離傳送。但此類傳動(dòng)方式存在傳動(dòng)滯后現(xiàn)象，有較
大的運(yùn)動(dòng)傳遞誤差。另外，由于繩索只能受拉不能受壓，故很難實(shí)現(xiàn)回程。

除此之外，在短距離狹小空間內(nèi)難以使用這種傳動(dòng)方式，因此這種傳動(dòng)方式
不適于應(yīng)用在微小型機(jī)器人中。

②連桿傳動(dòng)ｍ”ｕ 連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)仿生機(jī)器人這類短距離的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳送也是一種可行 方案。但連桿傳動(dòng)方式一般會(huì)增加機(jī)器人結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，使機(jī)械本體結(jié)構(gòu)的 設(shè)計(jì)和加工變困難，難以實(shí)現(xiàn)。
③帶傳動(dòng)Ｈ刁
‘

帶傳動(dòng)目前多用于機(jī)械臂式機(jī)器人中。但由于帶傳動(dòng)不能保持準(zhǔn)確的傳 動(dòng)比，且存在傳動(dòng)效率和強(qiáng)度低，疲勞壽命短，不便于控制等缺點(diǎn)，因此， 這種傳動(dòng)方式在微小型機(jī)器人應(yīng)用方面存在很大的局限性。 ④鏈傳動(dòng)Ｈ習(xí) 鏈傳動(dòng)是以鏈作為中間撓性件，依靠鏈與鏈輪輪齒的嚙合來傳遞運(yùn)動(dòng)和 動(dòng)力的傳動(dòng)方式。由于鏈條和齒輪的摩擦容易使鏈條松弛，齒輪磨損，且傳 動(dòng)噪聲高，因此，這種傳動(dòng)方式不適于應(yīng)用在微小型機(jī)器人中。 ⑤蝸輪蝸桿傳動(dòng)ｐ卵ＭＭ５心１ 蝸輪蝸桿傳動(dòng)隸屬于齒輪傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)用來傳遞任意兩軸間的運(yùn)動(dòng)和 動(dòng)力，在齒輪傳動(dòng)中還包括諧波齒輪傳動(dòng)和行星齒輪傳動(dòng)。渦輪蝸桿傳動(dòng)具 有自鎖功能但是需要將蝸桿與電機(jī)軸相固定，這使得電機(jī)軸承受相當(dāng)大的軸 向力，此力對(duì)電機(jī)的壽命和正常的使用都存在破壞性。 ⑥諧波齒輪傳動(dòng) 諧波齒輪傳動(dòng)是應(yīng)用于機(jī)器人關(guān)節(jié)傳動(dòng)的主要裝置，是近代新發(fā)展起來 的一種靠柔性齒輪來傳遞運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)方式。諧波齒輪傳動(dòng)本質(zhì)上是 ｚ．Ｘ－Ｖ型行星齒輪傳動(dòng)。其工作原理如圖２．８所示，它由三個(gè)元件組成，即：
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諧波發(fā)生器、具有外齒的柔輪和具有內(nèi)齒的剛輪。以上三件可以任意固定一 個(gè)，同時(shí)其余兩件作為輸入件和輸出件。

輪

脫開

脫開

圖２．８諧波齒輪傳動(dòng)的工作原理

諧波齒輪減速器是一個(gè)兩自由度的機(jī)構(gòu)。諧波齒輪傳動(dòng)作為減速器應(yīng)用 時(shí)，通常情況下剛輪為內(nèi)齒輪，固定不動(dòng)；波發(fā)生器為橢圓凸輪（或雙滾輪）， 作輸入軸；柔輪為外齒輪，作輸出軸；而且大都采用２波傳動(dòng)，即波發(fā)生器 轉(zhuǎn)１轉(zhuǎn)，柔輪變形兩次；也即剛輪與柔輪的齒數(shù)差為２。若將波發(fā)生器裝在 柔輪中，將使柔輪變?yōu)闄E圓形，此時(shí)，處于長(zhǎng)軸的齒將與剛輪齒接觸嚙合，而 處于短軸的齒則與剛輪齒脫開。當(dāng)波發(fā)生器回轉(zhuǎn)時(shí)，將迫使柔輪齒依次同剛 輪齒嚙合，由于相差２齒，故發(fā)生器轉(zhuǎn)１轉(zhuǎn)，將使柔輪在相反方向轉(zhuǎn)過２齒，
從而獲得減速運(yùn)動(dòng)。 諧波齒輪傳動(dòng)方式的傳動(dòng)比計(jì)算公式如下：

①剛輪固定，柔輪作為輸出，ｆ＝—Ｌ
７ 月 一 厶ｌ—Ｚ，２ ７

②柔輪固定，剛輪作為輸出，江—芻一
Ｚｌ—Ｚ２

式中，ｆ為傳動(dòng)比，ＺＪ為柔輪齒數(shù)，Ｚ２為剛輪齒數(shù)。 由于諧波齒輪傳動(dòng)具有較大傳動(dòng)比且體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承載 能力大、傳動(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn)， 因此已廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控

機(jī)床、起重運(yùn)輸、紡織機(jī)械以及國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域。一般來說，它可作為減速
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器使用，也可作為增速器使用。

綜上所述，前五種傳遞方式并不適合應(yīng)用于小型多足機(jī)器人，在前幾代 樣機(jī)中這幾類傳動(dòng)方式多有嘗試，但實(shí)際效果不佳。因此，亟需要找到一種
能夠滿足傳動(dòng)比大、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊的傳動(dòng)方式。在新型樣機(jī)的設(shè)計(jì)中

采用第六種方案由諧波減速器作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的多足機(jī)器人關(guān)節(jié)。它可以替換 現(xiàn)有機(jī)器人的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，并且隨著諧波減速器尺寸的不斷減小，這種新型傳 動(dòng)方式更適合應(yīng)用于小型機(jī)器人的關(guān)節(jié)傳動(dòng)中，具有廣闊的應(yīng)用前景。
采用諧波減速器的新型機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)㈣ｍ１： （１）傳動(dòng)比大且選擇不唯一，體積小，零件數(shù)少，傳動(dòng)效率高。效率可達(dá) ９２％￣９６％，單級(jí)傳動(dòng)比可達(dá)５０－－４０００，且在大傳動(dòng)比下仍具有較高的傳動(dòng)效率； （２）可同時(shí)嚙合的齒數(shù)多，且滑動(dòng)速度小，齒面摩損均勻，承載能力強(qiáng)； （３）具有透過密封壁傳遞運(yùn)動(dòng)的能力；

（４）具有自鎖性，同時(shí)電機(jī)軸不受力，電機(jī)壽命得到保護(hù)并且工作平穩(wěn)；
（５）通用性強(qiáng)，可適用于各種機(jī)器人。 基于以上原因，擬定選擇基于諧波加速器的新型關(guān)節(jié)作為新型多足仿生 機(jī)械蟹的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)方案。 ３．新型關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一¨

本關(guān)節(jié)目前已申請(qǐng)了發(fā)明專利。關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)具體實(shí)現(xiàn)方式如圖２．９所示， 每一個(gè)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)都由一個(gè)直流力矩電機(jī)經(jīng)諧波減速器減速驅(qū)動(dòng)，使輸入、輸 出傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)比大、傳動(dòng)精度高。關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)具體包括：聯(lián)軸器１、電機(jī)
擋板２、柔輪３、波發(fā)生器４、固定鋼輪５、旋轉(zhuǎn)鋼輪６，軸承套７、殼體８、 深溝球軸承９、軸承支架１０、端蓋１１、內(nèi)六角頭圓柱螺釘１２、聯(lián)結(jié)臂１３、 內(nèi)六角頭圓柱螺釘１４、內(nèi)六角頭圓柱螺釘１５、十字槽沉頭螺釘１６、內(nèi)六角

頭圓柱螺釘１７、輔助聯(lián)結(jié)臂１８、深溝球軸承１９、電機(jī)軸連接銷２０、內(nèi)六角 頭圓柱螺釘２１、電機(jī)２２、光電編碼器２３。

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圖２．９機(jī)器人關(guān)節(jié)剖面結(jié)構(gòu)裝配圖 關(guān)節(jié)的詳細(xì)裝配方式：首先，用一個(gè)聯(lián)軸器ｌ通過連軸器上的定位銷釘 ２１將電機(jī)２２聯(lián)上；聯(lián)軸器的另一端與諧波減速器通過十字槽沉頭螺釘１６相 連；電機(jī)２２連接電機(jī)擋板２并與殼體８固定（通過電機(jī)軸連接銷２０）；同時(shí)， 光電編碼器２３和電機(jī)２２相連；再用內(nèi)六角圓柱頭螺釘１７將固定鋼輪５與殼 體８連接。通過以上的步驟就完成了諧波減速器與電機(jī)、聯(lián)軸器的固定。隨
后，將軸承套７與深溝球軸承９壓入殼體２，并用內(nèi)六角頭圓柱螺釘１５固定； 裝入端蓋ｌｌ，用內(nèi)六角頭圓柱螺釘１４將端蓋１ｌ與旋轉(zhuǎn)鋼輪６固定；最后通

過內(nèi)六角頭圓柱螺釘１２將聯(lián)結(jié)臂１３固定在端蓋１ｌ上，壓上深溝球軸承１９ 與輔助聯(lián)結(jié)臂１８既完成裝配，其中輔助聯(lián)結(jié)臂１８的固定可以通過連接聯(lián)結(jié) 臂１３完成。以上就是整個(gè)關(guān)節(jié)的裝配過程。 從關(guān)節(jié)的工作原理來看，整個(gè)關(guān)節(jié)可看成兩個(gè)模塊。第一個(gè)模塊是傳感 模塊，由光電編碼器２３和電機(jī)２２組成。光電編碼器直接連接電機(jī)，以獲得 電機(jī)角度、角速度、角加速度等參數(shù)實(shí)現(xiàn)位置速度控制，同時(shí)，電機(jī)２２帶動(dòng) 諧波減速器提供力矩。另一個(gè)模塊是傳動(dòng)模塊，它由諧波減速器和旋轉(zhuǎn)箱體
１９

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組成。諧波減速器的鋼輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)箱體可達(dá)到關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的目的。這個(gè)部分的 具體連接方式是電機(jī)２２定子通過聯(lián)軸器１與柔輪３相固連，電機(jī)轉(zhuǎn)子２２和 波發(fā)生器４固連在一起，柔輪３和殼體８相固連，旋轉(zhuǎn)鋼輪６與端蓋１１相固 連。機(jī)器人的聯(lián)結(jié)臂（聯(lián)結(jié)臂１３，輔助聯(lián)結(jié)臂１８）分別與殼體８（固定箱體）和 端蓋１１（旋轉(zhuǎn)箱體）相連接。由此，通過傳感模塊和傳動(dòng)模塊兩部分的組合就 構(gòu)成了機(jī)器人的關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)工作時(shí)電機(jī)提供轉(zhuǎn)矩，通過諧波減速器減速，輸 出給旋轉(zhuǎn)箱體，同時(shí)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，最后通過聯(lián)結(jié)臂聯(lián)結(jié)下一關(guān)節(jié)。 圖２．１０為采用諧波減速關(guān)節(jié)組成的具有三個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的機(jī)器人步行足， 它包括：三個(gè)如圖２．９所示的關(guān)節(jié)（關(guān)節(jié)２７，關(guān)節(jié)３０關(guān)節(jié)３２），連桿２５，連 接塊２６，連接板３１和三維力傳感器２４，輔助聯(lián)結(jié)臂２８，連接聯(lián)結(jié)臂２９。步 行足裝配方式如下：關(guān)節(jié)３０與關(guān)節(jié)３２通過焊接殼體的方式固定，輔助聯(lián)結(jié) 臂２８與連接聯(lián)結(jié)臂２９將關(guān)節(jié)３０與關(guān)節(jié)２７連接，連接塊２６通過焊接方式固 定在關(guān)節(jié)２７上，連桿２５與連接塊２６通過螺栓連接，雖后在連桿２５的末端 連接上三維力傳感器２４，關(guān)節(jié)３２和連接板３１通過螺栓固定。運(yùn)動(dòng)原理足： 每條步行足足尖安裝有三維力傳感器２４，用來檢測(cè)步行足的落地時(shí)受力和障 礙物情況。關(guān)節(jié)３２通過箱體實(shí)現(xiàn)水平旋轉(zhuǎn)，同時(shí)和關(guān)節(jié)３０固定，關(guān)節(jié)３０ 通過（輔助聯(lián)結(jié)臂２８，連接聯(lián)結(jié)臂２９）垂直旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)關(guān)節(jié)２７，關(guān)節(jié)２７通過殼 體帶動(dòng)連接塊２６，連桿２５，三維力傳感器２４。單步行足立體圖如圖２ １１所
月ｉ。

圖２ １０單個(gè)步行足結(jié)構(gòu)示意圖

圖２ １１單個(gè)步行足結(jié)構(gòu)立體圖

由此設(shè)計(jì)的機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是：①單級(jí)傳動(dòng)比大且范圍寬；②同時(shí)
嚙合的齒數(shù)多，承載能力高；③傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)精度高，磨損�。虎茉诖髠� 動(dòng)比下，仍有較高的傳動(dòng)效率；零件數(shù)少，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊；具有通過密

封壁傳遞運(yùn)動(dòng)的能力等。⑤傳動(dòng)選擇不唯一：剛輪與柔輪中可任意固定一個(gè)，

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其余兩個(gè)一為主動(dòng)、一為從動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)減速或增速。⑥通用型（適合各種機(jī) 器人），⑦具有自鎖性。⑧對(duì)電機(jī)起到保護(hù)作用，電機(jī)軸不再像渦輪蝸桿傳動(dòng) 方式受力，電機(jī)壽命得到保護(hù)并且工作平穩(wěn)。
４．關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的選擇及傳動(dòng)參數(shù)計(jì)算

驅(qū)動(dòng)電機(jī)擬選擇德國(guó)ＦＡＵＬＨＡＢＥＲ公司的２３４２ＣＲ系列微小型直流電機(jī) 作為機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)選擇與電機(jī)配套的磁性正交增量碼盤
（ＭＲ—Ｅｎｃｏｄｅｒ），各項(xiàng)具體參數(shù)情況如所下： （１）電機(jī)： 功率：１７Ｗ 極限轉(zhuǎn)速：８１００ｒｐｍ 空載電流：７５ｍＡ 轉(zhuǎn)矩：１６ｍＮ?ｒｌｌ （２）ＭＲ編碼器： 單圈信號(hào)輸出：１２ＣＰＰ 信號(hào)極限頻率：７．２ｋＨｚ 額定電壓：１２Ｖ 啟動(dòng)電流ｍａｘ：１．４Ａ 空載轉(zhuǎn)速：７０００ｒｐｍ 堵轉(zhuǎn)輸出扭矩：８０ｒａＮ?ｍ

（３）擬定機(jī)械參數(shù)：
重量：１２００９ 總長(zhǎng)：４２０ｍｍ

最大外徑：中４３ｍｍ

（４）考慮諧波減速器尺寸問題，擬選擇減速比為２００：１的諧波減速器，即 ｉ＝２００，考慮諧波減速器傳動(dòng)效率為９２％時(shí)，經(jīng)諧波減速器傳動(dòng)后的最大持續(xù)
輸出扭矩為：

�。揭铱А妗罚窇许耄�

＝０．０１６ｘ２００ｘ０．９２＝２．９４４（Ｎ?ＩＴＩ）
根據(jù)電機(jī)及傳動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)，可初步估算出步行足關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器性能大致如
下： 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速：

‰＝‰一一≯～２丟ｏ＝４０．一（ｒｐｍ）×－－ｌＯＯｘ－二－４０
刀Ｍ＝刀ｍ柳眥．２ ８
一

ｌ

１ｎｎ ＺＵＵ

?

５

ｒｐｍ）

可測(cè)／可控轉(zhuǎn)角精度：

陽：絲×三：２．６１６６×１０—３（ｒａｄｌ
１２ ｆ
、 ７

，輸出扭矩范圍：Ｔｓ５．４（Ｎ．ｒｎ）

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最終設(shè)計(jì)步行足各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角范圍為： 髖關(guān)節(jié)：－４５�！懿怼埽矗�。

膝關(guān)節(jié)：一１３５�！埽埃病埽保常�。
脛關(guān)節(jié)：一１３５。≤鼠≤＋１３５。

２．３．２新型多足仿生機(jī)械蟹樣機(jī)整機(jī)方案
１．設(shè)計(jì)要求

在前四型樣機(jī)的基礎(chǔ)上，針對(duì)前幾代步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)中存在的一些不足， 結(jié)合設(shè)計(jì)要求，給出了以下新型樣機(jī)的整機(jī)設(shè)計(jì)方案，新型樣機(jī)符合模塊化 設(shè)計(jì)思想，可根據(jù)具體情況對(duì)第四型樣機(jī)部分結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行改進(jìn)和更替。 針對(duì)前幾代樣機(jī)設(shè)計(jì)存在的問題，對(duì)新型樣機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)提出了以下要求： （１）將諧波減速器作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)各關(guān)節(jié)； （２）采用直流電機(jī)作為輸入源； （３）通過足端的三維力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)步行機(jī)構(gòu)著地點(diǎn)的力；
（４）可兼容的緩沖減震模塊和符合步行足；

（５）為了減輕整機(jī)的重量，新型樣機(jī)的機(jī)械本體仍采用輕質(zhì)鋁合金材料做 框架，并在軀體上預(yù)設(shè)安裝空間及安裝孔，以便于控制電路、傳感器、電源
模塊等設(shè)備的安裝。 ２．新型樣機(jī)整體機(jī)械結(jié)構(gòu) 多足仿生機(jī)械蟹新型樣機(jī)的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖２．１２所示，它是由八條由

諧波減速關(guān)節(jié)組成的具有三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的機(jī)器人步行足（關(guān)節(jié)３３，關(guān)節(jié)３４， 關(guān)節(jié)３５，關(guān)節(jié)３６，關(guān)節(jié)３７，關(guān)節(jié)３８，關(guān)節(jié)３９，關(guān)節(jié)４０）和機(jī)器人機(jī)體底板 ４１構(gòu)成。機(jī)器人的八條步行足是成完全軸對(duì)稱式固定于機(jī)體板，其軀干上安 裝有控制器和遙控裝置，同時(shí)每個(gè)步行足都是由三個(gè)傳動(dòng)關(guān)節(jié)串聯(lián)構(gòu)成，各 步行足包括：三個(gè)的關(guān)節(jié)和三維力傳感器。

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圖２．１２多足機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示意圖

２．４新型多足仿生機(jī)械蟹樣機(jī)控制系統(tǒng)方案
針對(duì)前幾型多足仿生機(jī)械蟹樣機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的問題，對(duì)新型樣機(jī) 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提出了以下要求： （１）智能化，控制思想具有類似于動(dòng)物智能思維特點(diǎn)： （２）良好的人機(jī)界面，便于操作與開發(fā)； （３）足夠的信息傳輸方式；
（４）擴(kuò)展性好。 從作業(yè)任務(wù)來看多足仿生機(jī)械蟹所要完成的最終設(shè)計(jì)目的是要研制出可

適應(yīng)未來兩棲作戰(zhàn)環(huán)境的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)。為了滿足這樣的性能需要，多足
機(jī)器人必須具備豐富的感知能力，包括內(nèi)部感知能力和外部感知能力。另外，

由于多足仿生機(jī)械蟹所處的工作環(huán)境的復(fù)雜性和任務(wù)目標(biāo)的多樣性使其無法 采用建立在精確的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)控制方案。 通過對(duì)多足動(dòng)物的觀察發(fā)現(xiàn)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)過程本身就體現(xiàn)了一種對(duì)步行運(yùn)動(dòng)
的遞階式控制，而且其控制器官呈現(xiàn)出一種模塊化的組織形式。大腦負(fù)責(zé)行

為的選擇，監(jiān)控全身各個(gè)器官的運(yùn)行情況，決定運(yùn)動(dòng)的起止、方向和速度等； 根據(jù)大腦的調(diào)度啟動(dòng)指定足的指定肌肉，同時(shí)利用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)完成各肌肉間 的協(xié)調(diào)；而最終的邁步運(yùn)動(dòng)是由骨胳、肌肉等運(yùn)動(dòng)器官來執(zhí)行的。

２．４．１遞階控制系統(tǒng)特點(diǎn)
鑒于多足仿生機(jī)械蟹的行為控制特點(diǎn)以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，我們可 以采用三級(jí)分層遞階式控制結(jié)構(gòu)將機(jī)器人所要完成的任務(wù)和功能分解為組織 級(jí)，協(xié)調(diào)級(jí)，執(zhí)行級(jí)三個(gè)層次，并按照自上而下精確程度逐層遞增、智能程

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度逐層遞減的原則進(jìn)行功能分配。如圖２．１３所示為３級(jí)遞階式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
示意圖。具體各級(jí)的功能解釋如下： （１）組織級(jí)：又稱為“任務(wù)規(guī)劃級(jí)＂，是３層遞階控制系統(tǒng)中智能化最高的

控制級(jí)別，其任務(wù)類似于高等生物的智能行為，是基于經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)等的高級(jí) 功能。主要是對(duì)于給定的外部命令和任務(wù)，設(shè)法找到能夠完成該任務(wù)的子任 務(wù)或動(dòng)作的組合。包括機(jī)器推理、機(jī)器規(guī)劃、機(jī)器決策、機(jī)器學(xué)習(xí)與反饋、 機(jī)器記憶及交換共５個(gè)子功能級(jí)。從控制任務(wù)上來說，其執(zhí)行的是宏觀任務(wù)。

圖２．１３分級(jí)遞階式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

（２）協(xié)調(diào)級(jí)：又稱為“分派器”，是組織級(jí)和執(zhí)行級(jí)的接口。協(xié)調(diào)級(jí)接收 從組織級(jí)傳來的命令，經(jīng)過實(shí)時(shí)信息處理，產(chǎn)生一系列可供執(zhí)行器執(zhí)行的具 體動(dòng)作的序列，并且協(xié)調(diào)級(jí)可監(jiān)督執(zhí)行級(jí)的工作效果，并將其反饋給組織級(jí)。 這一級(jí)又可細(xì)分為各運(yùn)動(dòng)模塊間協(xié)調(diào)和運(yùn)動(dòng)模塊中各關(guān)節(jié)之間協(xié)調(diào)兩層任
務(wù)。

（３）執(zhí)行級(jí)：是常規(guī)的硬件控制級(jí)，控制系統(tǒng)中的最低的控制級(jí)別。其根 據(jù)協(xié)調(diào)級(jí)的控制命令執(zhí)行具體、精確的控制任務(wù)。 采用分層遞階控制方式的優(yōu)點(diǎn)是：①模塊相互獨(dú)立：外圍擴(kuò)展模塊、傳 感器模塊、步行足控制模塊相互獨(dú)立， 數(shù)據(jù)處理互不干涉；②實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控
制：下層處理器能快速執(zhí)行上層指令， 同時(shí)主控系統(tǒng)也能快速接收反饋信息

并發(fā)出相應(yīng)的執(zhí)行指令；③提高了機(jī)器人對(duì)外界環(huán)境的監(jiān)測(cè)和自身的運(yùn)動(dòng)能
力，這樣控制系統(tǒng)具有更高的直接性、總體控制性、有效性和可靠性。

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２．４．２多足仿生機(jī)械蟹硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
多足仿生機(jī)械蟹分層遞階智能控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案如圖２．１４所示，

包括上層組織級(jí)、中層協(xié)調(diào)級(jí)和下層執(zhí)行級(jí)三部分。

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執(zhí)行級(jí)

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圖２．１４多足仿生機(jī)械蟹遞階控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
１．組織級(jí)：

多足仿生機(jī)械蟹新型樣機(jī)上層組織級(jí)控制系統(tǒng)是以ＴＩ公司的ＤＳＰ芯片 ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ為核心的控制系統(tǒng)，其外圍擴(kuò)展包括無線數(shù)傳模塊 ＳＲＷＫＦ．１０８、紅外遙控接口、ＣＡＮ總線通信接口ＭＣＰ２５１０、ＲＳ．２３２接口 ＭＡＸ３２３２、液晶顯示模塊和Ｉｎｔｅｎｅｔ以太網(wǎng)接口ＲＴＬ８０１９ＡＳ等。組織級(jí)主要 負(fù)責(zé)接受用戶命令、向用戶反饋信息、根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境規(guī)劃各個(gè)步行足的運(yùn)動(dòng) 策略。無線數(shù)傳模塊ＳＲＷＫＦ．１０８和紅外遙控接口通過各自串口與機(jī)器人主 控制器相連，為機(jī)器人提供遠(yuǎn)程遙控功能；ＣＡＮ通信接口ＭＣＰ２５１０和ＲＳ．２３２ 串行接口ＭＡＸ３２３２為機(jī)器人在線調(diào)試提供多種下載和調(diào)試接口；液晶顯示 模塊通過系統(tǒng)總線與機(jī)器人主控制系統(tǒng)相連，可通過液晶顯示器了解機(jī)器人 的狀態(tài)，便于程序調(diào)試和為實(shí)驗(yàn)提供直觀的參數(shù)和界面；Ｉｎｔｅｎｅｔ以太網(wǎng)接口
ＲＴＬ８０１９ＡＳ可以為建立多機(jī)器人協(xié)作提供局域網(wǎng)絡(luò)通信接口。 ２．協(xié)調(diào)級(jí)：

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協(xié)調(diào)級(jí)控制系統(tǒng)由８片步行足協(xié)調(diào)控制器ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ組成，控制８ 條步行足，協(xié)調(diào)級(jí)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各足以組合出各種各樣的步態(tài)。一般來說，步態(tài) 的選擇與外界環(huán)境息息相關(guān)，聲納環(huán)傳感器信息處理系統(tǒng)通過一片 Ｍｓｐ４３０Ｆ１４９對(duì)聲納控制器返回的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，他主要是檢測(cè)遠(yuǎn)距 離障礙物以及水下通信等。電子羅盤ＨＭＲ３３００主要用來檢測(cè)機(jī)器人機(jī)體在環(huán) 境中的偏轉(zhuǎn)角度，保證機(jī)器人不能翻倒。三維力傳感器用來檢ＮＩＪ３維上的力反 饋情況。協(xié)調(diào)級(jí)接收來自各傳感器的信息，經(jīng)過處理后用來協(xié)調(diào)各種步態(tài)。
３．執(zhí)行級(jí)

執(zhí)行級(jí)控制系統(tǒng)采用模塊化的方法，由８?jìng)�(gè)步行足驅(qū)動(dòng)模塊和一個(gè)多傳 感器信號(hào)采集模塊構(gòu)成，每一個(gè)步行足驅(qū)動(dòng)模塊包括三個(gè)驅(qū)動(dòng)器：髖關(guān)節(jié)、 膝關(guān)節(jié)和脛關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器；多傳感器信號(hào)采集模塊包括：聲納傳感器、三維力
傳感器和電子羅盤。

整個(gè)控制系統(tǒng)工作過程：上層組織級(jí)的外圍無線數(shù)傳模塊ＳＲＷＫＦ．１０８、 紅外遙控接口、ＣＡＮ通信接口ＭＣＰ２５１０、ＲＳ．２３２接口ＭＡＸ２３２、液晶顯示 模塊和Ｉｎｔｅｎｅｔ以太網(wǎng)接口ＲＴＬ８０１９ＡＳ為機(jī)器人遠(yuǎn)程無線遙控、程序在線調(diào) 試、人機(jī)交互界面、局域網(wǎng)通信接口提供給基本硬件接口；聲納控制器、三 維力傳感器和電子羅盤是機(jī)器人的外圍檢測(cè)模塊，為機(jī)器人工作環(huán)境提供實(shí) 時(shí)參數(shù)，這些參數(shù)不斷的通過協(xié)調(diào)級(jí)處理系統(tǒng)處理后反饋給上層組織級(jí)主控 ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ，主控根據(jù)反饋數(shù)據(jù)發(fā)出相應(yīng)的步態(tài)庫指令，這些指令又通 過協(xié)調(diào)級(jí)的８條步行足的協(xié)調(diào)控制器處理后把指令參數(shù)發(fā)給執(zhí)行級(jí)的各個(gè)關(guān) 節(jié)，這樣機(jī)器人就可以根據(jù)不同的環(huán)境調(diào)整步態(tài)，同時(shí)各傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī) 器人的狀態(tài)和環(huán)境信息，使其能以最優(yōu)、最快的步態(tài)形式行走。

２．４．３多足仿生機(jī)械蟹控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案
新型樣機(jī)執(zhí)行某一行走任務(wù)時(shí)，首先由ＤＳＰ主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)出理想的運(yùn)動(dòng) 軌跡，并將其分解為一系列子運(yùn)動(dòng)發(fā)送給協(xié)調(diào)級(jí)，協(xié)調(diào)級(jí)接收組織級(jí)的任務(wù)， 將單個(gè)子任務(wù)分解為各步行足的運(yùn)動(dòng)，再由單步行足運(yùn)動(dòng)控制模塊將單足運(yùn) 動(dòng)分解為單個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，最終由執(zhí)行級(jí)實(shí)現(xiàn)精確的實(shí)時(shí)位置伺服運(yùn)動(dòng)輸出。 在運(yùn)動(dòng)過程中，協(xié)調(diào)級(jí)根據(jù)傳感器的反饋值調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和方向等控制信息， 協(xié)調(diào)級(jí)不斷修正各關(guān)節(jié)的角度值，消除由于耦合造成的運(yùn)動(dòng)誤差，以快速達(dá)

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文

到步行足邁步運(yùn)動(dòng)。圖２。１５是兩棲多足機(jī)器人三級(jí)分層遞階控制系統(tǒng)軟件框
圖。

圖２．１５分層遞階控制系統(tǒng)軟件框圖

軟件系統(tǒng)的工作過程如下：控制系統(tǒng)在開關(guān)合上后開始工作，首先進(jìn)行 系統(tǒng)初始化和各關(guān)節(jié)位置復(fù)位：初始化后進(jìn)入進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng) 等待控制器中斷指令，當(dāng)無線遙控手柄發(fā)出執(zhí)行動(dòng)作指令后，上層控制器接 收指令信號(hào)，根據(jù)上層主控器傳送的指令和數(shù)據(jù)控制電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，
并根據(jù)反饋的結(jié)果來確定動(dòng)作是否執(zhí)行完畢，然后繼續(xù)等待下一中斷指令。

其間，上層主控器指令需要經(jīng)過通訊中斷判斷程序和通訊中斷子程序后才能 到達(dá)數(shù)據(jù)控制電機(jī)。從通信中斷程序跳出后，先將指令參數(shù)分解為８條步行 足三個(gè)關(guān)節(jié)的參數(shù)，然后執(zhí)行單關(guān)節(jié)位置伺服子程序，此時(shí)，關(guān)節(jié)就會(huì)根據(jù) 關(guān)節(jié)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。在整個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行過程中，可隨時(shí)通過遙控手柄控 制運(yùn)動(dòng)起停、改變運(yùn)動(dòng)指令以及強(qiáng)行返回指令等待狀態(tài)。

２．５兩棲環(huán)境下的水下防腐方案
在前幾型多足仿生機(jī)械蟹的研制中，為了使其具有水下作業(yè)能力，一般
２７

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要為機(jī)械蟹再設(shè)計(jì)一套與其配套的防水外衣，然而防水外衣會(huì)使機(jī)械蟹的靈 活性變差。因此新型樣機(jī)計(jì)劃在選用鋁作為其表層材料的同時(shí)，為其設(shè)計(jì)一 套水下防腐方案，使其在沒有防水外衣的情況下靈活作業(yè)。 鋁作為活性金屬，在海洋環(huán)境中能生成一層致密的氧化膜，這層氧化膜 使鋁鈍化，大大提高鋁的耐蝕性能。但海水中的氯離子，能破壞鋁表面的鈍 化膜，引起材料的點(diǎn)蝕等。鋁及鋁合金在海洋環(huán)境中，通常因局部腐蝕而受 到破壞，主要的局部腐蝕形式有點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕和剝落腐蝕或應(yīng)力腐蝕開裂 等。另外，海洋微生物的附著，更容易加快鋁及鋁合金的腐蝕。因此，對(duì)于

海洋環(huán)境中鋁及鋁合金的防護(hù)顯得尤為重型蛔。
涂層防腐具有品種多，適應(yīng)性廣，施工簡(jiǎn)便，不受被保護(hù)設(shè)備的大小與 形狀的限制，使用方便、比較經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，因此在防腐過程中應(yīng)用極為廣泛。
鋁表面比較光滑，若沒有表面處理，則涂料對(duì)鋁面的附著力低，而且耐腐

蝕性也較低，有時(shí)在漆膜下生成線狀腐蝕。所以鋁面在涂漆前均須經(jīng)適當(dāng)?shù)谋?面處理，最常用的表面處理方法是采用磷化底漆。因?yàn)樵谝话闱闆r下，使用磷 化底漆較為便捷，不需特殊設(shè)備投資，施工簡(jiǎn)便，功效良好，適合我國(guó)一般情
況。在整體方案設(shè)計(jì)中，選用的磷化底漆配方如表２．１和表２．２所示。

該配方是單罐裝磷化底漆，配合后可貯幾個(gè)月，對(duì)鋁面、鋅面適用。使 用時(shí)，將甲組分不斷攪拌下，按質(zhì)量比４：１漸漸將乙組分注入甲組分中，不 可加入太快以免膠結(jié)。此時(shí)兩個(gè)組分之間開始反應(yīng)，必須在８小時(shí)內(nèi)用完。８ 小時(shí)后雖漆液外觀不變，并末膠結(jié)，但漆膜附著力下降，不宜再用。
表２．１甲組分 組分名稱 四鹽基鋅黃 磷酸鉻 滑石粉 聚乙烯醇縮丁醛 乙醇 甲基異丁酮 總計(jì) 含量（克）
４．５９ ４．５９ １．４９ ９．Ｏｇ ５４．５９ １６．１９ ９０．Ｏｇ

哈爾濱Ｔ程大學(xué)碩十學(xué)位論文

表２．２乙組分 組分名稱 磷酸（８５％） 水 乙醇 總計(jì) 含量（克）
１．８９ １．８９ ６．４９ １０．Ｏｇ

磷化底漆的漆膜很薄，一船約８．１０１ａｍ左右，所以單純一道磷化底漆的 防腐蝕能力很弱，必須上罩其他涂層達(dá)一定厚度。環(huán)氧樹脂涂料具有優(yōu)異的

耐蝕性、耐水性和附著性，適用于惡劣的腐蝕環(huán)境，可以提高整個(gè)涂裝系統(tǒng)

的耐久性【６７１。在多足仿生機(jī)械蟹的設(shè)計(jì)中選取的是一種水分散型水性環(huán)氧涂
料的配方如表２．３所示№引。
，

表２．３環(huán)氧一水分散型涂料的配方 名稱 水溶性環(huán)氧樹脂 水 鈦白粉 用量（ｇ）
２７．Ｏ ３０．０ ２０．０ ８．０ ６．Ｏ １ １．０ ０．４ ０．２ ４．２ ０．２ １９．Ｏ ２３．０

質(zhì)量分?jǐn)?shù)（％）
１８．１ ２０．１ １３．４ ５．４ ４．１ ７．４ Ｏ．３ Ｏ．１ ２．８ Ｏ．１ １２．８ １５．４
。

硫酸鋇
重鈣 滑石粉 分散劑 消泡劑 成膜助劑 流平劑 固化劑 水

消泡劑為聚乙二醇脂肪酸酯，分散劑為聚丙烯酸鈉鹽，成膜助劑為２，２，
４一三甲基戊二醇－１，３單異丁酸酯（ＴＥＸＡＮＯＬ），流平劑為水溶性有機(jī)硅油， 固化劑為雙酚Ａ環(huán)氧與胺的加合物。

環(huán)氧一水分散型涂料的制備主要包括以下步驟：高速分散顏填料、逐步加
２９

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各種助劑、加固化劑、涂裝、常溫固化４８小時(shí)。根據(jù)ＧＢｌ７７１．９１對(duì)其進(jìn)行 耐鹽霧性測(cè)試，結(jié)果表明涂層７００小時(shí)無變化。

在環(huán)氧涂料上層再涂覆聚氨酯樹脂中間漆，由于環(huán)氧樹脂涂料和聚氨酯 樹脂涂料的附著力不十分優(yōu)異，所以在這兩層涂料中間插入如聚氨酯樹脂中 間漆，可選擇市場(chǎng)銷售的￥５３．３６聚氨酯云鐵中間漆（雙組份）。面漆采用光澤
比較持久、不富褪色的聚氨酯樹脂涂料，可選擇市場(chǎng)銷售的￥５２．３聚氨酯防

腐面漆（雙組份）。通過對(duì)機(jī)械蟹表面添加防腐圖層，可以使多足仿生機(jī)械蟹
具有較強(qiáng)的適應(yīng)水下作業(yè)的能力。

２．６本章小結(jié)
本章在總結(jié)前四型樣機(jī)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了多足仿生機(jī)械蟹新型樣機(jī) 的總體方案。新型樣機(jī)本著完全模塊化的設(shè)計(jì)思想，提出了采用諧波減速器 設(shè)計(jì)的新型關(guān)節(jié)，通過與前幾型樣機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，新型關(guān)節(jié)具有更高的傳 動(dòng)效率，其傳動(dòng)比大且具有自鎖性，因此通用性強(qiáng)，可適用于各種機(jī)器人。
另外，本關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)目前已經(jīng)申請(qǐng)發(fā)明專利ｍ１。同時(shí)，在機(jī)械本體的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

上，本章又詳細(xì)介紹了新型樣機(jī)的遞階式控制系統(tǒng)總體方案，包括硬件和軟 件方案。最后，本章給出了多足仿生機(jī)械蟹在水下作業(yè)情況下的防腐方法。

３０

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第３章新型多足仿生機(jī)械蟹步態(tài)分析及仿真
３．１新型多足仿生機(jī)械蟹的步態(tài)研究
新型多足仿生機(jī)械蟹的行走是由一系列連續(xù)的邁步動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)的，這些 邁步動(dòng)作就構(gòu)成了所謂機(jī)器人的步態(tài)ｐ０１。步態(tài)一般是指機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中， 機(jī)體抬腿和落腿的順序關(guān)系。通過步態(tài)的定義可以發(fā)現(xiàn)，隨著機(jī)器人足數(shù)的 增加，其步態(tài)種類變得異常繁多，步態(tài)規(guī)劃問題也變得更加復(fù)雜，因此如何 在種類繁多的步態(tài)中選擇最恰當(dāng)?shù)牟綉B(tài)或者根據(jù)具體的情況選擇適合于不同 環(huán)境條件的步態(tài)成為多足步行機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，多年來步態(tài)的 研究并沒有獲得令人振奮的成果，能夠獲得較好行走效果的步態(tài)種類很少， 本文對(duì)近年來提出的步態(tài)類型進(jìn)行了歸納，如表３．１所示。
表３．１多足步行機(jī)器人的步態(tài)種類
步態(tài) 波形步態(tài) 等相位步態(tài)
周

穩(wěn)定性
Ｇｏｏｄ Ｇｏｏｄ Ｆａｉｒ Ｆａｉｒ ＧＯＯｄ／

適應(yīng)性
Ｐｅｒｆｅｃｔ Ｐｅｒｆｅｃｔ

計(jì)算復(fù)雜度
Ｅａｓｙ Ｅａｓｙ Ｅａｓｙ Ｅａｓｙ

能量消耗
Ｎｏｔｅｖｅｎ Ｅｖｅｎ Ｎｏｔｅｖｅｎ Ｅｖｅｎ

電機(jī)平穩(wěn)性
Ｇｏｏｄ Ｇｏｏｄ Ｇｏｏｄ Ｇｏｏｄ

后退波形步態(tài) 期 后退等相位步態(tài) 步 態(tài) 連續(xù)ＦＴＬ步態(tài)

Ｐｅｒｆｅｃｔ Ｐｅｆｆｅｃｔ

Ｆａｉｒ Ｆａｉｒ Ｆａｉｒ／

．

Ｆａｉｒ

Ｅｖｅｎ

Ｇｏｏｄ

靈巧周期步態(tài) 非
周

Ｆａｉｒ Ｒｏｕｇｈ

Ｆａｉｒ

Ｎｏｔ

ｅｖｅｌｌ

Ｇｏｏｄ

不連續(xù)ＦＴＬ步態(tài) 越障步態(tài) 尋找第一立足點(diǎn)

Ｐｅｒｆｅｃｔ Ｆａｉｒ

Ｒｏｕｇｈ
Ｏｂｓｔａｃｌｅ Ｒｏｕｇｈ／

Ｈａｒｄ Ｆａｉｒ

Ｎｏｔｅｖｅｎ Ｎｏｔｅｖｅｎ

Ｐｏｏｒ Ｐｏｏｒ

期 步 態(tài)

Ｐｅｒｌｅｃｔ

步態(tài) 自由步態(tài)
Ｇｏｏｄ

Ｖｅｒｙ ｈａｒｄ Ｏｂｓｔａｃｌｅ Ｒｏｕｇｈ ｈａｒｄ

Ｎｏｔ

ｅｖｅｌｌ

Ｐｏｏｒ

Ｎｏｔｅｖｅｎ

Ｆａｉｒ

在步態(tài)研究中主要包含了以下３個(gè)基本概念：

①懸空相：是指機(jī)器人步行足抬起并離地面的階段，如圖３．１中白色塊

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所代表的就是懸空相。

②支撐相：是指機(jī)器人步行足支撐在地上并推動(dòng)機(jī)體向前運(yùn)動(dòng)的階段，
圖３．１中的黑色塊代表的就是支撐相。

③占地系數(shù)名：機(jī)器人每個(gè)步行足在一個(gè)行走周期內(nèi)接觸地面的時(shí)間與
一個(gè)行走周期的比。
１ ２ ３

腿４

號(hào)５

吃 ＿＿ ６＿＿ｌ
８ Ｉ ２ ３ ４ ５ ６

７＿Ｉ＿ ＿＿＿
圖３．１八足機(jī)器人的步態(tài)軌跡模型圖 對(duì)于一個(gè)四足步行機(jī)器人來說，當(dāng)其占地系數(shù)名小于０．５時(shí)，機(jī)器人在 任意瞬時(shí)只有不足兩條腿支撐于地面，所以機(jī)器人處于跳躍運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)占 地系數(shù)等于０．５時(shí)，機(jī)器人是用兩組腿交替擺動(dòng)，這種四足機(jī)器人的步態(tài)稱 為小跑步態(tài)；而當(dāng)占地系數(shù)等于Ｏ．７５時(shí)，表明機(jī)器人任何時(shí)刻都存在有三條 腿支撐于地面，另一腿向前擺動(dòng)，該步態(tài)俗稱爬行步態(tài)；而當(dāng)占地系數(shù)大于 ０．７５時(shí)，說明機(jī)器人輪番用三條和四條腿支撐，這種步態(tài)是慢爬行。顯然， 當(dāng)占地系數(shù)小于或等于Ｏ．５時(shí)，機(jī)器人屬于動(dòng)態(tài)步行狀態(tài)，而當(dāng)占地系數(shù)大 于或等于Ｏ．７５時(shí)，機(jī)器人處于靜態(tài)穩(wěn)定步行狀態(tài)，因此選擇恰當(dāng)?shù)恼嫉叵禂?shù) 是多足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃的關(guān)鍵內(nèi)容。 步態(tài)的研究是步行機(jī)器人研究的核心問題，主要包括步態(tài)的規(guī)劃和步態(tài) 的生成。步態(tài)的規(guī)劃口ｕ主要是指對(duì)機(jī)器人足尖點(diǎn)在空間中經(jīng)過的軌跡進(jìn)行合 理的規(guī)劃，使該軌跡滿足一定的要求。步態(tài)規(guī)劃主要包括：步態(tài)穩(wěn)定性分析， 直行步態(tài)規(guī)劃與分析，定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)規(guī)劃與分析等。為了使步態(tài)軌跡滿足一 定的要求，首先需要步行足在抬離地面后應(yīng)該不碰到障礙物或是與地面發(fā)生 摩擦，即要求足尖點(diǎn)在抬起時(shí)離地面有一定的高度，但這一高度并不是越大 越好，步行足離地面的高度增大雖然可以提高其越障能力，但同時(shí)其驅(qū)動(dòng)元

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件要做更多的功并且會(huì)增加步行足在空間中所經(jīng)過距離，降低了行走效率。 因此對(duì)足尖點(diǎn)進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，要選擇合適抬起高度，除非在高度方向有障礙物 時(shí)，才選取較大的高度值，否則盡量避免損耗更多的能量。另外，步態(tài)規(guī)劃 過程中還應(yīng)當(dāng)使步行足在運(yùn)動(dòng)的過程中滿足一定的起落條件以及較優(yōu)的步跡
時(shí)間特性和速度、加速度特性等。

步態(tài)生成睜川一般是指確定各條步行足相位變化信息的過程，這些信息包
括各足擺動(dòng)相運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的開始和結(jié)束，支撐相運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的開始和結(jié)束。對(duì)于

步態(tài)生成過程中最重要的一點(diǎn)是保持機(jī)體的穩(wěn)定性。這要求機(jī)器人行走過程 中，必須保證任一時(shí)刻都有足夠的步行足處于支撐相狀態(tài)。對(duì)于多足步行機(jī)
器人來說，通常至少有三條足處于支撐相狀態(tài)。

在八足仿生機(jī)械蟹的步態(tài)研究中，為了確保機(jī)器人在行走過程中保持較 好的穩(wěn)定性，通過模擬真實(shí)螃蟹的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，規(guī)定相鄰步行足不可以同時(shí)處 于擺動(dòng)相狀態(tài)，即騰空狀態(tài)。在這樣的規(guī)定下，機(jī)器人的相鄰足不可能同時(shí) 開始一個(gè)邁步動(dòng)作。而對(duì)于平坦表面上的直線行進(jìn)，如表３．１所示，在眾多
步態(tài)中，波形步態(tài)是效率最高和穩(wěn)定性最好的一種步態(tài)形式，波形步態(tài)可以

在多種動(dòng)物的行走過程中觀察到，目前多足機(jī)器人行走步態(tài)大多數(shù)都以這一 類步態(tài)作為步態(tài)控制器的輸出。對(duì)于八足仿生機(jī)械蟹來說，其波形步態(tài)又稱 為雙四足步態(tài)，由于雙四足步態(tài)是效率和穩(wěn)定性最好的步態(tài)，因此多足仿生 機(jī)械蟹的行走步態(tài)選擇雙四足步態(tài)形式。

３．２新型多足仿生機(jī)械蟹運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
多足仿生機(jī)械蟹運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是機(jī)器人研究的基本內(nèi)容。運(yùn)動(dòng)學(xué)研究主要

包含兩類問�。担玻保赫\(yùn)動(dòng)學(xué)分析和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。前者是在給定機(jī)器人步行
足的關(guān)節(jié)坐標(biāo)值情況下，求解各足尖點(diǎn)或復(fù)合步行足的相應(yīng)位置和形態(tài)，即 運(yùn)動(dòng)學(xué)正解過程；而后者是在足尖點(diǎn)或是復(fù)合步行足的位置和形態(tài)一定的情 況下，計(jì)算步行足各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)坐標(biāo)，即運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解過程。

３．２．１擺動(dòng)步行足運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
１．?dāng)[動(dòng)步行足的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

新型多足仿生機(jī)械蟹的擺動(dòng)步行足（包括普通行走步行足和復(fù)合步行足）

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文

可以看作是具有三個(gè)關(guān)節(jié)的串聯(lián)機(jī)械臂。為了便于分析，通常會(huì)把三關(guān)節(jié)的 復(fù)雜步行足簡(jiǎn)化為由一系列關(guān)節(jié)連接起來的連桿機(jī)構(gòu)形式，從而采用串聯(lián)機(jī) 構(gòu)理論對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。圖３．２為簡(jiǎn)化的擺動(dòng)步行足模型。首先，利用 Ｄ．Ｈ下關(guān)節(jié)設(shè)置法對(duì)多足機(jī)器人步行足每一個(gè)連桿建立獨(dú)立的坐標(biāo)系；而后， 采用齊次變換法描述這些坐標(biāo)系間的相對(duì)位置和姿態(tài)關(guān)系；設(shè)置完成后對(duì)其
進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)正解和反解計(jì)算。

圖３．２多足仿生機(jī)械蟹步行足Ｄ．Ｈ坐標(biāo)系

２．?dāng)[動(dòng)步行足運(yùn)動(dòng)學(xué)正刪５５１
擺動(dòng)步行足運(yùn)動(dòng)學(xué)正解是在已知機(jī)器人軀體的姿態(tài)和處于擺動(dòng)相的各個(gè) 步行足所有關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度的情況下，求解擺動(dòng)步行足的足尖點(diǎn)所處的姿態(tài) 位置。如圖３．２，我們采用下關(guān)節(jié)設(shè)置法來建立多足機(jī)器人擺動(dòng)步行足各關(guān)節(jié) 的坐標(biāo)系，表３．２給出了擺動(dòng)步行足Ｄ．Ｈ坐標(biāo)系參數(shù)。
表３．２擺動(dòng)步行足Ｄ．Ｈ參數(shù)
●

Ｚ

磁一ｌ（ｒａｄ）
Ｏ ｑ＝ｎ＇／２ Ｏ ０

ａ；－Ｉ（ｍｍ）
Ｏ ｑ 口２ 色

只（ｒａｄ）

ａ；（ｍｍ）
Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ

１ ２ ３
４

研 島 島
Ｏ

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按照相對(duì)于Ｄ．Ｈ坐標(biāo)系變換的法則計(jì)算，如式３．１所示為坐標(biāo)系ｆ相對(duì)

于坐標(biāo)系０的變換矩陣為卜７，對(duì)應(yīng)于各干的變換矩陣分別為式３．２～３．４。
ｃｏｓＯｊ

——ｓｉｎＯｉ
ｃｏｓａｆ＿ｉ—ｌ

０

Ｈ罩＝

ｓｉｎｏｉ

ｃｏｓＳｆ ＣＯＳ％一ｌ ｃｏｓ８；ｓｉｎｔｚｉ—ｌ Ｏ

一ｓｍ％一ｌ ＣＯＳ％一ｌ
Ｏ ０ ０

４．呂

ｃｏｓｏｉ ｓｉｎａｉ—ｌ ０

％啦≮

吣 ％％

（３－１）

Ｉ

ｃｏｓｏｌ—ｓｉｎ ａｉ

７ｒ＝Ｉ ｓ％品 ｃ。三ｑ ：三
０ ０ Ｏ ０ —ｌ ０２ ０ Ｏ １

（３－２）

ｃｏｓ８２一ｓｉｎ ０２

ｑ ０ ０

：Ｔ＝

Ｏ ｓｉｎ０２ Ｏ

Ｏ
ＣＯＳ

（３－３）

Ｏ

ｃｏｓ８２一ｓｉｎ島０

ａ２

；Ｔ＝

ｓｉｎ島
Ｏ ０ １

ＣＯＳ島０
０ Ｏ Ｏ ｌ Ｏ Ｏ Ｏ ０ １ ０ 吩Ｏ １ ０ １ Ｏ

０ Ｏ １

（３－４）

；Ｔ＝

Ｏ Ｏ ０

（３－５）

１● ● ● ｊ

則末端相對(duì)于０坐標(biāo)系的變換矩陣為：

汐＝：Ｔ了２：』３。ｚ
ｃｌｃ２ｃ３一ｃｌＪ２島 ｓｌｃ２ｃ３一ＳＩＳ２Ｓ３ Ｊ２ｃ３＋ｃ２邑 ０ 一ｃｌｃ２ｓ３一ｃｌｓ２ｃ３ 一ｓｌｃ２Ｓ３一ＳＩＳ２ｃ３ ｃ２ｃ３一Ｓ２Ｓ３ Ｏ 墨一 Ｃ Ｏ Ｏ

吖
ｑ吩 卜卜

＋

＋ ＋

篡巳邑墨“ 哪印鄧驢

ｒＪ

十

％隅礦。巳 ＋●

嬸

％吶弘 現(xiàn)現(xiàn)如 吃
（３－６）

式中，Ｃ和ｓ分別代表ＣＯＳ和ｓｉｎ。

哈爾溟工程大學(xué)碩士學(xué)位論文

由此得到步行足足端點(diǎn)在基準(zhǔn)坐標(biāo)系中的空間位姿表達(dá)式為ｔ

ｏ昂＝ｏｒ?４弓＝ｏｒｒｏ，ａ３，０，１ｒ＝［只，￡，只，１ｒ

（３—７）

其中，４Ｐ為足端點(diǎn)在第３關(guān)節(jié)固連坐標(biāo)系中的位姿向量。將７代入式（３．７）
中可得步行足的足端點(diǎn)在機(jī)器人軀體固連坐標(biāo)系ｑ—ｘ一】，一ｚ中的坐標(biāo) ０ｐｘ，ｐｙ，ｐ３：

ｌ ｅ＝ｃｌａｌ＋Ｃｌｃ２ａ２＋２島（１乞邑一ｃｌ曼島） ｛ｅ＝ｓＩａｌ＋ｓ，ｃ２ａ２＋弛（ｓｉｃｋｓ，＋ｓｔｓ２ｃｓ） 【￡＝ｓ２ａ．２＋２ａ３－ｓ，ｓ２＋ｃ２ｃ３）
３．?dāng)[動(dòng)步行足運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解嗍 （３—８）

擺動(dòng)步行足運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解過程所要解決的是在己知機(jī)器人軀體的位姿和各 足端的位置矢量的條件下，計(jì)算所有擺動(dòng)步行足各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角等關(guān)節(jié)變量的 問題。運(yùn)動(dòng)學(xué)的逆解主要方法有ｔ代數(shù)法、‘幾何法和數(shù)值解析法。

對(duì)各步行足而言，≯’＝７７＇ｏｒ７為定值，因此可設(shè)
ｎｌ ｏｌ ８ｘ

ｐｘ

≯＝

ｎｙ ｎｚ

ｏｙ ｏ：

ａｙ ｎｚ

ｐ

ｙ

ｐｚ １

＝Ａｐ０４－４２如

（３－９）

Ｏ

Ｏ

０

當(dāng)機(jī)器人步行足的足端位置和姿態(tài)給定時(shí)，式（３．９）中等式左端的矩陣已
知，而等式右端待求的運(yùn)動(dòng)參數(shù)未知，是待解參數(shù)。根據(jù)對(duì)應(yīng)元素相等原則，

等式兩端的矩陣對(duì)應(yīng)元素相等，由此可以得到一組多變量的三角函數(shù)方程組。 與運(yùn)動(dòng)學(xué)正解不同，運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解需要求解一些非線性超越函數(shù)方程。而求解 這類超越方程的方法有：代數(shù)法、幾何法和數(shù)值解析法，即為運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解方
法。這里選用代數(shù)法作為運(yùn)動(dòng)學(xué)的逆變換法。

由４：Ａｓ，＝（彳ＰＤ以。）－１乙，得：
ａｓＣ２Ｃ３＋ａ２ｃ２＝（以一ａ）ｑ＋（一見＋ｃ）ｓｌ （３－１０） （３—１ １） （３—１２）

嗎ｓ２ｃ３＋ａｓｓ２＝Ｐｙ一．６—４
ａ３ｓ３＝（以一ａ）ｓｌ＋（一見＋ｃ）ｃｌ

①髖關(guān)節(jié)角度鼠
由式（３—１０）（３－１１）（３－１２）得：
３６

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文

Ｄ＝（ａ３ｃ３＋ａ２）ｃ２

（３－１３） （３－１４）

式中：，ｚ。代表符號(hào)數(shù)，取值為ｎ。＝±１

②膝關(guān)節(jié)角度島

又由式（３—１０）（３．１１）（３一１２）得：

島＝留＿（一ｎｌ、［（Ｐｘ－ａ）２＋（－Ｐｚ＋ｃ）２－Ｂ２］一伊
Ｓ．＝—ｚ———————一 口３ｃ３＋吒

矽詠１（囂］

（３?１５）

Ｐ。一６一一４

（３—１６）

，．＝√（吃ｃｊ＋口２）２＋（ｐｙ一６一碣）２

（３－１７）

魄。１（字）
式中：ｎ：代表符號(hào)數(shù)，取值為ｎ２＝±１

（３—１８）

⑨脛關(guān)節(jié)角度０３
由式（３—１５）（３—１６）（３－１７）得：

Ｇ：一旦 ２一—２ａ２—ａ３
ｃ３

ｕ。 （３．１９）

州ｎ３Ｘ／４ ２芳２－Ｂ］］
式中：ｎ３代表符號(hào)數(shù)，取值為ｎ３＝±１

ｐ２。，

３．２．２站立步行足的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
多足仿生機(jī)械蟹站立步行足運(yùn)動(dòng)學(xué)正解所要解決的是當(dāng)已知站立步行足 各落足點(diǎn)的位置和落足點(diǎn)微小平面上的法線方向時(shí)，給出所有主動(dòng)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn) 角，即可求得機(jī)器人軀體的姿態(tài)的問題。而站立步行足的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解所要解 決的是在已知各著地步行足落足點(diǎn)的位置和落足點(diǎn)微小平面的法線方向時(shí)，

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文

給定軀體的姿態(tài)，即可求出主動(dòng)輸入各步行足的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角問題。 當(dāng)多足機(jī)器人的兩條或兩條以上的步行足同時(shí)著地時(shí)，機(jī)體與地面構(gòu)成 了一個(gè)具有６個(gè)自由度的空間并聯(lián)多支鏈機(jī)構(gòu)，每條著地步行足代表一個(gè)支 鏈。從雅可比矩陣出發(fā)，以分支鏈為單位，將并聯(lián)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成串聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行 分析：首先，將一條步行足與地面組成的支鏈單獨(dú)取出來，用上關(guān)節(jié)坐標(biāo)法 設(shè)定Ｄ—Ｈ坐標(biāo)系，如圖３．３所示；將其與地面接觸時(shí)所組成的球副轉(zhuǎn)變成３
個(gè)轉(zhuǎn)軸互相垂直的轉(zhuǎn)動(dòng)副。轉(zhuǎn)化過程中坐標(biāo)系３的轉(zhuǎn)軸方向不能與脛關(guān)節(jié)轉(zhuǎn) 軸相交。

圖３．３著地步行足Ｄ．Ｈ坐標(biāo)設(shè)定 按照齊次坐標(biāo)變換法可求得：
ｌ ０ Ｏ ５０ Ｏ Ｏ ｌ

７＝

０ １ Ｏ Ｏ Ｏ ｌ Ｏ ０ Ｏ

（３—２１）

令步行足／的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)變量為ｑ７＝（ｑ７，０／，色７，ｏ／，島７，０６。）Ｔ，其６ｘ６階雅
可比矩陣為歹７，機(jī)體速度向量為Ｖ＝（巧，圪，巧，■，以，ｖ６）Ｔ，則有：
口７＝（Ｊ７）一礦 （３．２２）

令Ⅳ’）～＝（‘’，Ａｊ，以７，Ｊ／，以７，以７）Ｔ，其中‘７為ｌｘ６維矩陣。則步行ｊ『
的第ｆ號(hào)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)變量諺７為：

ｏ／＝正’Ｖ
３８

（３．２３）

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文

機(jī)器人站立時(shí)具有６個(gè)空間自由度，因此在２４個(gè)關(guān)節(jié)中取６個(gè)關(guān)節(jié)

嚷＾，＆矗，吃＾，吃丘，０ｉ５ｊ５，嚷矗為主動(dòng)關(guān)節(jié)，分別代入式（３—２３）ｑｂ，可得站立步行
足的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解方程：
Ｇｙ
＝
，

＝

印葉

∽時(shí) 哆Ⅳ 鏟矗 鏟以 彤ｑ
．“

廣～ Ｖ

ｐ抖

則站立步行足的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解方程為：

Ｖ＝Ｇｑ（６：ｌＪｌ，吃止，吃以，氣Ｊ４，嚷Ｊｓ，０嵋ｊ，）１ ３。３新型多足仿生機(jī)械蟹動(dòng)力學(xué)分析
３．３．１步行足的動(dòng)力學(xué)分析

（３－２５）

多足仿生機(jī)械蟹一般采用橫向行走方式，單腿可以看作兩個(gè)自由度的運(yùn) 動(dòng)，行走過程中８條步行足的２４個(gè)傳動(dòng)關(guān)節(jié)只有各步行足最外端的兩個(gè)關(guān)節(jié) 運(yùn)動(dòng)，而俄關(guān)節(jié)鎖定；當(dāng)進(jìn)行前行或是轉(zhuǎn)彎動(dòng)作時(shí)，靛關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸線與第２、 ３關(guān)節(jié)軸線垂直。假設(shè)關(guān)節(jié)受到垂直向下的力尸，與其所在平面平行，所以Ｐ 對(duì)于髖關(guān)節(jié)施加的負(fù)載扭矩必Ｐ－，的矢量方向與髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸垂直，該扭矩大部 分由髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸承承受。下面以拉格朗日方程建立兩棲多足機(jī)器人行走時(shí) 步行足動(dòng)力學(xué)方程。 假設(shè)步行足前端兩個(gè)桿件的質(zhì)量分別是鉑，ｍ２；桿長(zhǎng)分別是，１，厶；兩 桿的質(zhì)心分別是‘。，Ｃ：；兩桿繞各自質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別是以。，以：；如圖
３．４所示。

圖３．４擺動(dòng)步行足動(dòng)力學(xué)模型

３９

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文

由此可建立方程： （１）首先建立廣義坐標(biāo)：
ｇｌ＝鯤， 仍＝ｇＩ，

】Ｉｌ＝１，
９２＝仍，
１‘２ｌ

２

０，

吼．仍．也．仍如

億ｌ虹＝‘ｌ‘ｃｏｓｑ’ 億１）），＝‘Ｉ‘ｓｉｎ仍ｔ
（２）由上式可導(dǎo)出：

Ｕｍｌ。＝一‘ｌ‘ｓｉｎｑｌ ｑ圳２ｘ＝０ 皈川ｌｙ＝‘ｌ。ｃｏｓｑｌ 職州２ｙ＝ｏ
‘翊，＝‘?ｃｏｓｑｌ＋Ｃ２?ｃｏｓ（ｑ２） 吱，２ｈ＝一，ｌ‘ｓｉｎ（ｑ１）香ｌ一‘２－ｓｉｎ（ｑ２）ｑ２
（３）由式（３—２７）可導(dǎo)出： （３－２６） （３－２７）

Ｉ‰鋤ｌ。＝一‘‘ｓｉｎｑｌ ｆ Ｕ曲２，＝一乞２‘ｓｉｎ（ｑ２）
ｔｒ，㈣１），＝‘‘ｃｏｓｑＩ

（３—２８）

【Ｕ喲２ｙ＝‘２’ｃｏｓ（ｑ２）
（４）由此得出：

Ｊｌｌ＝以ｌ＋聊ｌ‘１２＋聊２（吒２）ｌ。＋ｕ蓋２）ｌｙ）＝以ｌ＋鉑‘１２＋ｍ２‘２
厶＝以２＋聊２丘２２
‘２＝以ｌ＝ｍ２１ｌｌ，２ ｃｏｓ（ｑ２一ｑ１） （５）計(jì)算廣義力，如圖３．５所示步行足的受力分析：
，舊
＝ ＝ ＝

（３—２９）

｜§

債一
∽一

淄

＋

０

蟠 諺●２ 乙‘‘ 淄 孵旃磅 ＋ ｐ啷啵晚 嘲嘲硼

（３—３０）

哈爾濱Ｔ程大學(xué)碩十學(xué)位論文

圖３．５兩棲多足機(jī)器人步行足受力分析

（６）在式（３－３０）ｑｂ分別對(duì)ｇ。，９２求偏導(dǎo)，代入廣義力求解通式：

ｇ＝螞一ｍｊｇｌｊ，ｓｉｎ ａｉ一【Ｅ ｍ＾ｇ＋ＰＬ
得：

ｓｉｎ

ａｉ

（３—３１）

ｊ Ｑｌ＝Ｍ一鉑醇?ｓｍ仍一（聊ｚｇ＋ｐ）‘ｓｍ仍（３－３２）
【Ｑ２＝＾毛一ｍ２釀２ ｓｉｎ夠２一ｐ，２ ｓｉｎ夠２
其中，當(dāng)Ｐ＞０時(shí)可看作在抬起過程中或者由外力施加在腿前端；Ｐ＝０時(shí)可

看作抬起或者落地過程中沒有受到外力；Ｐ＜０時(shí)可看作腿部著地時(shí)或碰倒物
體，即可以看成站立步行足動(dòng)力學(xué)方程。 （７）按拉格朗日方程進(jìn)行計(jì)算：

旦ｄｔ薏一署＝ｇ
ｂ矗ｉ己矗｜ｌ 其中Ｑ，為式（３．３２）ＩⅡｔ式的加和。

、

（３－３２）
’

蕓編

姜巹一三鼉彬＋三鼉費(fèi)

薯摯妒
Ｍ厶＝ｌ￡氧ｌ、３ｑＬ。Ｏｑ肼Ｏｑｔ用肘扎

。。２’

∑Ｎ－１蘭（垃＋盟一監(jiān)）柏工：

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文

分別令Ｊ＝１，Ｊ＝２，帶入式（３－３２）得出Ｑｌ，Ｑ２ 九瘟
２ ｌ ２一

一

１～２ １～２

爵

吼 應(yīng)

ｇ
ｐｏ

以旌；２
式（３．３３）化簡(jiǎn)得：

些抽嘗 留』２ 嘏ａ蛆咄韭兆一嘶，： 墊硇比一ｈ
－

卜

亟¨盟咄 彰 虹兆絲兆

Ｑ

』‘，百?十以２玩＋ｍ２１１１，２ ｓｉｎＯｐｌ一絕）疰２ Ｑ（３－３４）
【以２萄＋以２茸２＋，吃‘乞２ ｓｉｎ（夠２一ｑ＇１）Ｏ；＝０２
３．３．２機(jī)體動(dòng)力學(xué)分析
１．機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型 多足機(jī)器人機(jī)體并聯(lián)機(jī)構(gòu)是由一個(gè)具有８?jìng)�(gè)分支、４８?jìng)�(gè)運(yùn)動(dòng)副的復(fù)雜系 統(tǒng)構(gòu)成的。動(dòng)力學(xué)模型的建立運(yùn)用拉格朗日方程和機(jī)構(gòu)的一、二階運(yùn)動(dòng)影響 系數(shù)導(dǎo)出，對(duì)于整個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)，同樣可以用并聯(lián)機(jī)構(gòu)拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程ｐ引：
、

巧＋譬＋芽＋巧＝０

（３—３５）

式中：Ｚ代表將系統(tǒng)慣性力折算到廣義坐標(biāo)上所得到的力矩
掣代表驅(qū)動(dòng)力矩

砰代表系統(tǒng)外力相對(duì)廣義坐標(biāo)的等效力矩
巧代表彈簧、阻尼等對(duì)廣義坐標(biāo)引起的力矩

利用此動(dòng)力學(xué)方程，在己知運(yùn)動(dòng)時(shí)，可求輸入主動(dòng)力矩巧；當(dāng)已知輸入 力矩刀時(shí)，可求系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。
而系統(tǒng)慣性廣義坐標(biāo)的等效慣性力矩可寫成：

Ｚ＝一百［，’卜口７１［Ｐ‘】口

（３—３６）

式中，，代表廣義慣性功率模型矩陣，ｇ代表廣義坐標(biāo)，［，‘］代表廣義慣性
張量。

多足機(jī)器人每條步行足由多個(gè)連桿構(gòu)成，步行足末端的連桿與地接觸時(shí) 采用球鉸方式聯(lián)接。機(jī)器人行走過程可描述為“抬腿一擺腿一落腿＂三個(gè)組合 運(yùn)動(dòng)形式，在每個(gè)不同的運(yùn)動(dòng)階段，動(dòng)力學(xué)模型可以表達(dá)為如下形式： 互＝ｈｉ（Ｏ，）Ｏｉ＋Ｅ（夠，夠），（ｆ＝１，２，…，ｇ）
（３－３７）

式中，ｇ為步行運(yùn)動(dòng)序列中的廣義變量數(shù)目，紅為機(jī)器人的ｑｘｑ階慣量矩陣，

哈爾濱丁程大學(xué)碩士學(xué)位論文

Ｅ為ｇ維包含哥氏力、向心力和重力的向量，瓦是ｇ維廣義關(guān)節(jié)力矩向量。
由此可得，在每個(gè)不同的運(yùn)動(dòng)階段，多足機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型可以表達(dá)為： ｆ＝ｈ（ｅ）Ｏ＋ｎ（ｏ，Ｄ （３—３８）

式中：ｈ＝ｄｉａｇ（啊吃…吃） 臼＝（Ｂ 島…包）２

Ｈ＝（日ｌ皿…見）１
通過如上所述的機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析，建立詳盡的多足仿生機(jī)械蟹動(dòng)力學(xué)

分析模型，為以后機(jī)器人路徑規(guī)劃研究、機(jī)器人腳力規(guī)劃研究以及驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)
的控制研究提供了研究基礎(chǔ)唧１。 ２．慣性力和驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算

當(dāng)多足機(jī)器人的兩只以上步行足著地時(shí)，機(jī)體可以看成是具有６個(gè)自由 度的多支路空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)，６個(gè)自由度的并聯(lián)多支路空間機(jī)構(gòu)的慣性力計(jì)算
涉及到所有構(gòu)件的加速度的計(jì)算和一階、二階影響系數(shù)矩陣的計(jì)算。本文引 用文獻(xiàn)［５５］中計(jì)算中央機(jī)體的加速度結(jié)果：

如＝引鐘Ｉ口＋鱷口
于是可得處于并聯(lián)分支中的任一構(gòu)件ｋ的加速度： ４＝口ｒ

（３—３９）

ｌ磷Ｉ香＋嘭口：

（３－４０）

式中，口和百分別代表６個(gè)廣義坐標(biāo)ｇ對(duì)時(shí)間的一階（角速度）和二階（角加速度） 導(dǎo)數(shù)；［Ｇ】和［日】分別代表相應(yīng)構(gòu)件對(duì)廣義坐標(biāo)的一階和二階響應(yīng)系數(shù)。 軀體及任意分支，中的第ｋ桿的６維慣性力矢可用式（３．４１）和（３．４２）求出：

［％】７’［砭］【吼］ Ｆｊ－－－Ｅｚ：，］．．－
［０】
（３４１）

［敗】ｒ［屹］【嗥］１ｐ’ ∥＝＿［圪］吒一

ｔ南

ｊ

。４２’

式中，［ｒ］為構(gòu)件關(guān)于原點(diǎn)為ｃ且與固定參考系平行的坐標(biāo)系的３階慣量矩 陣；【ｒ】為６階慣量矩陣。
作用于機(jī)體上平臺(tái)的６維力矢量可轉(zhuǎn)化為６個(gè)選定的主動(dòng)副的軸上的等

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文

效力矩，可以用對(duì)應(yīng)的一階影響系數(shù)作為乘子得到：

彳＝［《］１日
軀體對(duì)６個(gè)廣義坐標(biāo)的６ｘ６一階影響系數(shù)矩陣。

（３－４３）

式中，彳為機(jī)體上的６維作用力對(duì)６個(gè)廣義坐標(biāo)的等效力矩列矢；［砰】為
若在分支，．中的第Ｋ個(gè)構(gòu)件上，６維慣性力為Ｅｐ），該構(gòu)件對(duì)６個(gè)廣義

坐標(biāo)的一階影響系數(shù)矩陣為［《】，則６維力矢量疋對(duì)廣義坐標(biāo)的等效力矩：

彳＝［嘭ｒ掣（３－４４）
整個(gè)機(jī)構(gòu)包括機(jī)體和所有關(guān)節(jié)，慣性力和外力對(duì)輸入件的總等效力矩為：

巧＝∑∑彳ｐ’＋彳
ｒ－－Ｉ Ｘ＝ｌ

（３－４５）

式中，ｍ為一條步行足上的關(guān)節(jié)數(shù)；ｎ為著地步行足數(shù)。 作用在軀體上的６維外力及外力矩為Ｒ．，而作用在軀體上的廣義外力

為ｒｇ’＝［鱷】ｒＢ．。作用于第，．條腿上的第ｋ個(gè)關(guān)節(jié)的６維外力及外力矩為
硝），則作用在第ｒ條腿上第ｋ個(gè)腿節(jié)上的廣義外力為：

彳Ｖ）－［嘭ｒ’磚’（３－４６）
彳＝∑∑彳＂’＋彳’（３－４７）
ｒ＝ｌ Ｋ＝ｌ

由達(dá)朗伯原理所有外力包括驅(qū)動(dòng)力及慣性力處于平衡狀態(tài)，其動(dòng)力學(xué)方
程為：

巧＋彳，ｒＪ＝０
這樣可求出加在６個(gè)輸出軸上的驅(qū)動(dòng)力矩：

（３—４８）

巧＝一∑∑［嘭Ｐ’（最７’＋硝’）－ｔｃ：］ｒ（乓＋日．）
３．４新型多足仿生機(jī)械蟹運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真
’

（３－４９）

３．４．１仿真軟件的選擇
１．機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件ＡＤＡＭＳ

ＡＤＡＭＳ仿真軟件是一種虛擬樣機(jī)軟件，此軟件具有強(qiáng)大的動(dòng)力學(xué)仿真 和后處理功能。它的特點(diǎn)主要有瞄叼： （１）可創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)、

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力學(xué)理論中的拉格郎日方程方法； （２）可建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力 學(xué)分析，并輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線； （３）ＡＤＡＭＳ軟件的仿真可用于預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢 測(cè)、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等。 而其缺點(diǎn)主要是無法創(chuàng)建復(fù)雜的幾何模型，會(huì)導(dǎo)致仿真結(jié)果不準(zhǔn)確。 ２．機(jī)械控制系統(tǒng)仿真軟件Ｍａｔｌａｂ Ｍａｔｌａｂ是基于矩陣計(jì)算的工程開發(fā)和設(shè)計(jì)的有力軟件，其Ｍａｔｈｗｏｒｋ吸 收了像ｍａｐｌｅ等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使Ｍａｔｌａｂ成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算軟件，同時(shí) 具有很強(qiáng)的開放性。Ｓｉｍｕｌｉｎｋ是建立在Ｍａｔｌａｂ基礎(chǔ)上的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具。 其仿真功能可用來對(duì)系統(tǒng)建模、分析和仿真各種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)（包括連續(xù)系統(tǒng)、離 散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)）的交互環(huán)境；同時(shí)Ｓｉｍｕｌｉｎｋ還集成Ｓｔａｔｅｆｌｏｗ，可用來建 模、仿真復(fù)雜事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的邏輯行為；總體來看，Ｓｉｍｕｌｉｎｋ具有如下特點(diǎn)： （１）是一種強(qiáng)大的建模工具：具有完整的功能模塊庫，可用于建立單入單 出、多入多出、線性、非線性、離散、連續(xù)、混雜及多速率系統(tǒng)； （２）是一種開放性的軟件平臺(tái)：用戶可以建立自己的功能模塊庫，并加入 到Ｓｉｍｕｌｉｎｋ瀏覽器中； （３）是一種有效的仿真和分析工具：可交互仿真，即時(shí)調(diào)參和顯示結(jié)果； 可根據(jù)不同的系統(tǒng)設(shè)置不同積分方法（固定步長(zhǎng)、變步長(zhǎng)、剛性系統(tǒng)）； 而其缺點(diǎn)主要是無法模擬實(shí)際的機(jī)械模型。 總結(jié)三種軟件的特點(diǎn)，本著取長(zhǎng)補(bǔ)短的原則，在多足仿生機(jī)械蟹研究中 利用這三種軟件對(duì)機(jī)器人的步態(tài)軌跡及運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了仿真。通過仿真結(jié)果對(duì) 機(jī)器人的步態(tài)進(jìn)行規(guī)劃，同時(shí)對(duì)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

３．４．２基于ＡＤＡＭＳ的運(yùn)動(dòng)學(xué)／動(dòng)力學(xué)仿真
１．仿真參數(shù)設(shè)定 （１）接觸應(yīng)力選擇 在進(jìn)行ＡＤＡＭＳ動(dòng)力學(xué)／運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真之前，需要建立虛擬地面環(huán)境，同時(shí) 還需要定義機(jī)體與地面接觸部分的接觸應(yīng)力。在采用ＡＤＡＭＳ做動(dòng)力學(xué)仿真 時(shí)接觸應(yīng)力一般可以模擬真實(shí)地面情況，提供兩個(gè)或多個(gè)物體接觸參數(shù)、剛

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度、變形度等情況。應(yīng)力設(shè)定的主要操作過程是””：

①首先，打開ＡＤＡＭＳ的工具菜單（圖３．６）；
②選擇Ｃｏｎｔａｃｔ，同時(shí)依次選擇地面和個(gè)支撐足； ③接下來定義如圖３．７所示的接觸參數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況參數(shù)設(shè)置需進(jìn)行
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圈３．６ＡＤＡＭＳ工具菜單

圖３．７ Ｃｏｎｔａｃｔ對(duì)話框

（２）運(yùn)動(dòng)函數(shù)選擇 在ＡＤＡＭＳ中包含許多種運(yùn)動(dòng)函數(shù)，比較普遍的有ＳＴＥＰ函數(shù)和 ＳＰＬＩＮＥ（樣條曲線）兩個(gè)函數(shù)，為了在接下來試驗(yàn)中對(duì)雙四足態(tài)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿 真，我們首先將規(guī)劃后的單腿運(yùn)動(dòng)軌跡曲線添加到樣條函數(shù)ＳＰＬＩＮＥ中，如 圖３．８（ａ）Ｃｏ）分別為Ｘ和Ｙ方向的軌跡曲線。 由此設(shè)定的函數(shù)曲線加載到足尖點(diǎn)上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，可得點(diǎn)的軌跡和 添加的樣條曲線相一致，足尖點(diǎn)的軌跡如圖３．９所示。

通過ＡＤＡＭＳ后處理功能可求得２個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角情況，如圖３．１０所示，
２個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角晟大值分別是３１度和２９度。由此完成了運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解過程。

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（ａ）ｘ方向曲線 Ｃｏ）Ｙ方向曲線 圖３．８單腿運(yùn)動(dòng)軌跡曲線

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（ａ）上關(guān)節(jié)角度變化曲線 （ｂ）下關(guān)節(jié)角度變化曲線 圖３．１０兩關(guān)節(jié)角度變化曲線 在整機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)中還可以通過ＳＴＥＰ函數(shù)給定電機(jī)各關(guān)節(jié)角度變化值， 即通過運(yùn)動(dòng)學(xué)正解的方法得到末端曲線軌跡，通過ＳＴＥＰ函數(shù)可以方便的建 立循環(huán)，也可以通過ＩＦ函數(shù)嵌套樣條曲線的方式實(shí)現(xiàn)刪，但是在ＡＤＡＭＳ中 過多的使用ＩＦ函數(shù)會(huì)導(dǎo)致求解器出錯(cuò)，因此最終選擇ＳＴＥＰ函數(shù)，將ＳＴＥＰ 函數(shù)加載到各個(gè)關(guān)節(jié)的ＭＯＴＩＯＮ上進(jìn)行仿真，這種方法適合于施加循環(huán)參 數(shù)，方針過程比較穩(wěn)定。

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圖３．９足尖點(diǎn)軌跡

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具體的函數(shù)為： （１）１、４、６、７號(hào)腿的函數(shù)為：

０…５

ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，０，０，１，一０ ３）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１，０，２，０ ３）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，４ｔ
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３）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，５，０，６－０．３）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，８，０，９，－Ｏ ３）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，

９，０，１０，０．３）

（２）２、３、５、８號(hào)腿的函數(shù)為：
ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１，０，２，－０．３）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，２，０，４，０．６＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，４
５，

０，５．５，－０．６１＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，６，０，８，Ｏ．６）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，８．５，０，９．５，
一０

６）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，

１０，０，１２，０．６１

２．機(jī)器人越障運(yùn)動(dòng)的虛擬樣機(jī)實(shí)現(xiàn) 利用ＡＤＡＭＳ軟件對(duì)采用雙四足行走步態(tài)的機(jī)器人進(jìn)行較矮障礙物行走 仿真。仿真過程中選擇臺(tái)階高度為７０ｍｍ，電機(jī)方程和３．３ １中所介紹的一樣。
仿真時(shí)間為２０秒。 圖３ １１的四圖詳細(xì)描述了在ＡＤＡＭＳ中機(jī)器人的越障行走情況。由于仿

真過程中截取的是平視圖像，因此當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)于雙四足步態(tài)時(shí)，圖示中所 示的每一個(gè)步行足則代表一組（兩個(gè)步行足）擺動(dòng)步行足或站宣步行足，總體 建模為８足機(jī)器人。

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圖３ １１兩棲多足機(jī)器人橫向越障實(shí)驗(yàn)

為了分析機(jī)體在不同障礙物高度情況下各關(guān)節(jié)的力矩情況，仿真過程中 分別采用高ｌ～７ｃｍ，長(zhǎng)９０ｃｍ的臺(tái)階進(jìn)行了機(jī)器人越障仿真，獲得機(jī)器人８ 條步行足各關(guān)節(jié)的力矩變化曲線，如圖３．１２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）（０（ｇ）（１１）所示。圖３．１３ 則給出了機(jī)器人重心沿ｘ和ｚ方向的變化曲線。

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（ａ）右１、４步行足脛關(guān)節(jié)

（ｂ）右ｌ、４步行足膝關(guān)節(jié)

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（ａ）機(jī)器人重心沿Ｚ軸變化曲線

（ｃ）右２、３步行足脛關(guān)節(jié)

（ｄ）右２、３步行足膝關(guān)節(jié)

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ｍ左１、４步行足膝關(guān)節(jié)

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（ｇ）左２、３步行足脛關(guān)節(jié)

（ｈ）左２、３步行足膝關(guān)節(jié)

圖３ １２機(jī)器人８條步行足力矩變化曲線

Ｃｏ）機(jī)器人重心沿Ｘ軸變化曲線

圖３１３機(jī)器人重心變化曲線

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實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：從上面的仿真結(jié)果可以看出，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)，其機(jī)體自 身重心變化比較頻繁，這在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)直接影響機(jī)體的穩(wěn)定性，并且 在仿真過程中，力矩存在突增情況，特別是在機(jī)體跨上障礙物和離開障礙的 時(shí)刻，因此在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)步態(tài)規(guī)劃的過程中，應(yīng)盡量?jī)?yōu)化其運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)可 引入傳感器，使機(jī)器人可以意識(shí)到障礙物的存在，提前做好步態(tài)轉(zhuǎn)換準(zhǔn)各， 這樣更有利于系統(tǒng)穩(wěn)定地工作。 ３．機(jī)器人上坡、下坡運(yùn)動(dòng)的虛擬樣機(jī)實(shí)現(xiàn)

圖３ １４中的四幅圖詳細(xì)描述了機(jī)器人采用雙四足步態(tài)的爬坡行走情況。

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圖３ １４兩棲多足機(jī)器人爬坡過程模擬實(shí)驗(yàn)

（１）仿真過程中，選擇爬坡角度１５度，仿真時(shí)間為４０秒情況下，各關(guān)節(jié) 受力矩情況如圖３１５所示

（ａ）右１、４步行足膝關(guān)節(jié)

（ｂ）右１、４步行足脛關(guān)節(jié)

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（ｃ）右２、３步行足膝關(guān)節(jié) （ｄ）右２、３步行足脛關(guān)節(jié) （ｅ）左２、３步行足脛關(guān)節(jié)
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（Ｄ左２、３步行足膝關(guān)節(jié)

（曲左Ｉ、４步行足膝關(guān)節(jié)

（１１）左１、４步行足脛關(guān)節(jié)

圖３．１５機(jī)器人８只步行足膝、脛關(guān)節(jié)承受力矩變化曲線 （２）仿真過程中，選擇參數(shù)為下坡角度１５度，仿真時(shí)間為３０秒時(shí)，各關(guān) 節(jié)受力矩情況如圖３ １６所示。

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（ａ）右１、４步行足膝關(guān)節(jié) （ｂ）右１、４步行足脛關(guān)節(jié)

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ｆｃｌ右２、３步行足膝關(guān)節(jié)

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（ｄ）右２、３步行足脛關(guān)節(jié)

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ｅ）左２、３步行足脛關(guān)節(jié) （Ｄ左２、３步行足膝關(guān)節(jié) （ｇ）左１、４步行足膝關(guān)節(jié)

∞左１、４步行足脛關(guān)節(jié)

圖３．１６機(jī)器人８只步行足膝、脛關(guān)節(jié)承受力矩變化曲線 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析；從上面的仿真結(jié)果可以看出，在前半部分（機(jī)器人在水平 路面運(yùn)動(dòng)）曲線比較平穩(wěn)，而當(dāng)機(jī)器人處于上坡和者下坡階段時(shí)，各關(guān)節(jié)力矩 值陡增，有些最大值甚至超過了輸出最大扭矩的范圍，這樣在實(shí)機(jī)測(cè)試過程 中很有可能出現(xiàn)電機(jī)因?yàn)橥蝗坏牧刈兓l(fā)生損壞的現(xiàn)象。同時(shí)，仿真也 間接證明了機(jī)器人在平地與坡路之間運(yùn)動(dòng)時(shí)需要增加一種轉(zhuǎn)換步態(tài)，即在不 同的路面情況下機(jī)器人應(yīng)該具有過渡步態(tài)，通過過渡步態(tài)的調(diào)整完成平穩(wěn)的 運(yùn)動(dòng)過程。 ４．機(jī)器人與障礙物碰撞的虛擬樣機(jī)實(shí)現(xiàn)
圖３ １７中的四幅圖詳細(xì)描述了機(jī)器人在碰撞障礙物情況下的運(yùn)動(dòng)情況。

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圖３．１８左１腿受力曲線

圖３１９左３腿受力曲線

再次運(yùn)動(dòng)情況下，各關(guān)節(jié)力矩情況如圖３ ２０所示： 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：從上面的仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)機(jī)器人碰到障礙物后， 電機(jī)扭矩持續(xù)保持在３Ｎｍ和４Ｎｍ之間，這一點(diǎn)符合設(shè)計(jì)的要求，但是足尖 點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的受力值保持在６０Ｎ左右，最大值達(dá)可能到７０Ｎ，這在實(shí)際中對(duì)機(jī) 械結(jié)構(gòu)存在一定的破化性。通過采集這組數(shù)據(jù)，可以利用三維力傳感器來控 制碰撞力的大小，當(dāng)碰撞力大于某一指定值后，機(jī)器人可自動(dòng)調(diào)用其他步態(tài) 指令，例如調(diào)用繞行步態(tài)，讓機(jī)器人繞過障礙物后繼續(xù)行走。

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（ｃ）左１、４步行足脛關(guān)節(jié)

（ｄ）左１、４步行足膝關(guān)節(jié)

圖３．２０機(jī)器人各腿的力矩曲線
３

４．３基于Ｍａｔ ａｂ／ＡＤＡＭＳ的聯(lián)合建模仿真

１．聯(lián)合仿真的意義”” 通過３．４ １節(jié)對(duì)各種軟件的分析我們得出：?jiǎn)为?dú)用兩種軟件中的一種軟

件來完成接近真實(shí)的虛擬樣機(jī)仿真是不可行的，但是我們可通過聯(lián)合使用兩 種軟件來有效利用不同軟件的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行虛擬樣機(jī)仿真，即先利用Ｐｒｏ／Ｅ對(duì)多 足機(jī)器人進(jìn)行整體模型，然后在ＡＤＡＭＳ軟件上，應(yīng)用Ｐｒｏ／Ｅ已經(jīng)建好的模 型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)／動(dòng)力學(xué)仿真，最后應(yīng)用ＡＤＡＭＳ和Ｍａｔｌａｂ兩個(gè)軟件進(jìn)行聯(lián)合 仿真，實(shí)現(xiàn)ＰＩＤ的控制調(diào)節(jié)等操作。 利用ＡＤＡＭＳ和Ｍａｔｌａｂ兩個(gè)強(qiáng)大的軟件工具進(jìn)行聯(lián)合仿真，可以大大提 高設(shè)計(jì)效率，縮短開放周期，降低開發(fā)成本，獲得優(yōu)化的機(jī)電一體化系統(tǒng)整 體性能，正確快速地解決單一仿真中遇到的種種問題，達(dá)到事半功倍的效果。 聯(lián)合仿真可以實(shí)現(xiàn)的功能主要有以下幾點(diǎn)： （１）將復(fù)雜的控制部分和機(jī)械系統(tǒng)樣機(jī)模型結(jié)合在一起，在兩個(gè)軟件的窗 口中同時(shí)進(jìn)行仿真； （２）直接利用Ｍａｔｌａｂ的優(yōu)勢(shì)建立電機(jī)模型唧’，用ＡＤＡＭＳ的優(yōu)勢(shì)建立各種 仿真條件（如摩擦力、接觸應(yīng)力、行走路面等）使仿真結(jié)果更趨近于真實(shí)環(huán)境；

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（３）可以更好的分析從環(huán)境中獲得的機(jī)電聯(lián)合仿真結(jié)果。

２．聯(lián)合仿真求解的基本步驟 為了保證聯(lián)合仿真的順利完成，在聯(lián)合仿真之前必須完成以下幾個(gè)步驟： （１）通過Ｐｒｏ／Ｅ將模型導(dǎo)入ＡＤＡＭＳ中：仿真中所使用的建模軟件是Ｐｒｏ／Ｅ
３．Ｏ和ＡＤＡＭＳ ２００５，接口軟件選用ＡＤＡＭＳ的專用接口模塊Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ／Ｐｒｏ，

它可以和Ｐｒｏ／Ｅ實(shí)現(xiàn)無縫聯(lián)結(jié)。導(dǎo)入過程在文獻(xiàn)［６１］中已經(jīng)詳細(xì)說明。

（２）確定ＡＤ』蝴Ｓ中的輸入變量和輸出變量：多體動(dòng)力學(xué)軟件ＡＤＡＭＳ提
供了Ｃｏｎｔｒｏｌｓ模塊，利用ＡＤＡＭＳ中的Ｃｏｎｔｒｏｌｓ模塊可以將機(jī)械系統(tǒng)仿真分
析工具同控制設(shè)計(jì)仿真軟件有機(jī)結(jié)合起來，將復(fù)雜的控制添加到機(jī)械系統(tǒng)樣 機(jī)模型中，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合分析。對(duì)于控制系統(tǒng)，直接將采用Ｐｒｏ／Ｅ導(dǎo)

入到ＡＤＡＭＳ的仿真模型作為控制系統(tǒng)的機(jī)械模型，而無需要使用數(shù)學(xué)公式
重新建模。

（３）構(gòu)造控制系統(tǒng)方框圖：確定采用，Ｍａｔｌａｂ軟件作為控制系統(tǒng)軟件，應(yīng)
用其中的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模塊搭建系統(tǒng)控制框圖。 （４）聯(lián)合仿真分析：最后對(duì)建立的機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合分析，得

出仿真曲線進(jìn)行下一步分析。

３．ＡＤＡＭＳ的輸入和輸出設(shè)定
下面以多足仿生機(jī)械蟹新型樣機(jī)的一條步行足為例介紹確定ＡＤＡＭＳ輸 入和輸出參數(shù)的方法。在此假定系統(tǒng)的輸入為電機(jī)的角度值，輸出的扭矩和
轉(zhuǎn)速。

（１）創(chuàng)建狀態(tài)變量

將Ｐｒｏ／Ｅ中的三維模型轉(zhuǎn)入ＡＤＡＭＳ中，如圖３．２１所示，同時(shí)添加各種
約束項(xiàng)。在Ｂｕｉｌｄ菜單下，選擇系統(tǒng)變量（Ｓｙｓｔｅｍ Ｖａｒｉａｂｌｅ）項(xiàng)，再選擇Ｓｔａｔｅ
Ｖａｒｉａｂｌｅ，最后選擇Ｎｅｗ命令，先建立輸入變量，例如選擇系統(tǒng)變量項(xiàng)，再
選擇Ｓｔａｔｅ Ｖａｒｉａｂｌｅ，選擇Ｎｅｗ命令，然后添加變量名稱ｓｆｏｒｃｅ，其中變量值 不需要給出，填好以后如圖３．２２所示。然后建立輸出變量，下關(guān)節(jié)角度ａｎｇｌｅ，

這里設(shè)定輸入末端關(guān)節(jié)的角度，方法同樣也是通過Ｂｕｉｌｄ菜單，在Ｆ（ｔｉｍｅ，．．．）

點(diǎn)一，在彈出的對(duì)話框Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｂｕｉｌｄｅｒ中將對(duì)角度的測(cè)量加入后單擊ＯＫ鍵
完成變量的設(shè)置。

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圖３ ２１導(dǎo)八的模型

圖３ ２２系統(tǒng)變量設(shè)置圖

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（２）定義ＡＤＡＭＳ的輸入到Ｍａｔｌａｂ的對(duì)話框 選擇Ｃｏｎｔｒｏｌｓ下的Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ然后點(diǎn)擊Ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｍｐｏｒｔ，在彈

出的對(duì)話框中定義ＰｌａｎｔＯｕｔｐｕｔ和ＰｌａｎｔＩｍｐｏｔ后點(diǎn)擊ＯＫ鍵。 最后在Ｃｏｎｔｒｏｌｓ下選擇Ｐｌａｎｔ Ｅｘｐｏｒｔ，將上面設(shè)定的輸入和輸出寫入對(duì)話
框，定義Ｆｉｌｅ ｐｒｅｆｉｘ（文件名稱）為ｅｘｍｐｌｅ，Ｃｏｎｔｒｏｌ ｐａｋａｇｅ中選擇Ｍａｔｌａｂ，到

此為止就完成了ＡＤＡＭＳ生成Ｍａｔｌａｂ程序的過成。 ４．Ｍａｔｌａｂ構(gòu)造控制系統(tǒng)方框圖 利用Ｍａｔｌａｂ軟件Ｓｉｍｕｆｉｎｋ模塊搭建系統(tǒng)的仿真框圖步驟如下： （１）導(dǎo)入ＡＤＡＭＳ文件：在Ｍａｔｌａｂ工作空間中設(shè)置工作目錄為ＡＤＡＭＳ
生成的目錄地址：

（２）在Ｍａｔｌａｂ工作空間中輸入＋ｍ文件名稱，如ｅｘｍｐｌｅ，此時(shí)會(huì)將Ｍａｔｌａｂ 所需要的各種變量，輸入輸出值都導(dǎo)入工作空間； （３）調(diào)入Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型：在工作空間中輸ｊｘ ＡＤＡＭｓ－ｓｙｓ，彈出如圖３．２３所
示的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ窗口。

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圖３．２３導(dǎo)入ＭＡＴＬＡＢ中的ＡＤＡＭＳ模塊 窗口中的ＡＤＡＭＳ ｓｕｂ就是仿真需要的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ框圖，雙擊打開

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ＡＤＡＭＳ ｓｕｂ，如圖３

２４所示，選擇ＡＤＡＭＳ

Ｐｌａｎｔ。

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Ｌ／’Ｌ竺竺＝＝Ｊ

圖３．２４ ＡＤＡＭＳ ｓｕｂ模塊的子系統(tǒng)

ｌａａｍｅｓ為ｍｙｅｘｍｐｌｅ，仿真結(jié)束后這個(gè)數(shù)據(jù)將用于 ｉｎｔｅｒｖａｌ中設(shè)置仿真交互時(shí)間間隔，設(shè)定

ＡＤＡＭＳ的后處理，Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ

為０１，其中Ａｎｉｍａｉｏｎｍｏｄｅ選項(xiàng)中選擇ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ，這樣在仿真過程中會(huì)自

動(dòng)開啟ＡＤＡＭＳ窗口顯示仿真過程，如不需要顯示仿真過程，此選項(xiàng)可選擇
ｂａｔｃｈ。

（４）在Ｍａｔｌａｂ中選擇Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ巾的Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，將最大步 長(zhǎng)ｆＭａｘ
ｓｔｅｐ

ｓｉｚｅ）㈣０．１與仿真交互時(shí)間間隔一致，至此就完成了ＡＤＡＭＳ
額定電壓：１２Ｖ
ｒｐｍ ｒｐｍ ４Ａ

導(dǎo)入Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的過程，為下一步聯(lián)合仿真打下了基礎(chǔ)。
５聯(lián)合仿真試驗(yàn)

電機(jī)參數(shù)如下：
電機(jī)型號(hào)：２３４２０１２ＣＲ 功率：１７ｗ

空載轉(zhuǎn)速：７０００
極限轉(zhuǎn)速：８１００

轉(zhuǎn)矩可達(dá)：１６ｍＮｍ 堵轉(zhuǎn)輸出扭矩：８０ ｍＮｍ
空載電流：７５ｍＡ

啟動(dòng)電流（峰值）：Ｉ 電樞電阻：Ｉ ９歐姆

減速器型號(hào)：ＣＳＦ—ｌｉ－１００—２Ａ—ＧＲ 減速ＬＬｎ：１００：１ 極限輸出扭矩：８．９
ＭＲ編碼器： 單圈信號(hào)輸出數(shù)：１２
ＣＰＰ Ｎｍ

持續(xù)扭矩：５Ｎｍ

信號(hào)極限頻率：７．２

ｋＨｚ

如圖３．２５所示，搭建速度閉環(huán)單關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)，其中ＰＩＤ和電機(jī)模型封

裝在ｖｅｌｃｏｃｉｔｙ—ｌｏｏｐ模塊中，如同３．２６所示，電機(jī)參數(shù)給定如圖３．２７所示。

國(guó)國(guó)國(guó)

觳Ｓｃｏｐｅ

鞘

咖

圖３ ２５速度閉環(huán)控制框圖

圖３ ２６ＰＩＤ與電機(jī)模型

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仿真結(jié)果如圖３．２８所示，在仿真中，Ｋ／取值６００，即取值０．５，ＫＤ取
值０．００３。同過輸入和輸出曲線對(duì)比看出，在０．１秒達(dá)到峰值，通過Ｏ．１秒的

調(diào)整，到達(dá)１５ｒａｄ／ｓ，超調(diào)量在５％以內(nèi)，結(jié)果較好。 隨后在ＡＤＡＭＳ中通過Ｃｏｎｔｒｏｌｓ模塊搭建與圖３．２５一致的框圖，隨后通 過后處理測(cè)得角度曲線和角速度變化曲線如圖３．２９所示，結(jié)果基本與由
Ｍａｔｌａｂ獲得的仿真的結(jié)果一致，由此驗(yàn)證了Ｍａｔｌａｂ仿真結(jié)果的正確性。

圖３．２９角度變化曲線和角速度變化曲線

３．５本章小結(jié)
本章通過對(duì)多足仿生機(jī)械蟹步態(tài)的研究最終確定多足仿生機(jī)器蟹采用雙 四足步態(tài)作為其行走步態(tài)方案，在分析雙四足步態(tài)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)進(jìn)行了擺動(dòng)步 行足和落地步行足的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。通過動(dòng)力學(xué)仿真軟件ＡＤＡＭＳ對(duì)虛擬樣機(jī) 在遇到坡路和障礙物等情況進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，在運(yùn)動(dòng)環(huán)境發(fā)生變 化時(shí)，亟需各種過渡的步態(tài)。通過仿真所獲得的數(shù)據(jù)對(duì)下一步的研究指引了 方向，值得注意的是仿真參數(shù)中碰撞參數(shù)的確定是很困難的，靜態(tài)系統(tǒng)的還 可以用赫茲定律等來確定，而動(dòng)態(tài)的比較困難，同一材料在不同的速度下的 碰撞參數(shù)也是不同的，目前還不能從理論上取得滿意的結(jié)果，因此以后要通 過實(shí)際的試驗(yàn)來檢驗(yàn)。最后通過Ｍａｔｌａｂ和ＡＤＡＭＳ聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)出速度閉環(huán) 控制系統(tǒng)，聯(lián)合仿真突出了個(gè)仿真軟件的優(yōu)勢(shì)，從而為下一步的進(jìn)行半物理
仿真打下了基礎(chǔ)。

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第４章新型多足仿生機(jī)械蟹控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
４．１引言
正如總體方案所述，多足仿生機(jī)械蟹的整體設(shè)計(jì)思路本著完全模塊化的
設(shè)計(jì)思想，控制系統(tǒng)采用自上而下的分層遞階式智能控制方式。文章在確定

總體方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)和模塊間的接口方式的特點(diǎn)分別設(shè)計(jì)出組 織級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)和執(zhí)行級(jí)三個(gè)部分的控制結(jié)構(gòu)，并給出了具體的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

４．２新型多足仿生機(jī)械蟹控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
對(duì)照?qǐng)D２．１６的整體設(shè)計(jì)方案，多足仿生機(jī)械蟹３層遞階式智能控制系統(tǒng) 的具體實(shí)現(xiàn)方案如圖４．１所示。

圖４．１遞階式控制系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)方案

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整個(gè)控制系統(tǒng)可分為主控模塊、關(guān)節(jié)電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)模塊、ＣＡＮ總線接 口模塊以及傳感模塊，下面將分別介紹各模塊的功能和設(shè)計(jì)原理。

４．３新型多足仿生機(jī)械蟹模塊化控制系統(tǒng)
４．３．１主控模塊設(shè)計(jì)
新型樣機(jī)的主控模塊采用ＴＩ公司的ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ，如圖４．２ 所示為主控系統(tǒng)模塊示意圖。
Ｉ／Ｏ接口
ＴＭ￥３２０ＬＦ
２４０７Ａ

位姿傳感器 （電子羅盤） 紅外遙控 ＰＣ機(jī) 攝像頭 聲納傳感器

ＲＳ２３２接口 ＲＳ２３２接口 Ｉ／Ｏ接口

最小系統(tǒng)

Ｉ／Ｏ接口

塒￥３２０ＬＦ２４０７Ａ
ＣＡＮ總線結(jié)構(gòu)

圖４．２主控系統(tǒng)模塊示意圖 ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ№習(xí)是ＴＩ公司推出的一款面向高端工業(yè)控制領(lǐng)域的 ＴＭＳ３２０Ｃ２０００系列的定點(diǎn)ＤＳＰ數(shù)字信號(hào)處理芯片。ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ采用了

高性能靜態(tài)ＣＭＯＳ技術(shù)，使得供電電壓降為３．３Ｖ，減小了控制器的功耗； ４０ＭＩＰＳ的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到２５ｎｓ（４０ＭＨｚ），從而提高了控制器的 實(shí)時(shí)控制能力；集成了３２Ｋ字的閃存（可加密）、２．５Ｋ的ＲＡＭ、５００ｎｓ轉(zhuǎn)換 時(shí)間的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，片上事件管理器提供了可以滿足各種電機(jī)的ＰＷＭ接口 和Ｉ／Ｏ功能，此外還提供了適用于工業(yè)控制領(lǐng)域的一些特殊功能，如看門狗 電路、ＳＰＩ、ＳＣＩ和ＣＡＮ控制器等，從而使它可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。 如圖４．３所示為ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ的最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中包括晶振、外部程 序存儲(chǔ)器ｒ（Ｐｒｏｇｒａｍ Ｍｅｍｏｒｙ）、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（Ｄａｔａ Ｍｅｍｏｒｙ）、Ｉ／Ｏ接口等部 分。由于ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ是面向電機(jī)控制的專用ＤＳＰ，所以片內(nèi)集成了大
量的外圍接口，建立起最小系統(tǒng)就可以直接使用其外圍接口。

最小系統(tǒng)中的主要信號(hào)有：
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（１）Ａ［０—１５】：１６位地址總線，Ａ０．Ａ１５；

（２）Ｄ［０．．１５】：１６為數(shù)據(jù)總線，ＤＯ．Ｄ１５；
（３）ＪＴＡＧ：邊界掃描測(cè)試端口，符合ＪＴＡＧ．ＢＳＴ（Ｊｏｉｎｔ
Ｔｅｓｔ Ａｃｔｉｏｎ Ｇｒｏｕｐ，

聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)組）的ＩＥＥＥ Ｓｔｄ．１１４９．１．１９９０規(guī)范，用于在線仿真和程序配置； （４）ＰＳ、ＤＳ，、ＩＳ：分別為程序存儲(chǔ)尋址空間選通、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)尋址空間
選通和Ｉ／Ｏ空間尋址選通； （５）ＷＥ ＲＤ：分別為讀使能選通和寫使能選通引腳，兩引腳下降沿觸發(fā)， 當(dāng)遇到下降沿時(shí)表示相應(yīng)控制器驅(qū)動(dòng)外部總線，此時(shí)它們對(duì)所有外部程序、 數(shù)據(jù)、Ｉ／Ｏ有效； （６）ＳＴＲＢ：外部存儲(chǔ)器訪問選通；
（７）ＥＮＡ １４４：使能外部接口信號(hào)，高電平有效；

（８）ＭＰ／ＭＣ：微處理器／微控制器方式選擇引腳，復(fù)位期間為低電平時(shí)， 芯片工作在微控制器方式下，并從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（ＦＬＡＳＨ Ｅ２ＨＰＲＯＭ）的 ００００Ｈ開始程序執(zhí)行；若在復(fù)位期間該引腳為高電平，則工作在微處理器方 式下，并從外部程序存儲(chǔ)器的００００Ｈ開始程序執(zhí)行。

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圖４．３ ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ的最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過對(duì)ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ芯片的詳細(xì)研究，按照功能要求在最小系統(tǒng)的 基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出如圖４．４所示的主控系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)圖。其中大量引腳將引出
６２

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至子模塊電路板。

圖４．４主控系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)圖

４．３．２關(guān)節(jié)控制和驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)
關(guān)節(jié)控制模塊（如圖４．５）主要由８組ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ組成，

每組ＤＳＰ芯片下邊連接３組ＬＭ６２９，Ｈ橋，直流電機(jī)以及光電編碼器構(gòu)成 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊（圖４．６）。圖４．５給出了８?jìng)�(gè)步行足中其中一個(gè)步行足的控制電 路框圖，其中包括５部分：ＰＷＭ輸出；碼盤計(jì)數(shù)；力信號(hào)檢測(cè)；轉(zhuǎn)角定位 檢測(cè)；ＣＡＮ總線通信。其中關(guān)節(jié)控制芯片負(fù)責(zé)輸出ＰＷＭ信號(hào)，通過功率放 大后送至ＬＭ６２９芯片進(jìn)入電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。碼盤計(jì)數(shù)器通 過ＱＥＰ信號(hào)采集接收從電機(jī)控制電路返回的信號(hào)，以此進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)整。 另外，關(guān)節(jié)控制芯片通過接收三維力傳感器和霍爾傳感器的返回信號(hào)了解當(dāng) 前關(guān)節(jié)的受力情況和關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角以此來進(jìn)行關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的調(diào)整。而其中ＣＡＮ 總線的作用主要是用來完成ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ與上級(jí)ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ通信。 在整個(gè)關(guān)節(jié)控制和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中其核心器件主要是：ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ和 ＬＭ６２９，其中ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ在主控模塊部分已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，這 里主要介紹一下運(yùn)動(dòng)控制芯片ＬＭ６２９。

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ＰＷＭ輸出

電路ＨＬＭ６２９ｌ
功放Ｉ
ｐｗＭ

３組Ｉ

碼盤計(jì)數(shù)器
ＣＰＬＤ

———————］碼盤

．———————］足端力 ． ． ． ． ．。． ． ． ． ． ． ． ． ． ．一

ＱＥＰ采集｝．盟

最小系統(tǒng)

力信號(hào)檢測(cè)

．．．．．．．．．．．．一

足端力檢測(cè)Ｌ卜垡蘭

關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角定位 檢測(cè)

————————］定位

霍爾傳感器｜．—笪蘭
主控 ＴＭ￥３２０ＬＦ２４０７Ａ

ＣＡＮ總線接口

圖４．５關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)

?

ＬＭ６２９扣副№馴是Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ生產(chǎn)的一款專用運(yùn)動(dòng)控制器，在一

個(gè)芯片內(nèi)集成了數(shù)字式運(yùn)動(dòng)控制器的全部功能，使得設(shè)計(jì)一個(gè)快速、準(zhǔn)確的 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)變得輕松、容易，它適用于直流電機(jī)及其它可提供增量 式位置反饋信號(hào)的伺服機(jī)構(gòu)，可完成高性能數(shù)字式運(yùn)動(dòng)控制所需的集中、實(shí) 時(shí)的計(jì)算任務(wù)，提供８位ＰＷＭ調(diào)制信號(hào)和方向信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)橋式電路，通
過８位Ｉ／Ｏ口及６根控制線與微控制器通信控制其內(nèi)部的ＰＩＤ調(diào)節(jié)器及梯形

速度發(fā)生器增量式編碼器提供閉環(huán)控制所需的反饋信號(hào)，梯形圖發(fā)生器計(jì)算 出位置或速度模式下所需控制的運(yùn)動(dòng)軌跡。 運(yùn)作時(shí)，由主處理器ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ向ＬＭ６２９給出ＰＩＤ參數(shù)及加速 度、速度和目標(biāo)位置值，每個(gè)采樣周期都用這些值計(jì)算出新的命令和位置給 定值并送入求和點(diǎn)，由編碼器檢測(cè)電機(jī)的實(shí)際位置，其輸出信號(hào)經(jīng)過ＬＭ６２９ 內(nèi)部的位置解碼器解碼后作為求和點(diǎn)的另一個(gè)輸入與給定值相減，得到的誤 差值作為數(shù)字ＰＩＤ校正環(huán)節(jié)的輸入。主處理器可以讀�。蹋停叮玻乖谌魏螘r(shí)刻 的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并根據(jù)這些狀態(tài)參數(shù)，方便地調(diào)整ＰＩＤ控制器的參數(shù)從而滿足 穩(wěn)定性、響應(yīng)時(shí)間、超調(diào)量等要求，除了加速度，所有的運(yùn)動(dòng)參數(shù)均可在運(yùn)
動(dòng)過程中加以改變。

ＬＭ６２９在執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控制類指令時(shí)，采用雙緩沖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，主寄存器保存 運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，當(dāng)命令寫入后，主寄存器的數(shù)據(jù)才裝入工作寄存器，這樣就能實(shí) 現(xiàn)雙軸的同步運(yùn)動(dòng)。ＬＭ６２９內(nèi)置的算法還可以對(duì)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的速度差異進(jìn)行 同步補(bǔ)償，因此，移動(dòng)機(jī)器人的直線運(yùn)動(dòng)度高，在前進(jìn)過程中不存在打擺現(xiàn)

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象。由于采用ＬＭ６２９，大大簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。總之，同單純用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn) 移動(dòng)機(jī)器人的底層控制系統(tǒng)相比，它具有成本低廉以及單片機(jī)負(fù)擔(dān)小，實(shí)時(shí)
控制性能好等優(yōu)點(diǎn)。

圖４．６關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊

如圖４．６為采用ＬＭ６２９的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制原理圖畔１，其中ＬＭ６２９通 過Ｉ／Ｏ口與主處理器通訊，輸入運(yùn)動(dòng)參數(shù)和控制參數(shù)，輸出狀態(tài)和信息。關(guān)
節(jié)驅(qū)動(dòng)采用增量式光電編碼盤來反饋電動(dòng)機(jī)的實(shí)際位置，來自增量式光電編

碼盤的位置信號(hào)經(jīng)ＬＭ６２９四倍頻，使分辨率提高邏輯狀態(tài)每變化一次ＬＭ６２９ 內(nèi)的位置寄存器就會(huì)加（減）ｌ，編碼盤的信號(hào)同時(shí)低電平時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)
Ｉｎ２ｄｅｘ信號(hào)送入Ｉｎｄｅｘ寄存器，記錄電動(dòng)機(jī)的絕對(duì)位置，ＬＭ６２９的梯形速度

圖發(fā)生器用于計(jì)算所需的梯形速度分布圖。在位置控制方式時(shí)，主處理器送 來加速度、最高轉(zhuǎn)速、最終位置數(shù)據(jù)，ＬＭ６２９利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算運(yùn)行軌跡， 在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，除了加速度，，其余參數(shù)允許更改，在速度控制方式時(shí)，電動(dòng) 機(jī)用規(guī)定的加速度加速到規(guī)定的速度，并一直保持這一速度，直到新的速度 指令執(zhí)行，如果速度存在擾動(dòng)，ＬＭ６２９可使其平均速度恒定不變。ＬＭ６２９ 內(nèi)部有一個(gè)數(shù)字ＰＩＤ控制器，用來控制閉環(huán)系統(tǒng)。數(shù)字ＰＩＤ控制器采用增量 式ＰＩＤ控制算法，所需的系數(shù)由主處理器提供的６個(gè)中斷源都通過該引腳申 請(qǐng)單片機(jī)中斷，一旦有中斷申請(qǐng)發(fā)生，單片機(jī)先通過讀ＬＭ６２９的狀態(tài)字來辨 別哪一個(gè)中斷發(fā)生。ＤＳＰ的主要工作就是向ＬＭ６２９傳送運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和ＰＩＤ數(shù) 據(jù)，并通過ＬＭ６２９對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控ＬＭ６２９則根據(jù)ＤＳＰ發(fā)來的數(shù) 據(jù)生成速度圖，進(jìn)行位置跟蹤，ＰＩＤ控制和生成ＰＷＭ信號(hào)輸出。ＬＭ６２９的

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２個(gè)輸出ＰＷＭＳ和ＰＷＭＭ經(jīng)光電隔離與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相連，來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng) 機(jī)運(yùn)行，在直流電動(dòng)機(jī)輸出軸上安裝增量式光電編碼盤作為傳感器，它的輸
出直接連到ＬＭ６２９的輸入端，形成反饋環(huán)節(jié)。

圖４．７為采用ＬＭ６２９設(shè)計(jì)的電機(jī)控制電路圖。其中包括ＬＭ６２９和光電 隔離器６Ｎ１３６，光電隔離器用來將ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路隔離，從
而保護(hù)控制電路。

圖４．７電機(jī)控制電路圖 圖４．８為Ｈ橋電路用來控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。ＭＯＴ＋和ＭＯＴ－端連接電

機(jī)，通過輸入信號(hào)ＰＷＭｌ和ＰＷＭ２的取值來確定ＭＯＴ＋和ＭＯＴ－端的輸出， 從而控制電機(jī)。

圖４．８ Ｈ橋驅(qū)動(dòng)電路

．為保護(hù)電機(jī)，在控制電路中引入電流負(fù)反饋（圖４．９）。ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ 通過檢測(cè)ＡＩＮ０２端的電壓是否超過閾值來控制ＰＷＭ是否關(guān)閉。閾值可通過軟 件編程進(jìn)行設(shè)定。

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１２ｖＳ

圖４．９電流負(fù)反饋電路 由于ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ需要３．３伏供電，而其它主要器器件需要５伏的 工作電壓，同時(shí)ＩＲ２１１２的ＶＣＣ端需接１２伏電壓。而系統(tǒng)只能提供２４伏直 流電源。因此需要在電路進(jìn)行變壓處理。于是利用開關(guān)穩(wěn)壓器ＬＭ２５７６將系
統(tǒng)的２４伏直流電源轉(zhuǎn)換成１２伏直流電源（圖４．１０）；采用電壓調(diào)節(jié)器ＬＭｌｌｌ７

又將１２伏電源輸入轉(zhuǎn)化為３．３伏和５伏的控制電源（圖４．１１和圖４．１２）。通過 這些電源變換處理，即可滿足伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的各電源需求。

ＣＩＯ ｌＯＯ耐１６Ｖ

圖４．１０ ＬＭ２５７６穩(wěn)壓電路

圖４．１１ ５伏電源電路
４．３．３

圖４．１２ ３－３伏電源電路

ＣＡＮ總線

ＣＡＮ嘟１（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅ倆ｏｒｋ）現(xiàn)場(chǎng)總線是德國(guó)ＢＯＳＣＨ公司推出的一種

６７

哈爾濱工程大學(xué)碩十學(xué)位論文

現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)ＩＳＯ組織的ＯＳＩ（開放系統(tǒng)互聯(lián)）的要求，其具有物理

層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。ＣＡＮ總線基于令牌協(xié)議，在物理上是總線結(jié)構(gòu)， 協(xié)議的制定包含優(yōu)先級(jí)、狀態(tài)變動(dòng)和控制權(quán)移交等關(guān)鍵技術(shù)。ＣＡＮ具有下
列主要特性： （１）ＣＡＮ插卡可任意插在ＰＣ，ＸＴ，ＡＴ兼容機(jī)上，方便地構(gòu)成分布式監(jiān) 控系統(tǒng)；

（２）ＣＡＮ可以在多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主 動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活。利用這一特點(diǎn)
也可方便地構(gòu)成（容錯(cuò)）多機(jī)備份系統(tǒng)；

（３）ＣＡＮ無破壞性地基于優(yōu)先權(quán)的仲裁，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求，有效
避免了總線沖突；

（４）ＣＡＮ可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（成組）及全局廣播等幾種方式傳送和
接收數(shù)據(jù)；

（５）ＣＡＮ采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀有效字節(jié)為８?jìng)�(gè)，這樣傳輸時(shí)間短，受
干擾概率低，重新發(fā)送時(shí)間短； （６）ＣＡＮ每幀信息都有ＣＲＣ校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)的出錯(cuò)率 極低； （７）暫時(shí)錯(cuò)誤和永久性故障的故障節(jié)點(diǎn)的判別以及故障節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)脫離；

（８）ＮＲＺ編碼／解碼方式，并采用位填充（插入）技術(shù)；通信介質(zhì)采用雙絞 線，無特殊要求。 ＣＡＮ總線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖４．１３所示，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均由物理層接口模 塊、ＤＳＰ模塊、應(yīng)用層模塊組成。ＣＡＮ總線的每個(gè)終端需接抑制信號(hào)反射的 終端電阻，其阻抗值應(yīng)與總線介質(zhì)的特性阻抗相匹配，使用雙絞線時(shí)一般取
Ｒ＝１００～２００Ｑ。ＣＡＮ總線控制器必須通過ＣＡＮ驅(qū)動(dòng)接口電路才可以與ＤＳＰ

進(jìn)行通信，新型樣機(jī)采用ＰＣＡ８２Ｃ２５０與ＣＡＮ控制器ＭＣＰ２５ １ ０進(jìn)行通信。 在使用ＣＡＮ控制器ＭＣＰ２５１０前必須對(duì)它的一些內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置，如位 定時(shí)器的設(shè)置及對(duì)郵箱進(jìn)行初始化。通信系統(tǒng)的硬件電路由ＤＳＰ芯片、電壓
轉(zhuǎn)換電路、ＣＡＮ總線的收發(fā)器及ＣＡＮ總線組成。ＤＳＰ為ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ， 電壓轉(zhuǎn)換電路為芯片ＴＰＳ７７６３３，ＣＡＮ總線收發(fā)器為ＰＣＡ８２Ｃ２５０。

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圖４．１３ ＣＡＮ通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
４

３．４傳感模塊
多足仿生機(jī)械蟹傳感器模塊包含四類傳感器：電子羅盤，三維力傳感器，

霍爾傳感器以及聲納傳感器。
１電子羅盤（ＨＭＲ３３００）“”

多足仿生機(jī)械蟹新型樣機(jī)選用Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ公司ＨＭＲ３３００型電子羅盤（圖
４

１４），它是一種基于地磁場(chǎng)的電子羅盤，用于測(cè)量機(jī)器人的姿態(tài)。在步態(tài)規(guī)

劃和調(diào)整過程中，需要進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)的計(jì)算，然而此時(shí)由各關(guān)節(jié)角度信息所 推導(dǎo)出的軀體位姿不是絕對(duì)位置，而是相對(duì)于立足點(diǎn)所組成的平面而言的相 對(duì)位置。因此，必須進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量。

圖４

１４

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ＨＭＲ３３００電子羅盤 圖４
１５

ＳＡＦＭＳ—Ｎ型三維力傳感器

２三維力傳感器－（ＳＡＦＭＳ－Ｎ） 新型樣機(jī)的力覺信息采用ＳＡＦＭＳ—Ｎ型三維力傳感器（圖４．１５），因此機(jī) 器人可以進(jìn)行多維受力信息采集。一般情況下，力絕傳感器分布于機(jī)體受力

哈爾濱Ｔ程大學(xué)碩士學(xué)位論文

點(diǎn)，直接測(cè)量此處的作用力情況，新型樣機(jī)將三維力傳感器安裝于各腿末端。 另外，為了方便傳感器的調(diào)試，在ＰＣＩ．９８２０采集卡的基礎(chǔ)上，開發(fā)了ＰＣ機(jī) 信息采集界面。圖４ １６和４ １７分別為ＰＣＩ－９８２０接�。冢煺Ш腿S力信息采集界面。 信息采集界面實(shí)現(xiàn)的主要功能有： ①ＰＣＩ．９８２０采集卡的開啟和關(guān)閉管理： ②ＣＡＮ總線參數(shù)的設(shè)定，如驗(yàn)收碼、屏蔽碼、波特率、濾波方式等； ③任意幀格式數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收； ④各傳感器的解耦矩陣匹配及運(yùn)算； ⑤數(shù)據(jù)的采集控制和文件存儲(chǔ)管理。

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圖４
１６

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ＰＣＩ一９８２０接口卡

圖４ １７力覺信息采集界面

３霍爾傳感器”” 霍爾傳感器是一種基于霍爾效應(yīng)的類似磁電式轉(zhuǎn)速傳感器和光電式轉(zhuǎn)速 傳感器的傳感器。一般可用來進(jìn)行位置測(cè)定亦可作限位開關(guān)用。它獲取的信 號(hào)的方式與電磁式轉(zhuǎn)速傳感器有很大的區(qū)別。電磁式產(chǎn)生的是信號(hào)齒在轉(zhuǎn)動(dòng) 過程中切割電磁線圈所發(fā)出的磁通而產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢(shì)，也就是所謂的脈沖 信號(hào)，是個(gè)波形信號(hào)，并且隨著轉(zhuǎn)速的提高它的波形也在變化。而霍爾傳感 器的信號(hào)和光電式的很相似，輸出的都是正５Ｖ的直流電壓信號(hào)，信號(hào)齒每 觸發(fā)一次就能產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)，從而可進(jìn)行轉(zhuǎn)角測(cè)量。 為了獲取轉(zhuǎn)角檢測(cè)的基準(zhǔn)位置，新型樣機(jī)采用了美國(guó)Ａｌｌｅｇｒｏ公司的３１４４ 型開關(guān)型霍爾傳感器，每當(dāng)霍爾傳感器轉(zhuǎn)到安裝磁鋼的位置時(shí)信號(hào)輸出發(fā)生 跳變，這樣的定位檢測(cè)將在每次上電啟動(dòng)后首先進(jìn)行。圖４ １８所示的為新型 樣機(jī)霍爾傳感器定位檢測(cè)電路，它具有體積小，敏感范圍小的特點(diǎn)。該霍爾 元件電源電壓要求在４．５—２４Ｖ之間，在５Ｖ電壓供電時(shí)輸出典型值約為

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)佗論文

１７５ｍＶ，為使輸出信號(hào)電平與ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ的Ｉ／Ｏ引腳電平匹

配，采用光隔電路進(jìn)行了調(diào)整，同時(shí)降低了外界噪聲對(duì)ＤＳＰ系統(tǒng)的干擾。經(jīng) 采樣電路后，當(dāng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)到基準(zhǔn)位置，即觸發(fā)霍爾開關(guān)時(shí)，ＯＵＴ端口輸出為
高電平３．３Ｖ，否則輸出低電平０。 ４．聲納傳感器

聲納傳感器是為了使多足仿生機(jī)械蟹具有水下作業(yè)能力而設(shè)置的，這主 要是源于電磁波在水中的衰減大，因此水下無線通信和目標(biāo)識(shí)別無法采用常 規(guī)方式，目前常用的水下目標(biāo)識(shí)別技術(shù)主要有側(cè)掃聲納和扇掃聲納技術(shù)。目
前這個(gè)部分處于論證和選型階段。
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圖４．１８霍爾傳感器信號(hào)采集電路

４．４本章小結(jié)
本章從多足仿生機(jī)械蟹新型樣機(jī)控制系統(tǒng)總體方案出發(fā)，采用遞階式智 能控制理論對(duì)硬件控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。整個(gè)設(shè)計(jì)過程本著完全模塊化的設(shè) 計(jì)思想，分別對(duì)主控模塊、關(guān)節(jié)控制和驅(qū)動(dòng)模塊、ＣＡＮ總線模塊以及傳感模 塊進(jìn)行了硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)并給出了部分電路的設(shè)計(jì)圖。新型樣機(jī)主控芯片采用 ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ，本章對(duì)其功能和特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并給 出了芯片的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖。另外，在關(guān)節(jié)控制和驅(qū)動(dòng)模塊部分采用了運(yùn)動(dòng) 控制芯片ＬＭ６２９，本章對(duì)此芯片也進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和分析。在各模塊的基
礎(chǔ)上組建出新型樣機(jī)的硬件控制系統(tǒng)。

第５章新型多足仿生機(jī)械蟹樣機(jī)的研制
５．１引言
新型多足仿生機(jī)械蟹樣機(jī)在關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)等方面對(duì)前幾型樣機(jī)進(jìn) 行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，完成了從方案論證到機(jī)械本體設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及步態(tài) 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的整個(gè)設(shè)計(jì)過程。然而由于目前諧波減速器的尺寸所限，新型樣機(jī) 仍處于理論論證和選型階段，并且新型樣機(jī)是在前幾型樣機(jī)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上建 立起來的，是對(duì)原樣機(jī)的局部?jī)?yōu)化，因此在新型樣機(jī)的研制中選用以渦輪蝸 桿為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)方案。本章將詳細(xì)介紹基于完全模塊化思想的新型 樣機(jī)的整體研制過程。

５．２新型多足仿生機(jī)械蟹樣機(jī)總體結(jié)構(gòu)
多足仿生機(jī)械蟹新型樣機(jī)整體結(jié)構(gòu)包括軀干、普通步行足以及多功能復(fù) 合足三部分，其中八條步行足直接與六邊形框架式軀干相連（圖５ １）；軀干上 裝有作為仿生機(jī)器人控制中心的控制器和遙控裝置。每條步行足都由基節(jié)、 股節(jié)、脛節(jié)三部分組成，構(gòu)成單步行足的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和脛關(guān)節(jié)，各關(guān)節(jié) 都由其相應(yīng)的控制單元實(shí)現(xiàn)動(dòng)作控制；整個(gè)機(jī)器人計(jì)劃采用膠質(zhì)密封套包裹 起來，以確保機(jī)器人可適應(yīng)兩棲工作環(huán)境。

圖５ １新型樣機(jī)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)體圈 在新型樣機(jī)整體結(jié)構(gòu)布置實(shí)施方案設(shè)計(jì)過程中曾經(jīng)提出過四種可行方案９”： １．方案一 機(jī)械樣機(jī)的八務(wù)普通步行足均勻分布于軀干兩側(cè)，通過基節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)支 座與軀干直接固連，構(gòu)成了機(jī)器人的整體。此種結(jié)構(gòu)的機(jī)器人具有自翻轉(zhuǎn)行
７２

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文

走、兩棲行走等功能。如圖５ ２所示。
２．方案二

采用方案２布置的機(jī)器蟹樣機(jī)的八條步行足與方案一基本相同，呈方形 布置，其中六條步行足為普通步行足，另兩條為多功能復(fù)合步行足，分別為 剪刀手和抓取機(jī)械手。此種機(jī)構(gòu)的機(jī)器人同樣具有自翻轉(zhuǎn)行走、兩棲行走功 能，同時(shí)還具有特殊作業(yè)功能。如圖５ ３所示。

圖５．２新型樣機(jī)整體實(shí)施方案１ ３．方案三

囤５．３新型樣機(jī)整體實(shí)施方案２

按照方案３設(shè)計(jì)的機(jī)器人的八條步行足呈放射形布置，軀干為正六邊形 金屬鋁板，每條步行足之間的角度均按照生物螃蟹步行足的角度而設(shè)計(jì)。機(jī) 器人可兼有行走、翻轉(zhuǎn)、抓取等特性。如圖５，４－所示。
４．方案四

按照方案４布置的機(jī)器蟹的八條步行足呈方形布置，整體與前三種布置 方式基本相同，不同的是在機(jī)器人的軀干上增加了兩個(gè)模塊化傳動(dòng)結(jié)構(gòu)５７ 和５８，軀干也被分成三部分，第一部分和第三部分分別安裝有兩條步行足， 第二部分安裝有四條步行足和兩個(gè)模塊化傳動(dòng)結(jié)構(gòu)５７和５８，兩個(gè)模塊化傳 動(dòng)結(jié)構(gòu)的作用是可分別使第一部分和第三部分旋轉(zhuǎn)抬起，增加了機(jī)器人機(jī)械 手作業(yè)的靈活性。如圖５．５所示。

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圖５．４新型樣機(jī)整體實(shí)施方案３

圖５．５新型樣機(jī)整體實(shí)施方案４

哈爾浜＝ｒ＝程丈掌壩士掌何論文

從仿生學(xué)的角度來看，自然生物經(jīng)過了長(zhǎng)期的自然選擇和進(jìn)化，其自身 在結(jié)構(gòu)、功能執(zhí)行、信息處理、環(huán)境適應(yīng)、自主學(xué)習(xí)等多方面具有高度的合 理性、科學(xué)性和進(jìn)步性。因此多足仿生機(jī)械蟹新型樣機(jī)選取方案３作為整體 布置方式，八條步行足呈放射形布置，每條步行足之間的角度均模擬生物螃 蟹步行足的角度而設(shè)計(jì)（如圖５ １所示）。
５

３新型多足仿生機(jī)械蟹樣機(jī)各模塊的研制
１單腿結(jié)構(gòu)
如圖５．６所示，每條普通步行足由三個(gè)模塊化傳動(dòng)結(jié)構(gòu)３２、３３和３４串

５ ３

聯(lián)組成，形成機(jī)器人單腿的大腿和小腿，小腿根部由模塊化傳動(dòng)結(jié)構(gòu)３４的渦 輪蝸桿結(jié)構(gòu)與大腿相連。大腿根部由模塊化傳動(dòng)結(jié)構(gòu)３２和３３通過固定板３６ 與主機(jī)架相連，構(gòu)成兩自由度髖關(guān)節(jié)。所以整條腿具有三個(gè)自由度，分別形 成膝關(guān)節(jié)的一個(gè)上下抬起自由度、髖關(guān)節(jié)的一個(gè)左右擺動(dòng)自由度和一個(gè)上下 抬起自由度，其中兩個(gè)上下抬起自由度可轉(zhuǎn)動(dòng)２７０。，滿足了機(jī)器人可翻轉(zhuǎn)行
走的需要。

圖５．６單腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖
５

圖５．７單腿結(jié)構(gòu)實(shí)體圖

３．２減震緩沖器設(shè)計(jì)
機(jī)器人在行走過程中，每條步行足的落地瞬間與地面都是剛性碰撞，剛

性碰撞對(duì)機(jī)器人的使用壽命造成了極大的傷害，增加減震模塊可以減輕步行 足落地時(shí)的撞擊，有效的保護(hù)機(jī)器人的使用壽命。減震模塊安裝在機(jī)械螃蟹 每條步行足的最前端，它由兩級(jí)彈簧減震，在其前端安裝有三維力傳感器， 可實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)械蟹步行足受力情況。 如圖５．８所示，減震緩沖器包括：連接限位塊３７、一級(jí)彈簧３８、連接螺 絲３９、滑塊４０、二級(jí)彈簧４１、滑缸４２、滑塊體４３、螺絲４４、三維力傳感器

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文

４５和螺絲４６。減震緩沖器通過連接限位塊３７和螺絲４６與模塊化傳動(dòng)結(jié)構(gòu)電 機(jī)后端連接，滑塊體４３和滑塊４０通過連接螺絲３９固聯(lián)后安裝在滑缸４２內(nèi)， 并且在力的作用下可以在滑缸４２內(nèi)做微小的上下滑動(dòng)，滑塊４０的上下分別 安裝有處于壓縮狀態(tài)的一級(jí)彈簧３８和二級(jí)彈簧４１，起到減震的作用�；瑝K 體４３下端通過螺絲４４與三維力傳感器４５相連。 機(jī)器人使用的三維力傳感器４５與機(jī)器人的接口包括機(jī)械接口和電氣接 口兩部分。傳感器對(duì)機(jī)器人本體的安裝方式采用頂裝式。本樣機(jī)傳感器采用 嵌入式集成片上系統(tǒng)，整個(gè)處理電路分成信號(hào)放大電路和信號(hào)處理電路兩大 模塊，其中信號(hào)放大電路集成在傳感器內(nèi)部，信號(hào)處理電路放在傳感器外部。 電氣接口通過一個(gè)４芯接口與機(jī)器人控制系統(tǒng)連接，其中ＰＩＮｌ、ＰＩＮ２用于 實(shí)現(xiàn)ＣＡＮ總線，ＰＩＮ３、ＰＩＮ４用于外接電源。圖５．９為減震器實(shí)體圖。

圖５．８新型樣機(jī)減震模塊設(shè)計(jì)圖
５ ３

陲

圖５．９減震器實(shí)體圖

３復(fù)合足（鰲足）結(jié)構(gòu)
復(fù)合式步行足（即鰲足）是為機(jī)器人執(zhí)行特殊環(huán)境下的特定任務(wù)而設(shè)計(jì)

的，此步行足兼有行走、抓取和剪斷的功能。復(fù)合足與普通步行足結(jié)構(gòu)的三 個(gè)模塊化結(jié)構(gòu)安裝完全相同，不同的是將普通步行足最前端的減震緩沖器３５ （圖５．６）換成具有抓取或剪斷功能的機(jī)械手。其中一條步行足前端為抓取機(jī)械 手（圖５．１０），另一條步行足前端為剪刀手（圖５．１１）。兩個(gè)步行足相互配合可 完成指令要求的一些特定任務(wù)。 如圖５．１０，復(fù)合抓取機(jī)械手包括：驅(qū)動(dòng)電機(jī)４７、機(jī)械支架４８、銷４９、 滑軸５０、軸５１、支撐軸５２、兩個(gè)手指５３、絲杠５４和軸５５。驅(qū)動(dòng)電機(jī)４７安 裝在機(jī)械支架４８上，機(jī)械支架４８通過螺絲與模塊化傳動(dòng)結(jié)構(gòu)電機(jī)后端連接，

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絲杠５４一端通過銷４９與驅(qū)動(dòng)電機(jī)４７輸出軸固聯(lián)，另一端通過軸承搭接在支 撐軸５２上，中間穿過滑軸５０，滑軸５０中間為一個(gè)螺母，絲杠５４的轉(zhuǎn)動(dòng)可 以帶動(dòng)滑軸５０上下運(yùn)動(dòng)，滑軸５０同時(shí)穿過機(jī)械支架４８一字形滑槽和兩個(gè)手 指５３的一字形滑槽，滑軸５０的上下運(yùn)動(dòng)就會(huì)帶動(dòng)兩個(gè)手指５３的張開與閉合，
達(dá)到抓取貨物的功能。兩個(gè)手指５３分別通過軸５１和軸５５安裝在機(jī)械支架 ４８上。 圖５ １ｉ為復(fù)合剪刀手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，基本結(jié)構(gòu)與５．１０所示機(jī)械手相同，

不同的是將前端兩個(gè)手指５３換作了兩片剪刀５６。目前復(fù)合抓取機(jī)械手和剪
刀手正處于加工階段。

圖５ １０復(fù)合抓取機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖
５ ３

劈并鼠諱
圖５ １１復(fù)合剪刀手結(jié)構(gòu)圖
１２￣５ １５，

４硬件控制系統(tǒng)
多足仿生機(jī)械蟹新型樣機(jī)的控制系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)電路板如圖５

ＤＳＰ總控主要用來作為上層智能控制，進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃、機(jī)體穩(wěn)定協(xié)調(diào)等工作： 與電機(jī)控制／驅(qū)動(dòng)連接的電路板負(fù)責(zé)控制總體協(xié)調(diào)，發(fā)出Ｐ咖信號(hào)，而單關(guān)節(jié) 的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板主要用來接受信號(hào)，進(jìn)行電機(jī)控制。

霎
圖５１２新型樣機(jī)ＤＳＰ總控電路板
７６

圖５ １４與電機(jī)控制／驅(qū)動(dòng)連接的電路板

圖５ １５單關(guān)節(jié)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板

５．４新型多足仿生機(jī)械蟹樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程
５．４

１樣機(jī)行走動(dòng)作
在多足仿生機(jī)械蟹中心控制器中存儲(chǔ)了針對(duì)不同步態(tài)行走的指令，其中
７７

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也包括遇到障礙物時(shí)的指令。當(dāng)希望機(jī)器人按照某一步態(tài)行走時(shí)，可通過遙 控裝置將要執(zhí)行的指令的序號(hào)發(fā)給中心控制器。中心控制器繼而會(huì)按照具體 的指令控制各條步行腿動(dòng)作。當(dāng)行進(jìn)時(shí)遇到障礙物時(shí)，由被安裝在步行足上 的三維力傳感器感知后，將信號(hào)發(fā)給中心控制器，中心控制器會(huì)調(diào)用相應(yīng)的 指令，改變預(yù)設(shè)定的關(guān)節(jié)擺角，使腿跨過障礙。圖５ １６給出了新型樣機(jī)采用 雙四足行走步態(tài)時(shí)的行走狀態(tài)圖。

圖５ １６雙四足行走步態(tài)行走狀態(tài)圖
５

４．２樣機(jī)自翻轉(zhuǎn)動(dòng)作
圖５ １７（ａ）是模塊化多足仿生機(jī)械蟹向上翻轉(zhuǎn)的狀態(tài)圖，圖５ １７（ｂ）是其進(jìn)

行翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的中間過程，圖５ １７（ｃ）是機(jī)器人經(jīng)過翻轉(zhuǎn)以后的狀態(tài)圖。模塊化 多足仿生機(jī)械蟹新型樣機(jī)具有自翻轉(zhuǎn)特性主要源于機(jī)器人一般情況下會(huì)應(yīng)用 于野外、沙灘或是有海浪的地帶，這樣的環(huán)境下機(jī)器人很容易發(fā)生翻倒，自 翻轉(zhuǎn)的特性可以保證機(jī)器人在發(fā)生翻倒后仍能繼續(xù)行走、工作，特別是在水 下運(yùn)動(dòng)時(shí)增強(qiáng)其耐波性。

（ａ）機(jī)器人翻轉(zhuǎn)前狀態(tài)圖

（ｂ）向上翻轉(zhuǎn)的中間狀態(tài)圖

涵
鱉鲞鑾耋２：：窖譬鑾．
（ｃ）機(jī)器人翻轉(zhuǎn)后狀態(tài)圖 圖５．１７機(jī)器人翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的各狀態(tài)圖

；

５．５本章小結(jié)
本章詳細(xì)介紹了多足仿生機(jī)械蟹新型樣機(jī)的研制過程。在研制過程中本 著完全模塊化的思想，通過將整機(jī)分解為各功能模塊，分別對(duì)各模塊進(jìn)行設(shè) 計(jì)加工，最終組裝成多足仿生機(jī)械蟹新型樣機(jī)。目前，此樣機(jī)處于運(yùn)動(dòng)調(diào)試 階段，本章對(duì)此樣機(jī)的基本運(yùn)動(dòng)形態(tài)進(jìn)行了描述，并演示了多足仿生機(jī)械蟹 進(jìn)行自翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)過程。

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．

結(jié)
當(dāng)日

論 ◆匕

論文在總結(jié)前期工作的基礎(chǔ)上，采用仿生學(xué)的設(shè)計(jì)思想，對(duì)新型多足仿 生機(jī)器人樣機(jī)的總體方案、結(jié)構(gòu)布局、關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)、控制與驅(qū)動(dòng)方式、步態(tài)軌 跡規(guī)劃和行走穩(wěn)定性的問題進(jìn)行了深入的研究，論文主要完成的工作如下： １、提出了采用諧波減速器傳動(dòng)的新型機(jī)器人關(guān)節(jié)，通過與前幾型樣機(jī)關(guān) 節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，新型關(guān)節(jié)具有更高的傳動(dòng)效率；該關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)已經(jīng)申請(qǐng)發(fā)明
專利；

２、提出了新型多足仿生機(jī)械蟹樣機(jī)的遞階式控制系統(tǒng)總體方案，采用遞 階式智能控制方法對(duì)硬件控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括主控模塊、關(guān)節(jié)控制和 驅(qū)動(dòng)模塊、ＣＡＮ總線模塊以及傳感模塊的設(shè)計(jì)； ３、采用雙四足步態(tài)的行走方案，對(duì)雙四足步態(tài)進(jìn)行了擺動(dòng)步行足和落地 步行足的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；采用ＡＤＡＭＳ對(duì)多足仿生機(jī)器人虛擬樣機(jī)在遇到坡路 和障礙物等情況步態(tài)進(jìn)行了仿真；同時(shí)采用Ｍａｔｌａｂ和Ａｄａｍｓ軟件聯(lián)合方式對(duì)
單關(guān)節(jié)速度閉環(huán)控制進(jìn)行了仿真，確定了ＰＩＤ參數(shù)；

４、完成各控制模塊電路的加工、調(diào)試，完成新型多足仿生機(jī)器人樣機(jī)裝
配、調(diào)試。

下步需要進(jìn)一步完成的工作： ｌ、在虛擬樣機(jī)的仿真基礎(chǔ)上，下一步將深入進(jìn)行基于Ｄｓｐａｃｅ的半物理
仿真；

２、通過樣機(jī)的研制，下一步將著重針對(duì)整機(jī)進(jìn)行實(shí)機(jī)的調(diào)試與試驗(yàn)以及 水下工作測(cè)試； ３、對(duì)過渡步態(tài)和水下步態(tài)進(jìn)行進(jìn)一步的理論分析和論證。

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參考文獻(xiàn)
［１】金周英．關(guān)于我國(guó)智能機(jī)器人發(fā)展的幾點(diǎn)思考［Ｊ］．機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，
２００１，（４）：５２７頁

［２】孟慶春，齊勇，張淑軍等．智能機(jī)器人機(jī)器發(fā)展［Ｊ］．中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，
２００４，３４（５）：８３１—８３８頁

［３】張秀麗，鄭浩峻，陳懇，段廣洪．機(jī)器人仿生學(xué)研究綜述［Ｊ］．機(jī)器人，２００２，
２４（２）：１８８－１９２頁
１●Ｊ

ｈｔｔｐ：｛｜礤礤硪．ｂｏｅｉｎｇ．ｃｏｍ／ｄｅｆｅｎｓｅ—ｓｐａｃｅ／ｉｎｆｏｅｌｅｃｔ／ｌｍｒｓ／ｓｌｄ００１．ｈｔｍ． ｈｔｔｐ：／／ｒｏｂｏｓａｐｉｅｎｓ．ｍｉｔ．ｅｄｕ／ａｒｉｅｌ．ｈｔｍ
Ｂｒｅｔｔ Ｋｅｎｎｅｄｙ，Ａｇａｚａｒｉａｎ Ｈ， Ｃｈｅｎｇ Ｙ，Ｇａｒｒｅｔｔ Ｍ，、Ｈｉｃｋｅｙ Ｇ，

１●Ｊ

Ｈ陋陋

１●Ｊ

Ｈｕｎｔｓｂｅｒｇｅｒ Ｔ，Ｍａｇｎｏｎ Ｌ，Ｍａｈｏｎｅｙ Ｃ，Ｍｅｙｅｒ Ａ，Ｋｎｉｇｈｔ Ｊ，ＬＥＭＵＲ：Ｌｅｇｇｅｄ Ｅｘｃｕｒｓｉｏｎ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｕｔｉｌｉｔｙ

Ｒｏｖｅｒ［Ｊ］．Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ

Ｒｏｂｏｔｓ．２００１，

１１（３）：２０１－２０５Ｐ ［７］７
Ｊａｍｅｓ Ｐ．Ｓｃｈｍｉｅｄｅｌｅｒ，Ｎａｔｈａｎ Ｊ．Ｂｒａｄｌｅｙ，Ｂｒｅｔｔ Ｋｅｎｎｅｄｙ，Ｍａｘｉｍｉｚｉｎｇ
Ｗａｌｋｉｎｇ Ｓｔｅｐ Ｌｅｎｇｔｈ Ｆｏｒ Ａ Ｎｅａｒ Ｏｍｎｉ—Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｈｅｘａｐｏｄ Ｒｏｂｏｔ，Ｔｈｅ ２００４ ＡＳＭＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｓ ａｎｄ
ｏｏ

Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ

Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００４

ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｎｄｒｅｗ．ｃｍｕ．ｅｄｕ／ｕｓｅｒ／ｒｋｅｌｌｏｇｇ／ｇｒ／ｇｒｈｗｌ．ｈｔｍ ｈｔｔｐ：／／ｖｅｓｕｖｉｕｓ．ｊｓｃ．ｎａｓａ．ｇｏｖ／ｅｒ—ｅｒ／ｈｔｍｌ／ｓｐｉｄｅｒ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ ｈｔｔｐ：／／ｎｅｗｓ．ｗｈｊｓ．ｇｏｖ．ｃｎ／１９／ｃｏｎｔｅｎｔ一７０００９．ｈｔｍｌ ｈｔｔｐ：？ｆ礤’岡．ｓｔｒａｔｅｇｙｐａｇｅ．ｃｏｍ／ｍｉｌｉｔａｒｙ＿ｐｈｏｔｏｓ／ｍｉｌｉｔａｒｙ＿ｐｈｏｔｏｓ
２００６４３２３２３２３５８２３．ａｓｐｘ

ｎ７

ｌ １ ，，川Ｕ

［１２】ｈ ｔｔｐ：／／ ｌ ｉｕｘｉｎｙｕ９５．ｇｏｏｇｌｅｐａｇｅｓ．ｃｏｍ／ｒｏｂｏｔ．ｑｕａｄ２．ｃｈｎ ［１３］ｈ ｔｔｐ：／／ ｗｗｗ．ｒｏｂｏｔｄｉｙ．ｎｅｔ 【１４】Ｔａｋｕｂｏ
Ｔｏｍｏｈｉｔｏ，ｈｒａｉ Ｔａｔｓｕｏ，Ｉｎｏｕｅ Ｋｅｎｊｉ，Ｕｍｅｔａｎｉ Ｔｏｍｏｈｉｒｏ，

Ｈａｙａｓｈｉｂａｒａ Ｙａｓｕｏ，Ｋｏｙａｎａｇｙ Ｅｌｊｉ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｌｉｍｂ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ Ｒｏｂｏｔ”ＡＳＴＥＲＩＳＫ”，Ｎｉｐｐｏｎ Ｋｉｋａｉ Ｇａｋｋａｉ Ｒｏｂｏｔｉｋｕｓｕ，Ｍｅｋａｔｏｒｏｎｉｋｕｓｕ Ｋｏｅｎｋａｉ Ｋｏｅｎ

Ｒｏｎｂｕｎｓｈｕ［Ｊ］．２００５：４Ｐ
８１

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［１５］ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｎｇａｄｇｅｔ．ｃｏｍ／２００５／０６／０７／ａｓｔｅｒｉｓｋ—ｊａｐａｎ—ａｔｔａｃｋｅｄ—ｂｙ
—ｓｐｉｄｅｒ
．

［１６】ｈｔｔｐ：／／Ｗｗｗ．ｉｍｐｒｅｓｓｗａｔｃｈ．ｃｏｍ．ｃｎ／ｒｏｂｏｔ． ［１７】ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｐｉｎｋｔｅｎｔａｃｌｅ．ｃｏｍ／２００７／０７／ｈａｌｌｕｃ—ｉｉ一８一ｌｅｇｇｅｄ—ｒｏｂｏｔ— ｖｅｈｉｃｌｅ／ ［１ ８】Ｂｅｒｎｈａｒｄ
Ｋｌａａｓｓｅｎ，Ｒａｌｆ Ｌｉｎｎｅｍａｎｎ，Ｄｉｒｋ Ｓｐｅｎｎｅｂｅｒｇ，Ｆｒａｎｋ Ｋｉｒｃｈｎｅｒ． ｗａｌｋｉｎｇ ｒｏｂｏｔ ＳＣＯＲＰＩＯＮ
：

Ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃ

Ｃｏｎｔｒｏｌ

ａｎｄ

ｍｏｄｅｌｉｎｇ［Ｊ］．Ｒｏｂｏｔｉｃｓ

ａｎｄ Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００２：６９—７６Ｐ

【１９］陳秉聰．車輛行走機(jī)構(gòu)形態(tài)學(xué)及仿生減粘脫土理論［Ｍ］．北京：機(jī)械工 業(yè)出版社，２００１：１１頁 ［２０】孫漢旭．四足步行機(jī)的研究［Ｊ］．北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)．１９８９ 【２１】錢晉武．地壁兩用六足步行機(jī)器人步態(tài)和運(yùn)動(dòng)學(xué)研究［Ｊ］．北京航空航 天大學(xué)學(xué)報(bào)．１９９３ ［２２］陽如坤．全方位六足步行機(jī)器人分析腿機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)分析、步
態(tài)規(guī)劃與步行軟件［Ｊ］．中科院沈陽自動(dòng)化研究所．１９９１

【２３】馬培蓀，鄭偉紅．四足步行機(jī)器人模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制［Ｊ］．機(jī)器人．１９９７，
１９（１）：５６—６０頁

［２４］李明東，程君實(shí)，馬培蓀．一種形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的微小型六足機(jī)器人
［Ｊ］．上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)．２０００，３４（１０）：１４２６—１４２９頁

［２５】蘇軍．多足步行機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃及控制的研究［Ｄ］．華中科技大學(xué)碩士學(xué) 位論文．２００５：７，６頁 【２６］蘇軍，陳學(xué)東，田文罡．六足步行機(jī)器人全方位步態(tài)的研究［Ｊ］．智能工 程．２００３：４８－５２頁 ［２７］陸新華，張桂林．室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人導(dǎo)航方法研究［Ｊ］．機(jī)器 人，２００３，２５（１）：８０—８７頁 ［２８】蔡自興．人工智能控制［Ｍ］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，２００５，１３６—１４３頁 ［２９］楊璐．基于智能體的多機(jī)器人協(xié)作研究及仿真［Ｄ］．南京理工大學(xué)碩士論
文，２００６，８—１０頁

【３０】孫華，陳俊風(fēng)，吳林．多傳感器信息融合技術(shù)及其在機(jī)器人中的應(yīng)用［Ｊ］． 傳感器技術(shù)，２００３，２２（９）：１２４頁
８２

哈爾濱Ｔ程大學(xué)碩士學(xué)位論文

【３１】Ｌｕｏ
ｆｏｒ

Ｒ Ｃ，Ｌｉｎ Ｍ Ｈ，Ｓｃｈｅｒｐ Ｒ Ｓ．Ｄｙｎａｍｉｃ ｍｕｌｔｉ２ｓｅｎｓｏｒ ｄａｔａ ｆｕｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ

ｒｏｂｏｔｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ

Ｊｏｕｒｎａｌ

ｏｆ

Ｒｏｂｏｔｉｃｓ
’

ａｎｄ

Ａｕｔｏｍａｔ ｉｏｎｓ，１９８８，４（４）：３８６—３９６Ｐ

［３２】胡伍生．神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論及其工程應(yīng)用［Ｍ］．北京：測(cè)繪出版社，２００６

【３３］王立權(quán)，孫磊，陳東良．仿生機(jī)器蟹樣機(jī)研究［Ｊ］．哈爾濱工程大學(xué)學(xué)
報(bào)．２００５，２６（５）：５９１—５９５頁

［３４】陳東良．仿生機(jī)器蟹兩棲步行機(jī)理與控制方法研究［Ｄ］．哈爾濱工程大
學(xué)工學(xué)博士論文．２００６：ｌ １－１２頁

［３５】翁海珊，王晶．第一屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽決賽作品集［Ｍ］，
北京：高等教育出版社，２００６：３－１３頁

【３６】羅紅魏．兩棲仿生機(jī)器蟹關(guān)鍵技術(shù)研究［Ｄ］．哈爾濱工程大學(xué)工學(xué)碩士
論文．２００７：４２—４３頁

［３７】郝欣偉．仿生機(jī)器蟹步行足協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究［Ｄ］．哈爾濱工程大
學(xué)工學(xué)碩士論文．２００７：１６頁

［３８］王立權(quán)，季寶鋒，陳東良．模塊化機(jī)械螃蟹．發(fā)明專利．申請(qǐng)?zhí)枺?br />２００７ １ ００７２３６４．０

【３９］吳俊飛，周桂蓮，付平．機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置研究進(jìn)展［Ｊ］．青島化工學(xué)
院學(xué)報(bào)，２００２

【４０］沈世德，徐辛伯．簡(jiǎn)單連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)函數(shù)的傅里葉展開及其應(yīng)用［Ｊ］．機(jī)
械設(shè)計(jì)，１９９８：２６—２７頁

［４１】王生澤，沈玉娟，張程．變結(jié)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析與設(shè)計(jì)［Ｊ］．中國(guó)
機(jī)械工程，２００２．

［４２】秦書安．帶傳動(dòng)技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展前景［Ｊ］．機(jī)械傳動(dòng)，２００２：卜６頁 【４３】蘭兆輝．鏈傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)質(zhì)及動(dòng)力特性改善［Ｊ］．機(jī)械設(shè)計(jì)，１９９０ ［４４】馬長(zhǎng)安，胡滿紅．諧波齒輪的工作原理及在減速器中的應(yīng)用［Ｊ］．山西冶
金，２００５（２）

［４５］陳樺，孫波，龐靜．諧波齒輪傳動(dòng)效率分析［Ｊ］．機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，１９９５
（３）：４９－５３頁

［４６］陳岱民，劉虹，李景權(quán)．諧波齒輪減速器的研制［Ｊ］．吉林工學(xué)院學(xué)報(bào)，
１９９７，１８（４）：１８－２３頁
８３

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文

［４７】王剛，陳東良，季寶峰等．基于諧波減速器的機(jī)器人關(guān)節(jié)．發(fā)明專利．申

請(qǐng)?zhí)枺海玻埃埃福保埃埃叮矗玻埃保?［４８】王鎮(zhèn)興．移動(dòng)多機(jī)器人通信網(wǎng)絡(luò)的研究［Ｄ］．南京理工大學(xué)碩士論文
［４９］Ｆｕｋｕｄａ
Ｔ，Ｓｅｋｉｙａｍａ Ｋ，Ｕｅｙａｍａ Ｔ，ｈｒａｉ Ｆ．Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ １９９３

ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃｅｌｌｕｌａｒ ｒｏｂｏｔｉｃ ｓｙｓｔｅｍ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ

ＩＥＥＥ／ＲＳＪ

Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ

Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．１９９３（２）：１０９１—１０９６Ｐ

［５０］于艷爽．八足仿生機(jī)器蟹運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)與控制系統(tǒng)研究［Ｄ］．哈爾濱工程大
學(xué)２００４：７５頁 ［５１］袁鵬．仿生機(jī)器蟹步行機(jī)理分析及控制系統(tǒng)研究［Ｄ］．哈爾濱工程大 學(xué)．博士學(xué)位論文．２００３：１ｉ０－ｉ１７頁

［５２】王沫楠，孫立寧．仿生機(jī)器蟹步行足腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析． 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究［Ｊ］．２００５．２１（５）：４１－４４頁 ［５３】黃真，趙永生，趙鐵石．高等空間機(jī)構(gòu)學(xué)［Ｍ］．北京：高等教育出版社，
２００６：２８４－２８７頁 ［５４】陳學(xué)東，孫翊，賈文川．多足步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制［Ｍ］．武漢：華 中科技大學(xué)出版社，２００６：７８頁

［５５】黃真，孔令富，方躍法．并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論與控制［Ｍ］．北京：機(jī)械
工業(yè)出版社，１９９７：１２３－１２５頁

［５６】鄭凱，胡仁喜，陳鹿民．ＡＤＡＭＳ２００５機(jī)械設(shè)計(jì)高級(jí)應(yīng)用實(shí)例［Ｍ］．北京：
機(jī)械工業(yè)出版社，２００６：９頁

［５７】范成建，熊光明，周明飛．ＭＳＣ．ＡＤＡＭＳ應(yīng)用與提高［Ｍ］．北京：機(jī)械工
業(yè)出版社，２００６：１６４頁

【５８］ＭＳＣ．Ｓｏｆｔｗａｒｅ．ＭＳＣ．ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ高級(jí)培訓(xùn)教程［Ｍ］．北京：清華大學(xué)出
版社，２００４：１３３頁

［５９］鄭建榮．ＡＤＡＭＳ一虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高［Ｍ］．機(jī)械工業(yè)出版社２００７：
１９２－２００頁

［６０】張立勛，董玉紅．機(jī)電系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)［Ｍ］．哈爾濱工程大學(xué)出版社
２００６：１３２－１３３頁

［６１］季寶鋒．兩棲多足機(jī)器人虛擬樣機(jī)技術(shù)研究［Ｄ］．哈爾濱工程大學(xué)２００８：
６２－６６頁

哈爾濱丁程大學(xué)碩士學(xué)位論文

［６２］ｈｔｔｐ：／／ｗＷＷ．ｎａｔｉｏｎａｌ．ｃｏｍ／．ＬＭ６２８／ＬＭ６２９
Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｎｏｖｅｍｂｅｒ １９９９

Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ

Ｍｏｔｉｏｎ

［６３】劉仕良，方建軍．基于運(yùn)動(dòng)控制芯片的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［Ｊ］．單片機(jī)
與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，２００５年５月，５４－５６頁

［６４】周明浩．模塊化多足步行機(jī)器人關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)研究［Ｄ］．華中科技大學(xué)
２００６：１１－２８頁 ［６５］周立求，夏玲．基于ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７的ＣＡＮ總線通信方案［Ｊ］．電氣時(shí)代 ２００４（１１）：１２４－１２６頁

［６６］朱相榮．金屬材料的海洋腐蝕與防護(hù)［Ｍ］．１９９９：１８６—１８７頁
［６７】李桂林．環(huán)氧樹脂涂料配方設(shè)計(jì)［Ｊ］．涂料工業(yè)，１９９９，（１２）：卜７頁

［６８］肖善紅．環(huán)氧防腐型粉末涂料的配方研究［Ｊ］．造船技術(shù)，１９９２，（３）：
３０—３２頁

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攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文和取得的科研成果
［１］王剛，孟慶鑫，陳東良，季寶鋒，劉德峰．一種新型多足仿生機(jī)器人步
行足關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)研究．機(jī)械工程師．已錄用

［２］王立權(quán)，劉德峰，陳東良，鄧輝峰，季寶鋒，王剛．兩棲機(jī)器蟹水下步
態(tài)分析．機(jī)器人．已錄用 ［３］基于諧波減速器的機(jī)器人關(guān)節(jié)．申請(qǐng)?zhí)枺海玻埃埃福保埃埃叮矗玻埃保玻l(fā)明專利． ２００８，０４，排名第一

［４］季寶鋒，劉德峰，賈守波，宋輝，王剛．仿生機(jī)器蟹．機(jī)械原理與機(jī)械 設(shè)計(jì)課外實(shí)踐選題匯編．北京：高等教育出版社．２００６，０５ ［５］模塊化機(jī)械螃蟹．申請(qǐng)?zhí)枺海玻埃埃罚保埃埃罚玻常叮矗埃l(fā)明專利．２００７，０６，
排名第六

［６］王立權(quán)，陳東良，陳凱云，王剛等編著．機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作．北京：
清華大學(xué)出版社，２００７，０６

哈爾濱Ｔ程大學(xué)碩士學(xué)位論文

致

謝

經(jīng)過一年的努力，終于完成了論文的撰寫工作，在此首先特別感謝我的 導(dǎo)師孟慶鑫教授，在我就讀碩士的兩年里他傾注了大量的心血。孟老師是一 位知識(shí)淵博、學(xué)風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)、思維敏銳、學(xué)術(shù)思想豐富的老師，他認(rèn)真而熱情的 工作態(tài)度給了我很大的幫助和啟迪。在此向?qū)熤乱猿绺叩木匆夂椭孕牡母?br />謝！

還要特別感激課題組的陳東良副教授，在論文研究過程中，陳老師對(duì)我 的進(jìn)展及遇到的問題提出了不少寶貴的建議，使我能夠順利克服研究過程中 所遇到的困難，順利的完成論文。 另外，感謝哈爾濱工程大學(xué)海洋智能機(jī)械研究所的王立權(quán)教授、王茁教 授、馬洪文副教授、陳凱云副教授、張嵐副教授、弓海霞副教授、侯恕平副 教授、張忠林副教授、袁夫彩副教授、姚建均和賈鵬老師在學(xué)習(xí)期間對(duì)我的
幫助。

感謝孫榮華老師、趙長(zhǎng)發(fā)老師以及關(guān)心和幫助過我的所有老師。實(shí)驗(yàn)室 老師們對(duì)于我課題及生活上的幫助，以及各位老師在科學(xué)研究中踏實(shí)、嚴(yán)謹(jǐn) 和認(rèn)真的態(tài)度，讓我受益匪淺，是我今后工作中學(xué)習(xí)的榜樣。 還要感謝與我同一課題組的劉德峰同學(xué)、鄧輝峰同學(xué)、季寶鋒同學(xué)以及 實(shí)驗(yàn)室的宋輝、賈守波、余志偉、王文明、王才東、尹博等同學(xué)，在我進(jìn)行 研究的過程中，我們共同探討，相互協(xié)作，為課題的順利開展及完成提供了 極大的幫助。感謝他們對(duì)我的熱情幫助和支持！ 最后，我要特別感謝我的父母，還有兩年來一直關(guān)心支持我的女朋友陳 曦，正是有了他們的支持和理解我才能不斷前進(jìn)！ 感謝辛勤培育我的母�！枮I工程大學(xué)１

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多足仿生機(jī)械蟹步態(tài)仿真及樣機(jī)研制
作者： 學(xué)位授予單位： 王剛 哈爾濱工程大學(xué)

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本文鏈接： 下載時(shí)間：2010年4月27日



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