四足机器人的设计与实现

论文总字数：27973字

摘 要

Abstract Ⅱ

1. 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 四足机器人研究的背景及研究意义 1

1.3四足机器人研究现状 2

1.3.1 四足机器人研究取得的成果 2

1.3.2 四足机器人研究面临的困难 4

1.4 本文的研究目的和主要研究内容 4

1. 四足机器人结构设计 5

2.1四足机器人机械结构分类 5

2.1.1腿足式四足机器人 5

2.1.2轮式四足机器人 6

2.2 四足机器人腿部结构分析 7

2.2.1 连杆型腿部结构 8

2.2.2 关节型腿部结构 8

2.2.3 缩放型腿部结构 9

2.3 驱动器选择 9

2.3.1驱动系统分类 10

2.3.2数字舵机工作原理 10

2.4 最终结构 12

1. 四足机器人步态设计 14
   1. 步态基本理论 14
   2. 四足机器人步态分类 14
      1. 爬行步态 15
      2. 对角小跑步态 15
      3. 遛蹄步态 16
      4. 飞驰步态 16

3.3 步态分析与结论 17

1. 四足机器人运动学分析 18

4.1 机器人运动学的矩阵表示 18

4.1.1 坐标变换与齐次矩阵 18

4.1.2 机器人正逆运动学 21

4.1.3 D-H法坐标变换 22

4.2 轨迹规划 26

4.2.1 足端轨迹设计 26

4.2.2 求解关节角度 29

第五章 四足机器人控制系统设计 31

5.1 控制器选择 31

5.2 K60模块功能简介 31

5.3 硬件设计 32

5.3.1 K60核心板电路 32

5.3.2 底板功能模块分析 32

5.3.3 PCB图及电路板实物图 34

5.4 程序流程图 35

第六章 机器人建模仿真与实物测试 36

6.1 Adams软件简介 36

6.2 仿真流程 36

6.2.1 建立四足机器人三维模型 37

6.2.2 定义零件属性并添加约束 38

6.2.3 添加驱动 41

6.2.4 观察结果 45

6.3 实物测试 45

参考文献（References） 47

致谢 48

结论 49

摘 要

随着技术的发展和社会需求的增加，移动机器人逐渐成为了一项热门的研究课题，在机器人研究中占有重要地位。移动机器人的形态多种多样，其中以四足机器人为代表的腿足式机器人因其卓越的稳定性，灵活的运动性能以及优秀的承载能力受到广泛的关注，国内外各大高效研究所纷纷展开研究，取得了丰富的成果。

本文研究的主要内容和完成的工作如下：首先，按照机械结构的特点对四足机器人进行了分类，讨论并分析了各种结构的优劣，最终选择了关节式结构作为设计方案进行设计，在CAD中完成了二维图纸的绘制，在Solidworks中对机器人进行了三维建模。其次，介绍了四足机器人常见的步态，分析比较了各个步态的特点，针对对角小跑步态进行了设计，用D-H法对四足机器人进行了建模，完成了四足机器人足端轨迹的规划，在Matlab中进行了逆运动学解算。另外，自主设计、搭建了简单的四足机器人控制系统，以K60系列单片机作为核心，数字舵机作为驱动器，添加蓝牙串口模块，完成了电路原理图和PCB原理图的绘制。最后，在Adams中搭建了四足机器人简易模型进行仿真测试，验证了步态的正确性，之后完成了整个装置的装配，调试。

关键词：四足机器人，Solidworks,CAD,D-H法，对角小跑，K60，Matlab

Abstract

With the development of technology and the increase of social demand, mobile robots have gradually become a hot research topic, occupying an important position in robot research. The shape of mobile robots is diverse. Among them, the leg-foot robots represented by four-legged robots have received extensive attention due to their excellent stability, flexible motion performance and excellent carrying capacity. Research has achieved rich results

The main contents and work done in this paper are as follows:Firstly, the four-legged robots are classified according to the characteristics of mechanical structure, and the advantages and disadvantages of various structures are discussed and analyzed. Finally, the joint structure is selected as the design scheme for design. The drawing of 2D drawings was completed in CAD, and the robot was 3D modeled in Solidworks. Secondly, the common gait of quadruped robot is introduced. The characteristics of each gait are analyzed and compared. The diagonal lap is designed. The four-legged robot is modeled by DH method. The trajectory planning, inverse kinematics calculation in Matlab. In addition, the self-designed and built a simple four-legged robot control system, with the K60 series MCU as the core, the digital servo as the driver, adding the Bluetooth serial port module, completed the circuit schematic and PCB schematic drawing. Finally, a simple model of the quadruped robot was built in Adams for simulation test, which verified the correctness of the gait, and then completed the assembly and debugging of the whole device

KEY WORDS:quadruped robot, Solidworks, CAD, D-H method, trotting

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