小型四足机器人的机械设计与仿真 毕业设计论文

摘要

四足机器人有很强的环境适应性和运动灵活性，可广泛运用于抢险救灾、排雷、探险、娱乐、及军事等领域，因此，对四足机器人的研究已经成为机器人研究领域的重要课题。本文介绍了一种能实现前方探测功能的小型四足机器狗的机械设计与仿真过程。论文的主要内容包括：

1.简要分析了国内外四足机器人的发展现状和趋势。

2.根据要实现的功能对机器狗进行整体机械设计与关键部位的优化。

3.采用三维造型软件Solidworks建立四足机器狗的本体结构，    然后在保持模型质量、质心位置和转动惯量等物理信息和几何信  息不变的条件下，对模型进行简化，便于仿真。

4.采用Parasolid文件传输标准，利用ADAMS的专业图形接口模块ADAMS/Exchange，把在SolidWorks环境下建立的简化后的模型导入ADAMS/View中。在ADAMS/View环境下，根据实际情况添加相应的约束、驱动和力。然后进行仿真，并将仿真过程保存在AVI格式的电影文件。

关键字：四足机器狗，机械设计，SolidWorks，ADAMS，仿真

Abstract

The quadruped robot, which has advantages of good surrounding adaptability and high move agility, is applied to a great deal of fields such as rescue realm, mine sweeping, adventure, entertainment, military affairs, etc. So the research on quadruped robot dog has become very important in robot research area. The main research introduces the mechanical design and simulation process on a kind of quadruped robot dog that can detect front environment. It includes:

1.Current research situation and development trend of quadruped robot dog both in domestic and abroad is briefly introduced.

2.According to its expecting function, overall mechanical designing and optimization on key parts are done.

3.Establish the body structure of quadruped robot dog with 3d modeling software-Solidworks. Then simplify the model for the convenience of simulation with the quality, the centroid position and model of inertia, information and geometry keeping stable.

4.Import the simplified model which is in Solidworks environment into ADAMS/View by using the professional graphic interface module of ADAMS/Exchange with the file transfer standard of Parasolid. In ADAMS/View environment, according to the actual situation of the corresponding restraint, add driver and force. Then simulated it, and save the process of simulation of AVI format file.  

Key words: quadruped robot dog, mechanical design, SolidWorks, ADAMS, simulation

第一章  引言

1.1  机器人概述

机器人技术是近几十年来迅速发展起来的一门高技术，它综合了机械与精密机械、微电子与计算机、自动控制与驱动、传感与信息处理以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是典型的机电一体化技术，是目前科技发展最活跃的领域之一。经济的发展与各行各业要求自动化程度的提高，推动着机器人技术的发展，出现了各种各样的机器人产品。机器人产品己经广泛应用于国民生产的各个领域，并正在给人类传统的生产模式带来性的变化，影响着人们生活的方方面面。机器人的研究与应用水平，是一个国家经济实力和科技发展水平的反映，可以这么认为，一个国家如果不拥有一定数量和质量的机器人，就不具备国际竞争的工业基础。因此，世界上许多国家，包括中国在内，都对机器人的发展予以高度的重视。

1.1.1  机器人发展概述

“机器人”体现了人类长期的一种愿望，即用一种具有拟人功能那样的机器，来代替人去进行各种活动。西周时期，我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的机器人。在两千多年前的东汉时代，张衡发明了指南车，在车辆运动过程中牧人的手总指向南方，这是世界上最早的移动式“机器人”的雏形。后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，并用其运送军粮，支援前方战争，这可以说是另一种移动式“机器人”。唐代有四川杨行廉制作的手会动且会走的木僧，还有江苏马待封制作的机器人梳妆台和宴会劝酒名为“酒山”的服务机器人。以上仅是一些不完全的记载，但已说明了中国追求机器人实现的努力由来已久。

人类进入近代以后，随着第一次、第二次产业(17~19世纪)，各种机械装置的发明和应用，特别是在机械计时装置的发展基础上，日本、西欧等国家出现了不少精巧的“机器人”玩具或“机器人”工艺品，这些装置大多由时钟机构驱动，用凸轮和杠杆传递运动。

进入20世纪后，机器人的研究与开发得到了更多人的关心与支持，一些实用化的机器人相继问世，1927年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”，并在纽约举行的世界博览会上展出。它是一个电动机器人，装有无线电发报机，可以回答一些问题，但该机器人不能走动。

自1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，其结果之一便是1952年数控机床的诞生。与数控机床相关的控制、机械零件的研究又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，原子能实验室的恶劣环境要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。

1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。

作为机器人产品最早的实用机型(示教再现)是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”，和UNIMAT10N公司推出的“UN1MATE“。这些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似，但外形特征迥异，主要由类似人的手和臂组成。

1965年，MIT的Robots演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人系统。

1967年日本成立了人工手研究会(现改名为仿生机构研究会)，同年召开了日本首届机器人学术会。

1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。1970年以后，机器人的研究得到迅速广泛的普及。

1973年，辛辛那提·米拉克隆公司的理查德·豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人，它是液压驱动的，能提升的有效负载达45公斤。

到了1980年，工业机器人才真正在日本普及，故称该年为“机器人元年”。

随后，工业机器人在日本得到了巨大发展，日本也因此而赢得了“机器人王国的美称”。

随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。80年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念。

这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用，而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间，水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世，许多梦想成为了现实。将机器人的技术(如传感技术、智能技术、控制技术等)扩散和渗透到各个领域形成了各式各样的新机器一一机器人化机器。当前与信息技术的交互和融合又产生了“软件机器人”、“网络机器人”的名称，这也说明了人类在机器人方面所具有的创新活力。

1.1.2  四足机器人概述

目前机器人的移动方式主要包括轮式、履带式、步行、爬行、蠕动等。车轮自其问世以来，一直是在坚硬平地上运动的最有效工具。对于不平度小于车轮半径的地面，通过充气或其它弹簧阻尼系统的隔振，车辆的舒适度是相当好的。但是在不平地面上行驶时，轮式车辆的能量大大增加，而在松软地面或严重崎岖不平的地形上，车轮的作用将严重丧失。

为了改善轮子对松软地面和不平地面的适应能力，履带式车辆应运而生。履带使车身载荷分布在一块比较大的面积上，相当于一种为轮子铺路的装置，履带由于可以产生较大的推进力且不像轮子那样容易陷入松软地面，在工程上和军事上均得到广泛的应用。但是履带运动方式在不平地面上的机动性仍然很

差，特别是转向时的滑动和陷入使其能耗率大为下降，同时车身晃动仍然严重。

轮式、履带式对环境空间要求较高，因而其应用范围受到一定的。爬行和蠕动型机器人主要用于管道和其它狭窄空间内工作，具有良好的静、动稳定性，但移动速度较慢。步行是人和大多数高等动物共同采用的移动方式，对环境具有很强的适应性，既可以进入相对狭窄的空间，也可以跨越障碍、上下台阶、上下斜坡甚至在不平整地面上运动。使得其与上述各种运动方式相比，

具有更广阔应用前景。据调查，地球上近一半的地面不能为传统的轮式或履带式到达，而很多足式动物却可以在这些地面上行走自如。这给人们一种启示:足式运动具有其它地面推进方式所不具备的独特优越性能。

现有的步行机器人(包括跳跃机)的足数分别为一足、二足、三足、四足、六足、八足甚至更多。其中偶数占绝大多数，因为就直线运动来说，偶数足能产生有效的步态。足的数目多时适合于重载和慢速运动(如海底行业步行机)，而二足或四足结构简单且更灵活一些。与二足相比，四足步行机器人承载能力强、稳定性好，既能以静态步行方式实现不平地面及复杂地形上的行走，又能以动态步行方式(步行过程任意时刻均少于三条腿同时处于支撑状态的步行方式)实现高速行走，在抢险救灾、排雷、探险、娱乐及军事等许多方面有很好的应用前景，其研制工作一直受到各国的重视。

二十世纪六十年代，机器人技术的研究进入了以机械和液压控制实现的发展阶段。美国的Shigley(1960)和Baldwin(1966)都使用凸轮连杆机构设计了机动的步行车，但由于技术水平，所设计的步行机效率低而且对地面的适应性差。典型的是1969年，美国的通用电气公司制造出一种机器马，它的四条腿由液压伺服马达系统驱动，安装在腿和脚上的位置传感器完成位置检测功能，马背的驾驶台上可以坐一个人，进行操纵，当操纵员的手、脚动作时，就把动作传到机器马身上，不过力量大了好多倍，使马的四条腿动作，它的行走速度比人快一倍，它的前足可以拿起200多千克的重物。它最初是为了在恶劣条件下，帮助步兵搬运东西而设计的。虽然整机操作比较费力，但实现了步行及爬越障碍的功能，被视为是现代步行机发展史上的一个里程碑。但从步态规划及控制的角度来说，这种要人跟随操纵的步行机并没有体现步行机器人的实质性意义，只能算作是人操作的机械移动装置。

随着电子技术发展，计算机的出现，机器人技术进入了全面发展的阶段。20世纪90年代初期，由英国研制出四条腿的机器人，它有点像矮脚马。它前后腿分别组成对，向前迈进就像颠驰;若是同侧前后腿组成对，动作就像溜蹄，它的行动很自由。

在国内，中科院沈阳自动化研究所、清华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、国防科技大学等单位和院校都先后开展了机器人技术的研究，并在多足步行机器人技术的发展上也取得了较大的成果，例如:我国上海于20世纪90年代制成四足步行千日年，它能在高低不平的地面行走，可上台阶、爬斜坡、越过障碍物。

尽管四足机器人技术有了很大的发展，国内外均研究开发了很多原理样机或实验模型，但制约四足机器人技术进一步发展的基础理论问题并没有得到根本的解决。正如著名机器人学家Angeles教授所言:“步行机器人的理论研究步伐要远远落后于其技术开发的步伐”。现有的四足机器人的基础技术研究尚不够成熟和完善。

第二章  四足机器狗的本体设计

2.1  概述

    此处设计的机器狗为四足的，采用四足八关节的结构，结构比较简单，主要实现前方探测功能，每只脚底均有一个光电传感器，能有效检测脚底环境的变化。机器狗的头部为一个舵机，携带光电反射式传感器，能探测前方的障碍物。本文主要任务是对机器狗的机械结构进行设计优化，并进行三维模型的建立及简单仿真，对步态规划及控制部分不作讨论。

2.2  选择主体结构的材料

机器狗的质量比较轻，对主体材料的强度要求不是太高，所以选择铝合金作为主体材料，因为铝合金具有价格便宜，质量轻，易加工等特点，这里选择6061的铝合金型材。铝合金型材基本上没什么国标非标之说，但是国家对建筑铝型材有专门的行业规范，主要对型材的厚度、材质等做出要求。每家铝合金型材生产企业所生产的产品基本上大同小异，只不过在具体的结构上有所出入。但是像比较通用的系列，例如国标50、868、90，这些基本上都一样。80系列、60系列指的是铝合金型材边框的宽度分别是80毫米、60毫米。

2.3  初定结构尺寸与质量

由于机器狗控制系统的部分尺寸大小在120mm*90mm左右，所以依据这个尺寸，可以先对每个零部件设置初始的尺寸，并且估算其质量，一共分为五部分组成。

2.3.1  控制部分

控制部分包括舵机驱动器电路板，如图所示，单片机与电路板（不包括电源，电源为外置），其重量保守估计MC=500g。

2.3.2  舵机

目前市面上普通小舵机重量在50g左右，如图所示，所以取Md=50g。

图2.1 普通舵机

图2.2   16路舵机驱动器的电路板

2.3.3  腿部

腿部采用上下H型设计，其尺寸如图所示，按照其尺寸得到其体积为Vl=(27*70*1)*2+(23*27*2)=4020mm3,所以其质量为：

ML=4020mm3*0.0028g/mm3=11.256g。

图2.3  腿部结构图1

图2.4  腿部结构图2

2.3.4  脚部

脚部采用铝合金型材，长为40mm，宽为12mm，厚度为6mm估计重量为MF=5.04g。

2.3.5  身体骨架

同样采用了铝合金型材，分别为连接舵机的支架和横梁，尺寸分别为长55mm，               

宽12mm，厚度5m和长80mm，宽12mm，厚度5mm，所以质量分别为M梁1=8.25g，M梁2=12g。此处为尺寸的初选与质量的估计，经优化后尺寸可能会发生变化。

2.4  机器狗的扭矩与压力的计算

2.4.1  单腿的压力计算

当机器狗行走时，实际是只有一条腿离地，假设整个模型是对称的，所以，当一条腿抬起的时候，其对角线上的那条腿是不起支撑作用的，只有两条腿起支撑作用，此时承受在两条腿上的总重量G=MC+6*Md+2*ML+4*MF+2M梁1+M梁2=771.172g，所以1关节处受到的压力F1=385.586g，F2=F1+ML+Md=446.846g。

2.4.2  单腿的扭矩计算

腿的动作有两个状态：站立与抬起。

由初选的尺寸可以得到，关节1和关节2之间的长度La=70mm，

2关节与地面之间的长度约为Lb=60mm。

当腿站立时，1关节处受扭明显小于2关节处，所以只需计算2关节处的受扭，考虑其极限位置的情况即可，即M2=F2*Lb=2.68kg   。

当腿抬起时，1关节处受扭明显大于2关节处，所以只需计算2关节处的受扭，考虑其极限位置的情况即可，即M1=(ML+Md+2*MF)*La=0.5kg   。

综上，关节受到最大扭矩为Mmax=2.68kg   。

2.5  舵机的选择

舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的 IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，藉由检测电阻值便可知转动的角度。一般的伺服马达是将细铜线缠绕在三极转子上，当电流流经线圈时便会产生磁场，与转子外围的磁铁产生排斥作用，进而产生转动的作用力。依据物理学原理，物体的转动惯量与质量成正比，因此要转动质量愈大的物体，所需的作用力也愈大。

依照受扭矩较大处的来选择舵机，这里选择FUTUBA的舵机，列出一些不同型号的舵机，如图2.5所示，选择FUTUBA S3002的舵机，其规格见表2.1。

图2.5  FUTUBA部分舵机规格表一览

2.6  本章小结

本章主要研究了四组机器狗的本体设计，包括：

(1)选择主体结构的材料

(2)初定结构尺寸与质量

(3)机器狗的扭矩与压力的计算

(4)舵机的选择

walking dog的单腿设置髋关节和踝关节两自由度，能在一个平面内自由运动（见图2.6）。采用舵机作为机器狗的关节驱动器，其单腿结构图2.7见

图2.6  四足机器狗模型

图2.7 单腿结构

作为整个结构的重要部位，对其的优化与结构稳定性的验证机器及其重要，如果腿部受力变形，将对之后研究的步态行走的稳定性和准确性产生影响，所以对其的研究很重要，将在下一章详细介绍。

第三章  对腿部结构的优化及应力绕度的验证

3.1 采用Matlab 软件进行优化分析

3.1.1  问题描述

现有一机器狗单腿，如图3.1所示，腿分上下两部分，长度分别为L1和L2，图中圆洞处与舵机相连，受到最大的扭矩为2.68kg. cm，最大的压力为4.4N,要求腿部最高不得超过90mm，最低不得低于70mm，腿部其他参数见下表3.1，于研究对象为小型四足机器狗，所受的扭矩与力都不大，所选材料铝合金完全可以承受，所以这里只研究腿尺寸的长短对质量的影响，先要求设计腿部的长度，再满足要求的前提下，使整条腿的质量最轻。 

图3.1 腿部三维模型简图

3.1.2  建立数学模型

优化设计追求的指标为腿部质量Q最轻，Q 的计算式为:

Q(X)=Q(x1,x2)

=ρ*V

=(((2*L1+49)*25*1)+((2*L2+49)*25*1))*2.8*10E-3

=0.14(L1+L2)+0.274

式中:设计变量X = [ x 1 , x 2 ] T = [ L1 , L2 ] T。

显然, L1 、L2 越小, Q 值越小。

但L1与L2受整体尺寸要求的影响，将上述要求约束整理后

得：

A．最大尺寸

L1+L2≤90

B.  最小尺寸

L1+L2≥70

C  腿上度

    L2≥35

据此,可写出优化设计的数学模型为:

min Q ( X) = 0.14*(L1+L2)+0.274　　

X = [ x 1 , x 2 ]T = [ d , l ] T

s. t 　

90-L1-L2≥0

L1+L2-70≥0

L2≥35 

3.1.3  采用MATLAB 软件对优化问题的分析

3.1.3.1  对软件的了解和熟悉

由于第一次使用MATLAB,所以对这款软件进行了一定的了解和熟悉，图3.2为matlab的主工作界面。

图3.2  Matlab的主工作界面

MATLAB 可以用来进行以下各种工作：

　　● 数值分析 

　　● 数值和符号计算 

　　● 工程与科学绘图 

　　● 控制系统的设计与仿真 

　　● 数字图像处理 技术

　　● 数字信号处理 技术

　　● 通讯系统设计与仿真 

　　● 财务与金融工程 

MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用 MATLAB 函数集）扩展了 MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。

3.1.3.2  约束函数的性态分析

应用MATLAB 语言编程:

[ x ,y] = meshgrid(linspace (0 ,17 ,19) ,linspace (0 ,11 ,19) ) ; 　%根据函数的定义划分网格区域

Q = 0.14*（x+y）+0.27;

mesh (x ,y ,Q) ; 　%通过三维网格模拟目标函数图形

xlabel (′L1′) ;

ylabel (′L2′) ;

zlabel (′Q′) ; 　%标注三坐标轴

title (′目标函数的图像′) 　%标注图形名称

运行程序可画出目标函数的三维图形,如图3.3所示：

图3.3  函数图像

3.1.3.3  应用MATLAB软件的优化工具箱对问题的优化

A．取设计变量的初值为: x0 = [40 45]t ,首先,编写目标函数的m 文件:Objfun. m ,返回x 处的函数值f 。

function f = Objfun (x)

f = 0.14*(L1+L2)+0.274

B．因设计约束含2个非线性约束,故编写一个描述非线性约束的m 文件:NonLinConstr. 

function [c ,ceq] = NonLinConstr (x)

c (1) = -90+x(1)+x(2) ;

c (2) = 70-x(1)-x(2)  ;

ceq = [ ] ;

C. 设置线性约束的系数:

A = [ 0 　- 1；

0 　0 ] ;

b = [ -35 　0 ] ;

D. 给定变量的初值,并且调用优化函数:

x0=[40 45] ;

A=[0 -1 ；

0 0] ;

b=[-35 0] ;

b1=zeros(2,1) ;

options=optimset('Display','iter','LargeScale','off') ;

[x,fval,exitflag,output]=fmincon('Objfun',x0,A,b,[],[],b1,[],'NonLinConstr',options)

E. 计算结果:

具体计算结果如图3.4所示，得到：

x =32.4632   37.5368             %最后的优化结果:

fval =10.0740                    %优化后的最小质量

exitflag =1                      %算法退出处条件

output = 

iterations: 3            %函数调用次数

        funcCount: 15            %函数评价次数

        stepsize: 1              %步长

        algorithm: 'medium-scale: SQP, Quasi-Newton, line-search'                     %算法

    firstorderopt: 8.0074e-008

     cgiterations: []

即：L1=32.4632mm, L2=37.5368mm, Qmin=10.0740g;

图3.4 求解结果

3.2 ANSYS验证腿部的应力与挠度

3概述

对于机器狗腿部的优化，主要优化了机器狗腿部上下两部分的长度L1和L2，但这仅仅为结构上的优化，之前腿部铝合金片的厚度初值仅取1mm，整个结构在受力稳定性和变形上尚未研究验证，如果腿部受力变形，将对之后研究的步态行走的稳定性和准确性产生影响，所以有必要对其在最大应力和最大压力载荷下的受力情况和变形情况进行研究，验证1mm的厚度是否可行。所以将使用ANSYS软件进行验证。

3.2.2  ANSYS介绍

ANSYS是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用CAE软件，其分析功能强大，有内建的建模模块，但是在处理复杂形状时，其建模功能难以胜任。SolidWorks提供强大的基于特征的实体建模功能。如将ANSYS与专业的cAD软件SolidWorks有效的结合，扬长避短。利用与SolidWorks强大的造型功能进行零部件建模、装配，再导人ANSYS之中进行相应的有限元分析，从而发挥各自的优势。大体来讲，ANSYS由以下分析功能:(1)结构静力分析(2)结构动力学分析(3)结构非线性分析(4)动力学分析(5)热分析(6)电磁场分析(7)流体动力学分析(8)声场分析(9)压电分析。这里用到的是第一个功能，结构静力学分析。

3.2.3  ANSYS与Silodworks数据接口问题

ANSYS与SolidWorks创数据交换流程如图1。在ANSYS9.0中，提供多种CAD接口，主要有:IGES、CATIA、PRO/E、UG、SAT、PARA等。这几种格式具有各自不同的特点。其中IGES和PARA是两种比较常用的传输格式。IGES是The Initial Graphics Exchange Specification的首字母的缩写，IGES是被定义于计算机复制设计与计算机辅助制造系统（Computer-Aided Design(CAD)&Computer-Aided Manufacturing(CAM)Systems）不同电脑系统之间的通用ANSI信息交换标准。PARA是Parasolid的缩写，PARA提供了一个可供互相操作的数据管道，使用已经成为标准的XT文件格式，允许基于PARA的系统共享和几何数据交换，而不需要进行任何的数据转换。

对于简单的实体，将SolidWorks里画好的模型以IGS格式保存，只要在ANSYS中用import导入就可以了（下文有详说）。

3.2.4  用ANSYS求解验证过程

A.模型的导入

将在SolidWorks中画好的腿模型以IGS格式保存，然后打开ANSYS,导入模型，如图3.5与图3.6所示 ：

图3.5  ANSYS软件的import功能将三维模型导入ANSYS

图3.6  导入后的模型

B.定义实体类型

将类型定义为solid——Brick 8node 45,如图3.7所示：

图3.7  定义模型类型

C.定义实体材料特性

在Material Model——Structural——Linear——Elastic——Isotropic下面输入材料的弹性模量与泊松比，分别为68.9Gpa和0.33，如图3.8所示：

图3.8  定义材料特性

D.加约束与载荷

在load菜单下分别加上约束与载荷，具体情况如图3.9所示：

图3.9  加载后的实体

E.求解

点击solve菜单下的求解命令，得出结果，ANSYS的求解功能非常强大，.可以得到很多分析图，这里只取对本课题有研究价值的分析图，如图3.10和图3.11所示：

由分析图可见：

腿部受到的最大应力为10.122KPa；

          最大挠度为2.61e-9mm；

查表得：

6061铝合金的极限抗拉强度为124 MPa； 

受拉屈服强度  55.2 MPa；

延伸率25.0 % ；

弹性系数68.9 GPa ；

弯曲极限强度228 MPa ；

图3.10  总体应力分布图

图3.11  受力变形视角二

疲劳强度 62.1 MPa，

由此可见：

在应力方面，10.029KPa<<1MPa,所以此设计可行，

在变形方面，1.27e-9mm的挠度也可以忽略其对机器狗整体行走的影响，所以厚度h=1mm，    L1=32.46mm，L2=37.54mm，这个方案可行。

3.3本章小节

本章主要介绍了用matlab对腿部尺寸进行优化，归纳总结使用MATLAB 软件求解的过程和经验分析后得知,求解时的一般步骤:

(1) 判断优化问题的类型。分析时要区分: ①单目标与多目标问题; ②线性与非线性问题; ③是否为线性规划问题等几种情况。

(2) 根据优化问题的类型来选定优化函数。

(3) 为优化模块fmincon 提供输入参数。

(4) 根据目标函数的性态,预设优化选项,即options 的设置。

(5) 在所有的输入参数定义后,调用优化函数进行优化程序调试。

(6) 根据优化过程的具体提示信息,修改优化选项的设置,直到达到满足优化函数fmincon 所需的优化条件为止。

对于优化后的腿部，由于厚度较薄，所以对其进行验证，使用ANSYS很好的解

决了这个问题，对其进行了验证，最后方案可行。

    对于优化好的腿部，下一章将对整个机器狗进行三维造型。

第四章  三维模型的建立

4.1  四足机器狗的本体结构的建立

为了快速准确地建立其模型，并方便日后的修改和计算，运用三维实体造型软件sofidworks软件，建立四足机器狗各个部件的三维实体模型，并根据系统中各个部件的相对位置关系，组装成装配体。

4.1.1  SolidworkS软件的介绍

相比传统的ZD绘图，三维实体造型不仅可以提供几何拓扑信息，而且可包含模型的材料、质量、质心位置和转动惯量等物理信息，因此三维实体造型件己经成为现代设计师钟爱的使用工具。目前市面上流行的三维实体造型软件SolldworkS，Pro/e，UG，Ideas，它们都带有功能相当完善的实体建模模块，可以快速准确的完成复杂系统的实体建模。相比其它造型软件，Solidworks价格低廉，易学易用，并且支持Iges，Parasolid，Step，Dxf，Dwf等数据传输标准，这样保证了跟其它CAD/CAE软件比如Ansys，ADAMS，Pro/e，Ideas等软件之间进行数据传递。

Solidworks是一套基于特征的参数化机械设计自动化软件，它采用了大家所熟悉的MicrosoftWindows图形用户界面。使用这套简单易学的工具，机械设计工程师能快速、方便地按照其设计思想绘制出草图及三维实体模型;在设计过程中，可应用特征、尺寸及约束功能，准确制作设计模型，并绘制出详细的工程图;根据各零件间的相互装配关系，可快速实现零部件的装配，完成总体设计任务。

4.1.2  四足机器狗本体结构的三维模型

   经过上一章的优化之后，腿部尺寸发生了变化，所以整个尺寸也将进行调整。四足哺乳类动物的每条腿由五段组成，通过与躯干的连接构成五个关节，每个关节至少有一个自由度，这种超冗余自由度使动物的运动极其灵活。但是，在四足机器狗的结构设计中，为了降低控制的复杂程度，它的腿部不可能像动物那样具有五段和超冗余自由度。从而，在力求达到机器狗运动的灵活性的前提下，对机器狗的肢体结构进行合理简化，每条腿具有2个关节，每个关节设计一个自由度。

根据以上原则设计对机器狗主要零部件的尺寸进行修改，如图4.1、图4.2和图4.3所示，其余机械参数具体如表4.1所示，机器狗的总体机械结构如图4.3和图4.4所示：

图4.1  舵机壳的零件图

图4.2  上腿部的零件图

图4.3  下腿部的零件图

图4.4  机器狗总体结构1

图4.5  机器狗总体结构2

4.1.3  四足机器人的简化模型

对于一个机械系统，通常要建立数十个甚至上百个三维实体零件或子体。电机、轴承座、轴承、传动机构等很多附加零件，进行运动学、动力学仿真的时候不必考虑这些附加零件的外形，只需要考虑它们的重量、重心、转动惯量等物理参数。为了减少仿真的困难，本文根据各个部件的实际情况，对一些附加零件进行简化，简化为由数个刚体组成的刚体模型，同时注意尽量保持跟实物相近的几何外观。简化这些附加零件的办法是在用solidworks软件建立好的完整模型中加入各种零件的材料密度或重心、转动惯量等物理参数，再根据刚体的实体体积，折算出相应的密度。最后将这些物理参数加到简化后的模型上，简化后的模型如图4.6所示。

图4.6  四组机器狗简化后的模型

4.2 本章小结

本章主要介绍了运用三维建模软件将机器狗的各个零件进行绘制，加入其物理特征,包括密度、质量、转动惯量，重心等参数。以便于下一步仿真的运用。并将画好的零件图进行装配，建立机器狗整体的三维造型。由于涉及到仿真有很多问题，所以进一步将模型简化，以便于仿真。

在三维建模过程中也碰到一些问题，比如：

（1）有时将一文件夹中所有文件拷贝到另一文件夹，打开装配体文件时，零部件不是本地目录，还为原文件夹，这个问题很头疼，后来慢慢的摸索终于知道了，执行这样的拷贝操作，应在打开新位置的的装配体之前，将原文件夹改名。打开保存一次后，装配体就记住了子零部件的新位置。如有必要，可以将原文件夹恢复旧名。

（2）经过扫描形成的实体在工程视图中标不上尺寸 ，这样的很多重要尺寸就标不上了，影响读图，后来知道这些外轮廓有时是无法选中，高版本基本解决。必要时作切线等辅助线。在3D中作辅助线或面，再在2D中引用就可以了。

第五章  四足机器狗的简单动力学仿真

5.1  概述

将已经建立好的三维模型导入仿真软件ADAMS中，利用ADAMS简单模拟机器狗原地走，施加简单的驱动函数，这里用的是step函数，仿真之后，测出关节处所受的扭矩，来验证所选的舵机是否满足要求。

5.2  ADAMS软件的介绍

国外虚拟样机技术的商品化过程早己完成。目前有二十多家公司在这个日益增长的市场上竞争。比较有影响的产品包括美国MSC公司的ADAMS，比利时LMS公司的virtual.Lab Motion(其前身为DADS)以及德国航天局的SIMRACK，韩国的Reeurdyn等。       

ADAMS软件包括3个最基本的解题程序:ADAMS/View(基本环境)、ADAMS/solver(求解器)和ADAMS/processor(后处理)。另外还有一些特殊场合应用的附加程序模块。

在3个基本程序中，ADAMS/View是ADAMS系列产品的核心模块之一，是以用户为中心的交互式图形环境。它提供了一个直接面向用户的基本操作对话环境和虚拟样机分析的前处理功能，其中包括样机的建模和各种建模工具、样机模型数据的输入和编辑、与求解器和后处理等程序的自动连接、虚拟样机分析参数的设置、各种数据的输入和输出、同其它应用程序的接口等。

ADAMS/solver是ADAMS产品系列中处于心脏地位的仿真“发动机”。该软件自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果。ADAMS/Solver有各种建模和求解选项，以便精确有效地解决各种工程应用问题。它除满足用户输出位移、速度、加速度和力等的要求外，还可输出用户自己定义的数据。用户可以通过运动副、运动激励、高副接触、用户定义的子程序等添加不同的约束，同时求解运动副之间的作用力和反作用力，或施加单点外力。

ADAMS仿真分析结果的后处理，可以通过调用后处理模块ADAMS/Proeessor来完成。ADAMS/Processor模块具有相当强的后处理功能，它可以回放仿真结果，也可以绘制各种分析曲线。除了可以直接绘制仿真结果曲线以外，ADAMS/proeessor还可以对仿真分析曲线进行一些数学和统计计算;可以输入实验数据绘制试验曲线，并同仿真结果进行比较;可以进行分析结果的曲线图的各种编辑。ADAMS/processor模块既可以在ADAMS/View环境中运行，也可脱离ADAMS/View环境运行。

5.3  四足机器狗虚拟样机模型的建立

ADAMS/View提供了丰富的基本形体建模工具库，利用这些参数化图库，可以方便地绘制一些基本形体。对于复杂形体，利用连接线段功能，形成复杂形状的面，然后利用拔出和回转建模功能形成形状复杂的形体，或者将若干基本形体通过一定的方式组合，通过交、并、差等布尔运算形成复杂的形体。

对于形状复杂的零件，ADAMS的建模功能远不及一些参数化造型软件。在此，已经利用基于特征的参数化设计软件Solid- works建立四足机器人的本体结构，然后利用ADAMS/Exchange模块,将模型导入到ADAMSMew环境下，进行运动学动力学仿真分析。

5.3.1 建立虚拟样机模型的步骤

建立四足机器人虚拟样机模型的步骤如下:

1.Solidworks文件导入ADAMS

在Solidworks软件里完成零件的装配以后，输出格式为Pa- rasolid格式的x_t文档。

启动ADAMS/View程序，新建一个模型，保存系统默认设置。选择OK按钮，进入工作窗口。执行File/Import命令，打

开File Import对话框，在File Type下拉列表中选取Parasolid (*.xmt_txt,*.x_t.*.xmt_bin，*.x_b)选项;在File To Read栏中右击鼠标，从弹出的快捷菜单中选取Browse命令，再选取创建好的xmt_txt文件;在Model Name栏中右击鼠标，选取新建的模型,如图5.1和图5.2所示。

图5.1  倒入模型的几何对话框

图5.2  模型导入ADAMS/View

2. 创建约束

模型成功导入ADAMS/view后，先创建一个地面，这里用水平板来代替，并将其固定到地面，如图5.3。再创建约束，定义零件间的相对运动。ADAMS软件提供了丰富的约束库，可以方便的实现约束的创建。根据四足机器人的动力学模型和模型的实际运动情况可知，该四足机器狗有8个旋转副，如图5.4所示。在零件之间创建旋转副，这些旋转副确定哪些零件之间有运动关系，并且保证有相对运动的零件按照设计要求的运动轨迹进行运动。

图5.3  创建水平面

3．添加驱动

在四足机器人模型的旋转副上添加运动学驱动，如图5.4所示。运动学驱动以时间函数的形式确定零件之间进行转动的运动学方程式。将鼠标放在施加的旋转驱动右击，选择modify设置驱动的大小，本文采用ADAMS/View函数设置驱动，图5.5是四足机器人驱动函数设置的界面,将各个关节设置驱动函数，这里采用了简单的STEP函数：

FR膝关节：step(time,0,0d,2,15d) +step(time,3,0d,5,-15d)

FR髋关节：step(time,1,0d,3,-30d) +step(time,3,0d,5,30d)

BL膝关节：step(time,5,0d,7,15d) +step(time,8,0d,10,-15d)

BL髋关节：step(time,6,0d,8,-30d) +step(time,8,0d,10,30d)

FL膝关节：-step(time,10,0d,12,15d) -step(time,13,0d,15,-15d)

FL髋关节：step(time,11,0d,13,30d) +step(time,13,0d,15,-30d)

BR膝关节：step(time,15,0d,17,15d) +step(time,18,0d,20,-15d)

BR髋关节：step(time,16,0d,18,-30d) +step(time,18,0d,20,30d)

图5.4  添加约束与驱动

图5.5  驱动函数设置界面

4．创建接触力

当足与地面之间发生接触时，这两个物体就在接触的位置产生接触力.足与地面的接触力是一种特殊的力，它们之间是一种时断时续的接触，在这种情况下，足与地面从不接触到接触再到不接触，由于存在相对运动，在接触的位置，足与地面开始出现材料压缩，物体的动能转化成材料的压缩势能，并伴随着能量的损失。当足与地面的相对速度为零时，足又要开始弹起，势能转化成动能并伴随着能量的损失。这里将四个圆柱形底面与水平面之间设置接触力，并在里面设置力的属性，如图5.6所示。

通过以上步骤，建立好虚拟样机模型。

5．系统仿真

选择仿真工具，进入四足机器人仿真分析，可以看到机器人进行正常的仿真。

将仿真过程保存在AVI格式的电影文件中，可以在脱离ADAMS/View进行播放。四足机器人仿真过程如图5.7所示。

图5.6  设置接触力

图5.7  四足机器狗的仿真

6．后处理数据

在plotting里面，可以看到处理的数据，如图5.8所示，可以看到扭矩最大地方在髋关节处，大小为M=30N.mm<3.3kg   ，

所以所选的舵机满足要求。

图5.8  后处理结果

5.4  本章小结

本章首先介绍了四足机器人虚拟样机的几何建模环境Soli- dworks软件和系统建模及仿真环境ADAMS软件，然后介绍了四足机器人虚拟样机的建模和仿真的步骤和实现方法，主要内容如下:

1.采用Parasolid文件传输标准，利用ADAMS的专业图形接口模块ADAMS/Exchange，把在Solidworks环境下建立的简化后的模型导入ADAMS/View中。在ADAMS/View环境下，根据实际情况添加相应的约束、驱动和力。

2.进行仿真，并将仿真过程保存在AVI格式的电影文件。通过以上步骤，建立了完整的四足机器人虚拟样机，为四足机器人后续步态规划后的仿真工作奠定基础。

第六章  结论

    人技术的迅猛发展，对能在复杂环境下行走的特种机器人的需求日益增加。在复杂环境下利用机器人执行高危险性的任务，成为各国机器人专家研究的一个热点。四足步行机器人运动灵活、稳定性好，既能以静态步行方式实现不平地面及复杂地形上的行走，又能以动态步行方式实现高速行走，在抢险救灾、排雷、探险、娱乐及军事等许多方面有很好的应用前景。

6.1  研究结果

本文介绍了一个简单四足机器狗的设计过程，从结构的设计，以及动力学的计算，舵机的选择，结构的优化，三维模型的建立，到最后的仿真模型的建立，为以后进行步态规划下的仿真，打下了基础。本文主要的工作和研究结果如下：

1.介绍了机器人的发展，优点，作用，以及今后的前景；四组机器人的介绍，包括种类，以及发展历程。

2.四足机器狗的整体设计，包括材料选择，结构尺寸，质量估算，多级选择，扭矩与压力的计算等。

3.对四足机器狗的关键部位腿部进行了优化，还用ANSYS对其应力与挠度进行验证。

4. 用Solidworks软件建立四足机器人本体结构的三维模型，计算出该模型的主要参数(如质量、几何特性等)，保留模型的主要参数不变的条件下对该模型进行简化。

5. 型进行简化。利用ADAMS的专业图形接口模块ADAMS/Exchan- ge把简化后的模型导入ADAMS中，并根据实际情况添加相应的

约束、驱动和力，建立四足机器人虚拟样机。

通过实践证明，以Solidworks和ADAMS技术结合进行的四足机器人建模和仿真方法具有质量高、效率高和可视性好等优点，适于用做如复杂机械系统—四足机器人的运动学和动力学仿真分析，避免了传统设计方法周期长、效率低等缺陷。上述工作及所取得的结果可以作为该四足机器人开展后续相关研究的基础。

6.2  展望

四足机器人是典型的机电一体化产品，解决其设计问题必须考虑机械和控制两大部分。首先，通过一些控制软件如Matlab等建立控制的目标轨迹、控制算法和电机模型，并输出控制指令。然后，将本文建立的虚拟样机模型与控制分析软件Matlab/simulink有机地连接起来，Matlab将四足机器人各个关节力矩控制指令送给ADAMS，后者将四足机器人相应关节角反馈给前者，形成一个完整的闭环控制系统，通过ADAMS的ADAMS爪roeessor模块显示数据曲线和动画模拟。实现ADAMS虚拟样机与控制系统输出数据的联合仿真，使虚拟样机成为机械设计人员与控制系统设计人员共享的信息载体，为他们的协同工作创造条件。

四足机器人是一种多技术集成的复杂系统，目前的研究还处于初级阶段，有许多需要深入开展的工作，论文的研究工作只是初步的尝试，下一步需要在关键部位优化工作上进行深入，主要将机器人的步态规划部分进行补充，然后再加上控制部分的工作，这样就可以完善整个机器狗系统了。

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致谢

在本论文的写作过程中，我的指导老师XXX倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。

写作毕业论文是一次再系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新的学习生活的开始