多足仿生机械蟹步态仿真及样机研制

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分类号：—— Ｃ：——
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密级： 编号：

工学硕士学位论文

多足仿生机械蟹步态仿真及样机研制

硕士研究生：王刚

指导教师：孟庆鑫教授
学

位级别：工学硕士

学科、专业：机械电子工程 所在单位：机电工程学院
论文提交日期：２００８年４月 论文答辩日期：２００８年６月

学位授予单位：哈尔滨工程大学

哈尔滨丁程大学硕士学位论文

摘

要

随着控制论、机构学、计算机科学、仿生学、人工智能以及信息与感知 技术的研究的深入，带动了仿生机器人技术的发展，目前仿生机器人技术的 水平已经成为一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志，也成为当
前科学研究的热点方向。

论文对国内外仿生机器人的发展和取得的最新成果进行了系统的介绍， 在总结前几型多足仿生机械蟹研究的基础上，采用仿生学的设计思想改进设
计了新型多足仿生机械蟹。

论文提出了新型多足仿生机械蟹样机总体方案，完成了新型多足仿生机 械蟹样机机械结构设计；提出了采用谐波减速器的新型机器人关节，并对驱 动方式的选择进行了详细的论证；从仿生学角度出发，对８个步行足进行了合 理的自由度分布设置，使机器人具有可翻转行走特性，大大提高机器人水下 环境运动的耐波性和适应性；采用递阶式控制思想，提出了新型多足仿生机 械蟹样机的控制系统的总体框架，进行了硬件电路和控制软件设计；对新型 多足仿生机械蟹的各种步态形式进行了分析比较，论证了双四足步态的可行 性和稳定性；对新型多足仿生机械蟹的步态轨迹进行了规划，并采用Ｍａｔｌａｂ 和Ａｄａｍｓ软件联合对机器人的运动学和动力学问题进行了仿真，实现了平坦路 面直线运动、上下台阶及上下坡的运动仿真模拟；搭建新型多足仿生机械蟹 样机试验平台，通过实际运行结果指导新型样机的理论研究工作和设计改进 过程。同时，．论文对新型多足仿生机械蟹水下防腐蚀问题进行了研究。 在完成上述工作的基础上，进行了新型多足仿生机械蟹新型样机的概念 设，工程设计和样机的加工、制造，完成了新型多足仿生机器人的样机装配， 对样机各关节进行了调试，测试了各关节运动性能、运动范围；完成了控制
电路的设计和功能的调试。

关键词：多足仿生机械蟹；谐波减速器；步态；联合仿真；分层递阶控制

哈尔滨Ｔ程大学硕士学位论文

Ａｂｓｔｒａｃｔ．
Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
ｏｆ

ｃｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ，ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｔｈｅｏｒｙ，ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｂｉｏｎｉｃｓ，

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

ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

ｄｅｖｅｌｏｐｓ ｒａｐｉｄｌｙ．Ｒｅｃｅｎｔｌｙ ｔｈｉｓ

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

Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｆｉｒｓｔ ｏｆ ａｌｌ，ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｈｅ ｄｏｍｅｓｔｉｃ

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ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｌａｔｅｓｔ ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ ａｂｏｕｔ ｂｉｏｎｉｃ
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ｒｏｂｏｔｓ’ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ

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

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ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｗａｌｋｉｎｇ ｉｎｖｅｒｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ

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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，

哈尔滨工程大学硕十学位论文
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

哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明

本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的引用已 在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

作者（签字）：墨型
日期：２幻云年多月１３
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第１章绪论
１．１课题研究的背景及意义
机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志 和体现¨１。随着计算机、控制论ｊ机构学、信息和传感技术、人工智能以及 仿生学等学科的不断发展，机器人技术作为一类综合性的高新技术已经被广 泛应用于人们的生产生活中，逐渐朝着替代人工作的方向发展。机器人技术 集成了多学科的发展成果，代表高技术的发展前沿，是当前科技研究的热点
方向圆。 自然界的生物经过亿万年的自然选择和群体进化，使其各自具备了某种

适应特定复杂多变环境的能力，而这些能力往往是人类不具备的，因此人类 必须通过研究、学习、模仿来复制和再造某些生物的特性和功能，以此提高 人类对自然的适应和改造能力闭，而这种研究、学习、模仿、复制和再造的 过程就是仿生学的内涵。仿生学是生物科学和工程技术相结合的一类边缘学
科，它可以延伸到很多领域，机器人学是其主要的结合和应用领域之一。仿

生机器人可归纳为机器人的结构仿生、材料仿生、功能仿生、控制仿生以及 群体仿生五个方面，本文也是依据这五部分对多足仿生机械蟹进行设计的。 多足仿生机器人一般指四足或四足以上的机器人，相对于轮式和履带式 机器人它有较强的运动灵活性，其腿部多关节、多自由度、多冗余度以及多 运动模式的结构设计对复杂环境有很强的适应能力，能够在复杂恶劣的非结 构环境中稳定行走，可代替人工作，因此具有较强的实用价值。然而，由于 多足机器人的多连杆、非线性、冗余驱动以及时变特性，其运动学、动力学 特性十分复杂。同时，多足的协调运动对于步态的规划提出了挑战，如何协 调多步行足协调有序灵活地运动，如何建立合理的、有较强适应能力的步态 模型，如何有效地规划足端轨迹曲线，这些问题都亟待完善和解决。 本课题源自国家自然科学基金项目“两栖仿生机器蟹基础技术研究”。多 足仿生机械蟹是具有两栖工作能力的微小型武器中最具代表性的一种，是针 对海军登陆作战中的两栖侦察、排雷、爆破、通讯中继等恶劣环境下作战需 求提出的，希望建立一个对复杂地形高度适应、性能可靠、体积小巧、并具

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有两栖环境下活动能力的小型爬行机器人平台。它可以充当侦察设各、武器 系统、通信系统的载体，完成普通士兵无法完成的近海域及滩涂的多种任务， 具有广阔的应用前景。
１

２国内外多足仿生机器人的研究现状
目前，国内外对机器人的研究不断深入，已经开发出各式各样的具有感

知、决策、行动和交互能力的特种智能机器人和各种多足仿生机器人…。随 着人工智能，电子信息等学科的深入发展，人们开始将多学科相互融合，将 模糊控制、神经网络、遗传算法等方法引入机器人理论研究当中，补充机器 人技术研究的不足，特别是在机器人样机的研制过程中取得了巨大的进步。

１．２．１国内外多足仿生机器人样机的研制情况
多足仿生机器人的研究水平是随着控制水平的提高而不断发展起来的， 经历了由早期的机械式、近期具有简单的控制方式到现在由电子计算机控制 的过程。最早，对多足仿生机器人的研究可追溯到中国古代的“木牛流马” 以及１８９３年Ｒｙｇｇ设计的“机械马”。对多足仿生机器人样机的研制来说， 四足、六足、八足都是国内外多足仿生机器人研究的热点，目前，美国、日 本和德国在多足仿生机器人样机领域的研究成果比较突出。 上世纪９０年代初，美国罗克威尔公司及Ｉｓ机器人公司在ＤＡＲＰＡ资助下 研制了一种可对付岸边的水雷的的机器人ＡＬｕｖ”（图１ １），ＡＬＵ－Ｖ仿造螃 蟹的外形，具有两栖运动性能，可以说是最早的两栖多足机器人。随后，ｉＲｏｂｏｔ 公司及美国国防先进计划研究署共同研制了机器人Ａｒｉｅｌ（图１．２）”’，Ａｒｉｅｌ前 后侧各有３条腿，可以像螃蟹一样侧行，其机构设计巧妙即使被水浪打翻了， 不需做出任何的机械调整仍可行走自如。

图１ １多足两栖仿蟹机器人ＡＬＵＶ

瀚蘑

图１ ２多足两栖仿蟹机器人Ａｒｉｅｌ

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机器人Ａｒｉｅｌ身上装配了许多传感器，可以通过内部的倾角传感器感知自 己的姿态信息。在水下时，使用超声波感知被触物体的形状、表面纹理、材 料性质及内部结构。此外，在运动上依靠电子罗盘进行导航，沿与海滩线呈 ９０度夹角的方向运动。 ２００２年，美国国家航空和宇宙航行局（ＮＡＳＡ）研制了一种外形类似蜘蛛 的微型仿生机器人（图１ ３）。这种机器人有６条腿，装配有一对可以用来探测 障碍物的天线。根据工作的不同，机器人的腿的数量和大小可以扩展，因此， 它是一种可以在不同环境条件下对各种地形进行探测的微小型全能步行机器 人。２００５年，ＮＡＳＡ下属的喷气推进实验室研制成功了一种可在空问站外部 自动行走的六足机器人Ｌｅｍｕｒ（图Ｉ ４）剐１”１。Ｌｅｍｕｒ是模仿螃蟹的腿部结构和 章鱼身体外形特点而设计的，它有６只复合机械臂，每只机械臂有四个运动 自由度和一个操作自由度，可实现肩部三个方向的转动，肘部的俯仰和机械 手爪的夹紧动作。主要用于太空环境下的小尺寸安装、探测及维修等空间作 业”’。通常咀四腿着地，另两条腿可安装作业工具进行工作。Ｌｅｍｕｒ的控制系 统采用分层递阶控制系统，上层采用ＰＣＩ０４作为主控系统，而下层主要完成 单足的运动学正反解及各关节电机的伺服控制。

图１ ３微型蜘蛛步行机器人

图１．４ Ｌｅｍｕｒ六足仿生机器人
ｏ

２００６年，ＮＡＳＡ又开发了一种八足仿生蜘蛛机器人Ｓｐｉｄｅｍａｕｔ（１强１ ５）１９１

它也能够在空间站外表自由行走，同时可趴在航天器表面，完成检查、修理 等任务。同年，美国康奈尔大学的研究人员开发出一种智能四足仿海星机器 人（图１ ６）””。它可以像人类一样感觉到身体遭受的伤害，并设法处理伤势。 机器人全身每个连接处都装有倾斜度传感器和角度传感器，通过这些传感器 的返回值可以生成机器人结构和运动的计算机模型。一旦机器人身体某处受 伤，传感器的返回值就会发生变化，机器人可以迅速感觉到，变换生成新的

计算机模型，然后在新的模型指导下继续前进。

图１

圈蔺
５

ｓ口ｉｄｅｍａｕｔ八足仿生蜘蛛机器人

图１．６四足海星机器人

另外，美国海军协同马萨产品公司和波士顿东北工业大学针对在海流和 涌浪等浅水区域清除水雷的作业任务联合研制了八足仿龙虾机器人
Ｒｏｂｏｌｏｂｓｔｅｒ，ＢＵＲ－００１…１（图１ ７）。在多石的汹涌波涛中运动，机器人通过对

触角及细毛弯曲力反馈信号的响应，控制机器龙虾仿生腿的肌肉，从而控制 它的运动姿态。机器龙虾的触角及细毛传感器只有头发丝粗细，是利用东北 大学的金属微加工工艺制成的。研究人员用镍钛诺丝仿制出龙虾的肌肉，镍 钛诺是一种镍钛的形状记忆合金。镍钛诺丝通电加热时肌肉就缩短，使龙虾 的腿向上运动。一旦冷却，它就恢复原来的形状。交替地加热及冷却镍钛诺 丝，就可复制龙虾腿的运动，这比用电动机及齿轮装置驱动更加自然。由此， 机器龙虾不但在结构和功能方面对龙虾进行了仿生，而且还进行了材料仿生 的尝试。除此之外，斯坦福大学研制了六足仿蟑螂机器人（图１ ８），西储大学 也研制了采用启动人工肌肉的驱动的多足机器人。

图１．７八足仿龙虾机器人

图１ ８六足仿生蟑螂机器人

日本在多足仿生机器人样机的研制方面也毫不逊色。２００３年，启动了 Ｑｕａｄｌａｔｏｒ ＩＩ机器人的设计“２“”】（图１．９）。Ｑｕａｄｌａｔｏｒ １１的控制架构采用嵌入式

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系统Ｔｉｔｅｃｈ Ｗｉｒｅ，电机驱动器采用Ｔｉｔｅｃｈ

Ｒｏｂｏｔ

Ｄｒｉｖｅｒ．躯干内部设置了１２

个电机功率驱动器进行ＰＷＭ驱动，电机采用了Ｍｉｎｉｍｏｔｏｒ的直流电机，自 带６６倍的行星齿轮变速箱和尾部带有光电码盘。２００５年，日本大阪大学的 罔窑明仁、新井健生等研制成功鼹新型的手脚统一步行机器人 ＡＳＴＥＲＩＳｄｌ４１１１５１。ＡＳＴＥＲＩＳＫ具有用脚移动及用手搬物品或进行作业的双重机 能。以机体为中心，呈放射状配置６条腿，表现为全方位均等的作业空间和 全方向移动的机能，能在不平地面上移动或悬吊于天花板进行作业。２００６年， 日本千叶大学研制了一种用于搜救任务的八足仿硬壳的节肢动物的机器人哈
卢克二号Ｈａｌｌｕｃ ＩＩ”“”’（图１．１０）。Ｈａｌｌｕｃ ＩＩ身体上共有１８个传感器：其中１３

个用来测量周边物体距离的传感器：２个传感器是用来测量它３６０。范围内的 障碍物：还有３个转轴传感器用来保持身体平衡。Ｈａｌｌｕｃ ＩＩ的八条腿其实是 ８个独立控制的轴轮，由３２条“机器韧带”负责协调完成动作。此外它还安 装有５６个小马达，确保它可以用三种方式运动，包括昆虫式、动物式和汽车
式。

图１．９ Ｑｕａｄｌａｔｏｒ ＩＩ四足机器人

图１ １０哈卢克二号机器人

除了美国和日本，德国也大力发展多足仿生机器人样机的研制。德国布 莱梅大学（Ｂｒｅｍｅｎ）在空间多足机器人方面做了研究，开发了ＳＣＯＲＰＩＯＮ和
ＡＲＡＭＩＥＳ””（图１ １１）两代多足机器人。除此之外，该大学还致力于八足仿生

蝎子的研究，研制出仿生蝎子太空机器人（图１ １２），该机器人采用模块化的 设计思想，能够满足在其他星球的探险和研究。同时，德国的Ｆｒａｌｍｈｏｆｅｒ智 能系统学院（ＡＩＳ），德国国家研究中心（ＧＮＲｃ）也仿照蝎子研制Ｔ）ｋ足机器人。

图１ １１多足机器人ＡＲＡＭＩＥＳ

图Ｉ １２八足仿蝎子机器人

我国学者也对多足仿生机器人样机进行了研究，尽管起步比较晚，但也 取得了很大的成功。１９８０年，中国科学院长春光学精密机械研究所采用平行 四边形和凸轮机构研制出一台八足螃蟹式步行机器人”…。１９８９年，北京航空 航天大学进行了四足步行机器人的研究””，１９９３年完成了地壁六足步行机器 的研究”“。１９９０年，中国科学院沈阳自动化研究所研制出全方位六足步行机 器人”“。同年，清华大学研制出了一台Ｑｗ－ｔＩ型全方位四足步行机器人。１９９１ 年，上海交通大学仿照四足哺乳动物的外形研制｝｝｛ＪＴＵＷＭ系列四足步行机 器人８”。２０００年，上海交通大学马培荪等对第一代形状记忆合金ＳＭＡ驱动 的微型六足机器人进行了改进，开发出了微型双三足步行机器人ＭＤＴＷＲ”’。 除此之外，华中科技大学开发了“４＋２”多足步行机器人模型平台，对其进 行了各种行走步态的生成及控制方法的研究８”。２００３年，在国家自然科学基 金项目的资助下，哈尔滨工程大学海洋智能机械研究所也进行了两栖仿生机 械蟹基础技术的研究，目前已成功研制出多种型号的两栖仿生机器蟹样机。
１ ２

２多足仿生机器人基础理论的研究现状
尽管多足机器人技术有了很大的发展，正如前面所看到的，目前国内外

已开发了许多类型的多足仿生机器人模型和样机，但是制约多足机器人进一 步发展的一些基础理论问题并没有得到根本解决，正如著名机器人学家 Ｊ．Ａｎｇｅｌｅｓ教授所言的“步行机器人的基础理论研究步伐要远滞后于其技术开 发的步伐川驯。特别是多足仿生机器人的步态轨迹规划与控制问题一直为广 大研究人员所关注。主要体现在步态的规划方法、步态控制方法以及足端力 分配等方面。 多足机器人具有良好的地面适应能力和步行灵活性，其步态规划作为多

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足机器人运动控制的重要内容备受关注瞄１。正如我们所看到的，多足动物本 身具有诸如爬行、小跑以及奔跑等不同的步态，所以从理论上讲，多足仿生 机器人也应该可以实现这些步态方式。在早期研究中，主要围绕规则化的爬
行步态展开，即多足步行机器人按照一种固定的方式缓慢运动的步态形式。

这种步态易于控制，但是机器人适应路面的性能较差，无法适应复杂的地形。 这方面的成果主要包括：１９６８年ＭｃＧｈｅｅ首先给出了描述和分析多足机器人 步态的数学定义；１９８６年ＭｃＧｈｅｅ和Ｆｒａｎｋ提出四足机器人直线行走波动步 态；１９８９年和１９９０年Ｚｈａｎｇ和Ｓｏｎｇ分别提出的多足步行机器人的波形螃蟹 步态算法等等。随着新的仿生技术和材料的出现，对于步态的研究己不再拘 泥于规则步态，而更多的关注那些能够在凸凹不平的地面上行走的自由步态。 如ＰＮ和Ｊａｙａｒａｊａｎ采用图像搜索法产生自由步态；Ａｌｅｘａｎｄｅｒ提出哺乳动物和 龟的行走步态。此外，还有一些特殊的步态，１９９１年Ｐａｎ和Ｃｈｅｎｇ提出的爬
斜坡步态、１９９３年他们又提出跨越沟渠、１９９１年Ｂｉｅｎ、Ｃｈｕｎ和Ｓｏｎｇ提出

最佳转向步态以及２０００年Ｂｍ、Ｌｏｗ和Ｇｕｏ提出爬楼梯步态等。 控制系统如同生物的大脑，控制着生物的各种行为，因此建立一个良好 的控制体系来执行所需的步态运算是步态算法得以实现的关键因素。多足机 器人具有复杂的运动学和动力学特征，使其在步态规划和关节间协调运动控 制方面更具研究的挑战性。目前，步态运动控制包括两大类：力控制和位置 控制，它们分别基于多足步行机器人的逆运动学和逆动力学的计算。其中基 于逆运动学的控制方法研究包括：１９９６年Ｋａｗａｂａｔａ和Ｋｏｂａｙａｓｈｉ进行的分 布式智能控制器研究。１ ９９８年Ｃｅｌａｙａ和Ｐｏｒｔａ介绍了一种关于足式机器人运 动的控制结构；同年，ＫＪｍｕｒａ、Ａｋｉｙａｍａ和Ｓａｋｕｒａｍａ用神经振荡器实现了四 足步行机器人的直线行走；Ｂｅｒｎｓ、Ｉｌｇ、Ｄｅｃｋ、Ａｌｂｉｅｚ和Ｄｉｌｌｍａｎｎ用计算机 体系结构和模块化软件组成的开放式层次结构来描述仿哺乳动物类步行运动 的控制等。而基于逆动力学的控制方法的研究包括：１９９５年Ｖｉｌｌａｒｄ、Ｇｏｒｃｅ 和Ｆｏｎｔａｉｎｅ考虑机器人的动力学特性和实时运动特性提出一种四足机器的控 Ｎ／操作方法；１９９６年ＰｒａｊＯＵＸ和Ｍａｒｔｉｎｓ对四足机器人步行管理方案进行了
仿真研究等。

实现多足机器人力控制的一个很重要的问题就是足端受力分配。这个部 分的处理方法大致分３类：规划法、解析法以及智能算法。这三种方式的代

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表分别是：１９９０年Ｃｈｅｎｇ和Ｏｒｉｎ描述了一种有效的寻优算法一对偶线性规
划法；１９９０年Ｋｕｍａｒ和Ｗａｌｄｒｏｎ提出和研究了静态稳定步行机构的力分配问 题及其解析解法；１９８８年Ｔｓａｉ和Ｌｅｅ采用神经网络模糊逻辑学习方法，提出 了一种在线自适应模糊逻辑控制算法，进行多足步行机器人脚力分配控制等。

１．３智能化多足仿生机器人关键技术
随着多足仿生机器人应用领域的扩大，多足仿生机器人也不断地朝着智 能化的方向发展，人们对其的智能要求也越来越高。目前影响智能化多足仿 生机器人技术发展的因素主要有导航与定位、多机协调、多传感器融合技术 以及仿生智能控制策略以等。这些关键技术直接影响到机器人的性能和实用
性。

１．３．１导航与定位技术
在智能化的多足仿生机器人系统中，其自主导航是一项核心技术，也是 研究的重点和难点问题。导航是指机器人通过传感器感知环境和自身状态， 实现在有障碍物的环境中面向目标的自主运动。其基本任务有３点口ｎ：①基 于环境理解的全局定位：通过环境中景物的理解，识别人为路标或具体的实 物，以完成对机器人的定位，为路径规划提供素材；②目标识别和障碍物检 测：实时对障碍物或特定目标进行检测和识别，提高控制系统的稳定性； ③安全保护：能对机器人工作环境中出现的障碍和移动物体做出分析并避免 对机器人造成的损伤。机器人有多种导航方式，根据环境信息的完整程度、 导航指示信号类型等因素的不同，可以分为基于地图的导航、基于创建地图 的导航和无地图的导航三类；根据导航采用的硬件的不同，又可将导航系统 分为视觉导航和非视觉传感器组合导航两大类ｕ１。 而智能化机器人的定位是指机器人在导航过程中，为了进行实时避障和 全局最优路径规划，需要精确知道机器人或障碍物的当前状态及位置，以完 成导航、避障及路径规划等任务的过程。一般来说，机器人的定位分为相对 定位和绝对定位两大类。相对定位是一种局部位置跟踪方式，这种定位方式 下，机器人是在已知初始位置的条件下确定自己的位置的，典型的相对定位 方式有：惯性导航和测程法。绝对定位是一种全局定位方式，要求机器人在

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未知初始位置的情况下确定自己的位置，典型的绝对定位方式有：导航信标

定位，图形匹配定位，ＧＰＳ定位，概率定位。目前哈尔滨工程大学海洋智能 机械研究所所研制的新型多足仿生机械蟹计划采用ＧＰＳ定位方式。

１．３．２多机协调技术
随着机器人技术的发展及生产实践的需求，机器人所承担的任务将越来 越复杂，然而单一的机器人并不能独立完成这些复杂的作业，而需要多机器 人通过协调和合作共同完成。因此，多机器人系统的协作机制、通信和规划 问题已经成为机器人学研究的一个重要方面。 协调哪！指多个机器人个体通过对资源和目标的合理安排，调整各自行为， 以求最大可能地实现各自或系统的目标，协调一种动态行为，是各机体对环 境及其它个体的适应，一般通过改变机体的现有状态来实现。协作则是在非 对抗的机体之间保持行为协调的一个特例。针对给定的任务，如果多机器人 系统能基于某些协作机制，使系统的功能和效率得到增强，则多机器人系统
表现出协作行为。

通讯是多机协调中最基本的问题。多机通讯的模式目前主要有两种Ｂ引： 一种是公共存储，通过建立公共存储区，每一个均可以对其进行访问，从而实 现之间的交互；另一种是个机之间的信文传递，即在之间直接进行信息交换。

１．３．３多传感器信息融合技术
传感器信息融合技术是近年来十分热门的研究课题，它与控制理论、信 号处理、人工智能、概率和统计相结合，为机器人在各种复杂、动态、不确 定和未知的环境中执行任务提供了一种技术解决途径ｐ川。机器人内部包含大 量传感器，以保证其自身功能的正常运作以及对外部环境的感知，多传感器 信息融合技术就是将来自各传感器的信息数据经过某种处理以产生更可靠更 全面的控制信息，完成机器人的各种操作。目前多传感器信息融合技术主要有 贝叶斯估计、Ｄｅｍｐｓｔｅｒ－Ｓｈａｆｅｒ理论、卡尔曼滤波、神经网络、小波变换等ｐ“。

１．３．４仿生智能控制策略
随着仿生机器人技术的发展，人们越来越希望机器人不仅可以结构仿生 还可以对那些无法精确建模或者信息不足的病态系统进行控制仿生，然而传
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统控制理论无法完成这样的目标。近年来许多学者提出了各种不同的机器人 智能控制系统，机器人的智能控制方法包括模糊控制、神经网络控制、以及
多智能控制方式的融合技术等。

智能控制方法提高了机器人的速度和精度，但是也存在一定的局限性，
例如机器人模糊控制中需要建立庞大的规则库，此时控制推理过程所需要的

时间就会很长；反之如果建立较小的规则库，则控制的精度又会受到限制； 人工神经网络是一种按照人脑的组织和活动原理而构造的一种数据驱动型非 线性映射模型，它具有并行处理、自适应自组织、联想记忆、容错鲁棒以及

逼近任意非线性函数等特型３２１，因此极为适合于仿生机器人控制，然而神经
网络的隐层数量和隐层内神经元个数的确定仍是制约神经网络方法应用于机 器人控制的关键因素，另外神经网络易陷入局部极小值，这都是目前智能化
机器人控制设计中要解决的问题。

１．４论文的主要内容和论文结构 １．４．１论文的主要研究内容
１．本文在前几型多足仿生机械蟹样机的基础上，采用完全模块化的设计 思想设计出改进的新型机器人样机。 ２．对机器人总体机械结构进行了设计，提出了采用谐波减速器的新型机
器人关节，并对驱动方式的选择进行了详细的论证。从仿生学角度出发，对

八个步行足进行了合理的自由度分布设置，使机器人具有可翻转行走特性， 可大大提高机器人水下环境运动的耐波性和适应性。 ３．采用递阶式控制思想，对新型机器人样机的控制系统进行了硬件和软
件的总体设计，并给出了具体的硬件设计电路。

４．对多足仿生机械蟹的各种步态形式进行了比较分析，论证了双四足步
态的可行性和稳定性。

５．对多足仿生机械蟹的步态轨迹进行了规划，并采用Ｍａｔｌａｂ矛ＩＡＤＡＭＳ 联合仿真方式进行了机器人的运动学和动力学仿真，实现了平坦路面直线运 动、上下台阶及上下坡的运动仿真。 ６．搭建新型多足仿生机械蟹样机，通过实际运行结果指导新型样机的理

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论研究工作和设计改进过程。

１．４．２论文结构
本文共分６部分，其中第一章为绪论部分；第二章为总体方案设计部分， 文章通过详细论证提出了多足仿生机械蟹新型样机设计的总体方案，包括机 械结构设计总体方案、控制系统总体方案以及防腐技术总体方案三个部分； 第三章是本文的重点，通过对多足仿生机械蟹步态的研究，提出多足仿生机 械蟹的基本行走步态形式，并对其进行了运动学／动力学仿真以及基于Ｍａｔｌａｂ
和ＡＤＡＭＳ的联合仿真；第四章为硬件控制系统设计部分，采用模块化的思

想将整个控制系统分为几个模块分别对各模块进行了硬件控制系统设计；第 五章是样机研制部分，文章详细介绍了新型样机的机械本体以及硬件控制系 统的研制过程，同时还对新型样机的运动形态进行了介绍；最后一部分为结
束语。

哈尔滨工程大学硕士学位论文

第２章新型多足仿生机械蟹总体方案设计
２．１引言
本课题所设计的多足仿生机械蟹，是针对哈尔滨工程大学海洋智能机械 研究所前四型机器蟹在实际研究和应用中存在的一些问题和不足，将谐波减 速器引入关节传动方式设计中，设计出新型关节，并由此组装出多足仿生机
械蟹机械本体。新型关节应用在机器人腿部结构上，能够提高腿部的承载能

力和传动效率。在关节设计的基础上，将采用多层控制方法的多足步行机器 人的控制系统密封装配在机器人的机体内，最终完成整机的设计。除此之外， 对水下防腐技术进行了研究，选出了适合于机器人水下环境工作的防腐材料。 采用力传感器实时监测机器人着地点的力反馈值，通过一定的判断方法，得 出足端周围有无障碍物的情况，从而为机器人的越障、避障提供控制信息。

２．２前四型多足仿生机械蟹简介
哈尔滨工程大学海洋智能机械研究所从１９９９年开始进行多足仿生机械
蟹的研究，到目前为止已设计出四型可适应水路两栖的多足仿生机械蟹样机。

２．２．１第一型多足仿生机械蟹样机
第一型两栖多足仿生机械蟹样机ｐ习（图２．１）以生物蟹为设计蓝本，它由８ 条步行足（图２．２）组成，各步行足有三个关节，每个关节均采用锥齿轮传动方 式，各关节驱动电机选用瑞士Ｍａｘｏｎ公司的ＲＥ．ｍａｘ ２６和ＲＥ．ｍａｘ ２２系列直 流伺服电机，控制系统采用ＤＳＰ芯片嵌入式分层控制。另外，为了减轻整机
的重量，机械本体采用轻质铝合金材料做框架，并在躯体上预设安装空间及

安装孔，以便于控制电路、传感器、电源模块等设备的安装。考虑到外形封 装的需要，并兼顾仿生物蟹外形的特点，整体上采用扁平结构。第一型样机 对仿生机器蟹进行了第一次尝试，为后几型机器蟹的设计奠定了基础。但第
一型样机所采用的锥齿轮传动方式不具有自锁能力且关节驱动力矩严重不

足，因此在以后的几代样机中重点改进了这些问题。

酾铲
图２ １第一型多足仿生机械蟹样机 ２．２

图２．２第一型样机单步行足结构图

２第二型多足仿生机械蟹样机
第二型两栖多足仿生机械蟹样机ｐ４１（图２．３）延续第一型的设计思想，提出

蟹足设计的模块化设计思想。机器人步行足各关节选用比较经济的位置伺服 舵机驱动，根关节采用绳轮传动方式，前后摆腿关节采用电机减速器输出轴 直接驱动，是末关节的侧行摆腿采用曲柄摇杆机构。主控系统采用ＴＩ公司的 ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ，负责生成１４种步态以及２４路ＰＷＭ信号发生，电机伺服 控制采用三菱公司的基于电位计的位置伺服控制器Ｍ５１６６０Ｌ，该控制器对位 置进行比例控制，主控系统与各个位置伺服驱动器构成分布式系统。机器人 供电采用７ ２Ｖ／２０００ｍＡＨ镍氢电池组方式。由于该机型没有配备传感器，因 此仅可以在没有障碍物的平地行走，无蔽障能力。另外，选用的直流伺服舵 机驱动方式不具有变速特性，因此机器人只能在固定的速度下运动；同时机 器蟹的蟹足较短且与躯体比例失调，这两点原因使得机器蟹的行进速度比较 慢（０ ｌｍ／ｓ）。第二型样机是对仿生机器蟹设计的又一此尝试，它为后续的机 器蟹步态研究奠定了基础。

图２ ３第二型多足仿生机械蟹样机

哈尔滨工程大学硕士学位论文 ２ ２

３第三型多足仿生机械蟹样机
第三型两栖多足仿生机械蟹样机””（图２．４）在第二型样机的基础上进行

改进，其结构、尺寸比例均依照仿生原理进行设计，模拟海蟹结构将步行足 分为髋关节、膝关节和径关节三部分。在第二型机器人的基础上，第三型样 机仍采用位置伺舵机为机器蟹关节驱动元件，根部选用了力矩更大的舵机 （１Ｎｍ），传动方式除了最末关节的侧行摆腿关节改用了绳轮传动方式外，其 余关节传动方式同第二型机器蟹。主控制系统采用两级结构，主处理器采用 Ｓａｍｓｕｎｇ公司的３２位ＡＲＭ７处理器Ｓ３Ｃ４４ＢＯＸ，主要负责人机交互、步态 生成、各足协调控制、通信等；二级系统系统采用８片ＴＩ公司的１６位的处 理器ＭＳＰ４３０Ｆ１４９．主要负责单腿的运动控制和力觉数据采集。步行足配有 十六只力传感器，检测足尖落地和步行足是否碰到障碍物等信息，为步行足 的路径规划提供信息，使其能够在沙滩、平地等环境前进、后退、左右侧行 及任意位置、任意角度、任意方向转弯，同时还具有一定的越障能力和爬坡 能力。制作后期对该型样机设计了橡胶防水外衣（圈２ ５），并进行了首次水下 行走实验。此型样机无论在功能还是性能上都有很大的提高，但其负重能力 和爬坡能力都很有限，存在速度不可调，运动不平稳等问题。

图２．４第三型多足仿生机械蟹样机
２ ２

图２．５柔性腔体密封外观图

４第四型多足仿生机械蟹样机
第四型两栖多足仿生机械蟹样机９”。１（图２．６）较前几代机型有了较大的

改进，功能己趋于完善。其各关节传动方式改用了具有自锁能力的大斜齿轮 （类蜗轮蜗杆）传动方式，机器人设计有专用的电机伺服系统、声纳环传感器 信息处理系统、三轴陀螺传感器信息处理系统和变结构力觉佶感器信息处理 系统。为便于实时了解机器人样机的各种信息，并根据其反馈信息修改其运

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动参数，在其控制系统中增加了一个液晶显示模块，通信采用无线传输模块 和红外遥控两种方式，同时还增加了一个摄像头实时反馈外界环境信息。整 机制作完成后进行了整体软质橡胶密封处理（图２．７），使其具有两栖环境下的 运动能力。随后进行了大量的陆地、水中的行走、爬坡、越障、触障反射、 密封等试验，得到了一些非常有价值的数据和结论。但是通过实验，同时也 发现了第四型两栖多足机器人结构存在着结构复杂不宜于维修、零件通用性 不强、大斜齿轮摩擦能量损失大等缺点，大大影响了机器人的运动性能。

图２．６第四型多足仿生机械蟹样机

图２．７第四型机水下形态图

２．３新型多足仿生机械蟹结构方案
２．３．１关节设计结构方案
１设计要求

针对前四代多足仿生机械蟹样机结构对其应用与研究产生的影响，对新 型样机关节结构提出了以下要求： ①选择合适的传动方式，使关节能够高效率、稳定的运动，具有自锁能 力，关节有更宽广的运动空间，且具有抗击机体翻倒的自翻转能力。 ②选择合适的传感器，能够时刻给控制系统传输数据，让机器人具有感 知周围障碍的能力。 ③具有不小于０ １ｎｆｓ的机体运动速度、一定的爬坡能力、越障能力，同 时增加机器人对环境的适应性。 ④对模块化设计的适应性强，即可在第四型样机的基础上进行实验和改 进，逐步用性能优良的新部件替代旧部件。
２方案论证

哈尔滨Ｔ程大学硕士学位论文

多足仿生机械蟹关节传动方式的选择是机器人关节设计的关键技术之
一。目前机器人关节的传动方式主要有：绳索滑轮驱传动、连杆机构传动、

带传动、链传动、齿轮传动等等口田。 ①绳索滑轮驱传动方式
绳轮传动方式是目前仿生机器人常采用的关节传动方式。这种传动方式

可实现运动和动力的远距离传送。但此类传动方式存在传动滞后现象，有较
大的运动传递误差。另外，由于绳索只能受拉不能受压，故很难实现回程。

除此之外，在短距离狭小空间内难以使用这种传动方式，因此这种传动方式
不适于应用在微小型机器人中。

②连杆传动ｍ”ｕ 连杆传动机构对仿生机器人这类短距离的运动和动力传送也是一种可行 方案。但连杆传动方式一般会增加机器人结构的复杂度，使机械本体结构的 设计和加工变困难，难以实现。
③带传动Ｈ刁
‘

带传动目前多用于机械臂式机器人中。但由于带传动不能保持准确的传 动比，且存在传动效率和强度低，疲劳寿命短，不便于控制等缺点，因此， 这种传动方式在微小型机器人应用方面存在很大的局限性。 ④链传动Ｈ习 链传动是以链作为中间挠性件，依靠链与链轮轮齿的啮合来传递运动和 动力的传动方式。由于链条和齿轮的摩擦容易使链条松弛，齿轮磨损，且传 动噪声高，因此，这种传动方式不适于应用在微小型机器人中。 ⑤蜗轮蜗杆传动ｐ卵ＭＭ５心１ 蜗轮蜗杆传动隶属于齿轮传动，齿轮传动用来传递任意两轴间的运动和 动力，在齿轮传动中还包括谐波齿轮传动和行星齿轮传动。涡轮蜗杆传动具 有自锁功能但是需要将蜗杆与电机轴相固定，这使得电机轴承受相当大的轴 向力，此力对电机的寿命和正常的使用都存在破坏性。 ⑥谐波齿轮传动 谐波齿轮传动是应用于机器人关节传动的主要装置，是近代新发展起来 的一种靠柔性齿轮来传递运动的机械传动方式。谐波齿轮传动本质上是 ｚ．Ｘ－Ｖ型行星齿轮传动。其工作原理如图２．８所示，它由三个元件组成，即：
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谐波发生器、具有外齿的柔轮和具有内齿的刚轮。以上三件可以任意固定一 个，同时其余两件作为输入件和输出件。

轮

脱开

脱开

图２．８谐波齿轮传动的工作原理

谐波齿轮减速器是一个两自由度的机构。谐波齿轮传动作为减速器应用 时，通常情况下刚轮为内齿轮，固定不动；波发生器为椭圆凸轮（或双滚轮）， 作输入轴；柔轮为外齿轮，作输出轴；而且大都采用２波传动，即波发生器 转１转，柔轮变形两次；也即刚轮与柔轮的齿数差为２。若将波发生器装在 柔轮中，将使柔轮变为椭圆形，此时，处于长轴的齿将与刚轮齿接触啮合，而 处于短轴的齿则与刚轮齿脱开。当波发生器回转时，将迫使柔轮齿依次同刚 轮齿啮合，由于相差２齿，故发生器转１转，将使柔轮在相反方向转过２齿，
从而获得减速运动。 谐波齿轮传动方式的传动比计算公式如下：

①刚轮固定，柔轮作为输出，ｆ＝—Ｌ
７ 月 一 厶ｌ—Ｚ，２ ７

②柔轮固定，刚轮作为输出，江—刍一
Ｚｌ—Ｚ２

式中，ｆ为传动比，ＺＪ为柔轮齿数，Ｚ２为刚轮齿数。 由于谐波齿轮传动具有较大传动比且体积小、重量轻、结构简单、承载 能力大、传动平稳等特点， 因此已广泛应用于航空航天、工业机器人、数控

机床、起重运输、纺织机械以及国防工业等领域。一般来说，它可作为减速
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器使用，也可作为增速器使用。

综上所述，前五种传递方式并不适合应用于小型多足机器人，在前几代 样机中这几类传动方式多有尝试，但实际效果不佳。因此，亟需要找到一种
能够满足传动比大、可靠性高、结构紧凑的传动方式。在新型样机的设计中

采用第六种方案由谐波减速器作为传动机构的多足机器人关节。它可以替换 现有机器人的关节结构，并且随着谐波减速器尺寸的不断减小，这种新型传 动方式更适合应用于小型机器人的关节传动中，具有广阔的应用前景。
采用谐波减速器的新型机器人关节结构的优点主要有以下几点㈣ｍ１： （１）传动比大且选择不唯一，体积小，零件数少，传动效率高。效率可达 ９２％￣９６％，单级传动比可达５０－－４０００，且在大传动比下仍具有较高的传动效率； （２）可同时啮合的齿数多，且滑动速度小，齿面摩损均匀，承载能力强； （３）具有透过密封壁传递运动的能力；

（４）具有自锁性，同时电机轴不受力，电机寿命得到保护并且工作平稳；
（５）通用性强，可适用于各种机器人。 基于以上原因，拟定选择基于谐波加速器的新型关节作为新型多足仿生 机械蟹的关节设计方案。 ３．新型关节结构设计一¨

本关节目前已申请了发明专利。关节结构具体实现方式如图２．９所示， 每一个关节结构都由一个直流力矩电机经谐波减速器减速驱动，使输入、输 出传动平稳，传动比大、传动精度高。关节结构具体包括：联轴器１、电机
挡板２、柔轮３、波发生器４、固定钢轮５、旋转钢轮６，轴承套７、壳体８、 深沟球轴承９、轴承支架１０、端盖１１、内六角头圆柱螺钉１２、联结臂１３、 内六角头圆柱螺钉１４、内六角头圆柱螺钉１５、十字槽沉头螺钉１６、内六角

头圆柱螺钉１７、辅助联结臂１８、深沟球轴承１９、电机轴连接销２０、内六角 头圆柱螺钉２１、电机２２、光电编码器２３。

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图２．９机器人关节剖面结构装配图 关节的详细装配方式：首先，用一个联轴器ｌ通过连轴器上的定位销钉 ２１将电机２２联上；联轴器的另一端与谐波减速器通过十字槽沉头螺钉１６相 连；电机２２连接电机挡板２并与壳体８固定（通过电机轴连接销２０）；同时， 光电编码器２３和电机２２相连；再用内六角圆柱头螺钉１７将固定钢轮５与壳 体８连接。通过以上的步骤就完成了谐波减速器与电机、联轴器的固定。随
后，将轴承套７与深沟球轴承９压入壳体２，并用内六角头圆柱螺钉１５固定； 装入端盖ｌｌ，用内六角头圆柱螺钉１４将端盖１ｌ与旋转钢轮６固定；最后通

过内六角头圆柱螺钉１２将联结臂１３固定在端盖１ｌ上，压上深沟球轴承１９ 与辅助联结臂１８既完成装配，其中辅助联结臂１８的固定可以通过连接联结 臂１３完成。以上就是整个关节的装配过程。 从关节的工作原理来看，整个关节可看成两个模块。第一个模块是传感 模块，由光电编码器２３和电机２２组成。光电编码器直接连接电机，以获得 电机角度、角速度、角加速度等参数实现位置速度控制，同时，电机２２带动 谐波减速器提供力矩。另一个模块是传动模块，它由谐波减速器和旋转箱体
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组成。谐波减速器的钢轮带动旋转箱体可达到关节转动的目的。这个部分的 具体连接方式是电机２２定子通过联轴器１与柔轮３相固连，电机转子２２和 波发生器４固连在一起，柔轮３和壳体８相固连，旋转钢轮６与端盖１１相固 连。机器人的联结臂（联结臂１３，辅助联结臂１８）分别与壳体８（固定箱体）和 端盖１１（旋转箱体）相连接。由此，通过传感模块和传动模块两部分的组合就 构成了机器人的关节。关节工作时电机提供转矩，通过谐波减速器减速，输 出给旋转箱体，同时关节转动，最后通过联结臂联结下一关节。 图２．１０为采用谐波减速关节组成的具有三个运动关节的机器人步行足， 它包括：三个如图２．９所示的关节（关节２７，关节３０关节３２），连杆２５，连 接块２６，连接板３１和三维力传感器２４，辅助联结臂２８，连接联结臂２９。步 行足装配方式如下：关节３０与关节３２通过焊接壳体的方式固定，辅助联结 臂２８与连接联结臂２９将关节３０与关节２７连接，连接块２６通过焊接方式固 定在关节２７上，连杆２５与连接块２６通过螺栓连接，虽后在连杆２５的末端 连接上三维力传感器２４，关节３２和连接板３１通过螺栓固定。运动原理足： 每条步行足足尖安装有三维力传感器２４，用来检测步行足的落地时受力和障 碍物情况。关节３２通过箱体实现水平旋转，同时和关节３０固定，关节３０ 通过（辅助联结臂２８，连接联结臂２９）垂直旋转带动关节２７，关节２７通过壳 体带动连接块２６，连杆２５，三维力传感器２４。单步行足立体图如图２ １１所
月ｉ。

图２ １０单个步行足结构示意图

图２ １１单个步行足结构立体图

由此设计的机器人关节结构优点是：①单级传动比大且范围宽；②同时
啮合的齿数多，承载能力高；③传动平稳，传动精度高，磨损小；④在大传 动比下，仍有较高的传动效率；零件数少，重量轻，结构紧凑；具有通过密

封壁传递运动的能力等。⑤传动选择不唯一：刚轮与柔轮中可任意固定一个，

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其余两个一为主动、一为从动，即可实现减速或增速。⑥通用型（适合各种机 器人），⑦具有自锁性。⑧对电机起到保护作用，电机轴不再像涡轮蜗杆传动 方式受力，电机寿命得到保护并且工作平稳。
４．关节驱动器的选择及传动参数计算

驱动电机拟选择德国ＦＡＵＬＨＡＢＥＲ公司的２３４２ＣＲ系列微小型直流电机 作为机器人驱动器，同时选择与电机配套的磁性正交增量码盘
（ＭＲ—Ｅｎｃｏｄｅｒ），各项具体参数情况如所下： （１）电机： 功率：１７Ｗ 极限转速：８１００ｒｐｍ 空载电流：７５ｍＡ 转矩：１６ｍＮ?ｒｌｌ （２）ＭＲ编码器： 单圈信号输出：１２ＣＰＰ 信号极限频率：７．２ｋＨｚ 额定电压：１２Ｖ 启动电流ｍａｘ：１．４Ａ 空载转速：７０００ｒｐｍ 堵转输出扭矩：８０ｒａＮ?ｍ

（３）拟定机械参数：
重量：１２００９ 总长：４２０ｍｍ

最大外径：中４３ｍｍ

（４）考虑谐波减速器尺寸问题，拟选择减速比为２００：１的谐波减速器，即 ｉ＝２００，考虑谐波减速器传动效率为９２％时，经谐波减速器传动后的最大持续
输出扭矩为：

丁＝乙咖‘ｆ‘７７懒黼－

＝０．０１６ｘ２００ｘ０．９２＝２．９４４（Ｎ?ＩＴＩ）
根据电机及传动设计参数，可初步估算出步行足关节驱动器性能大致如
下： 关节转速：

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

ｌ

１ｎｎ ＺＵＵ

?

５

ｒｐｍ）

可测／可控转角精度：

阳：丝×三：２．６１６６×１０—３（ｒａｄｌ
１２ ｆ
、 ７

，输出扭矩范围：Ｔｓ５．４（Ｎ．ｒｎ）

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最终设计步行足各关节转角范围为： 髋关节：－４５。≤岔≤＋４５。

膝关节：一１３５。≤０２≤＋１３５。
胫关节：一１３５。≤鼠≤＋１３５。

２．３．２新型多足仿生机械蟹样机整机方案
１．设计要求

在前四型样机的基础上，针对前几代步行机器人结构中存在的一些不足， 结合设计要求，给出了以下新型样机的整机设计方案，新型样机符合模块化 设计思想，可根据具体情况对第四型样机部分结构和功能进行改进和更替。 针对前几代样机设计存在的问题，对新型样机整机结构提出了以下要求： （１）将谐波减速器作为传动机构设计各关节； （２）采用直流电机作为输入源； （３）通过足端的三维力传感器，实时监测步行机构着地点的力；
（４）可兼容的缓冲减震模块和符合步行足；

（５）为了减轻整机的重量，新型样机的机械本体仍采用轻质铝合金材料做 框架，并在躯体上预设安装空间及安装孔，以便于控制电路、传感器、电源
模块等设备的安装。 ２．新型样机整体机械结构 多足仿生机械蟹新型样机的整体机械结构如图２．１２所示，它是由八条由

谐波减速关节组成的具有三个运动自由度的机器人步行足（关节３３，关节３４， 关节３５，关节３６，关节３７，关节３８，关节３９，关节４０）和机器人机体底板 ４１构成。机器人的八条步行足是成完全轴对称式固定于机体板，其躯干上安 装有控制器和遥控装置，同时每个步行足都是由三个传动关节串联构成，各 步行足包括：三个的关节和三维力传感器。

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图２．１２多足机器人整体结构示意图

２．４新型多足仿生机械蟹样机控制系统方案
针对前几型多足仿生机械蟹样机控制系统设计存在的问题，对新型样机 控制系统结构提出了以下要求： （１）智能化，控制思想具有类似于动物智能思维特点： （２）良好的人机界面，便于操作与开发； （３）足够的信息传输方式；
（４）扩展性好。 从作业任务来看多足仿生机械蟹所要完成的最终设计目的是要研制出可

适应未来两栖作战环境的移动机器人平台。为了满足这样的性能需要，多足
机器人必须具备丰富的感知能力，包括内部感知能力和外部感知能力。另外，

由于多足仿生机械蟹所处的工作环境的复杂性和任务目标的多样性使其无法 采用建立在精确的数学模型基础上的传统控制方案。 通过对多足动物的观察发现动物运动过程本身就体现了一种对步行运动
的递阶式控制，而且其控制器官呈现出一种模块化的组织形式。大脑负责行

为的选择，监控全身各个器官的运行情况，决定运动的起止、方向和速度等； 根据大脑的调度启动指定足的指定肌肉，同时利用神经元网络完成各肌肉间 的协调；而最终的迈步运动是由骨胳、肌肉等运动器官来执行的。

２．４．１递阶控制系统特点
鉴于多足仿生机械蟹的行为控制特点以及控制系统的设计要求，我们可 以采用三级分层递阶式控制结构将机器人所要完成的任务和功能分解为组织 级，协调级，执行级三个层次，并按照自上而下精确程度逐层递增、智能程

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度逐层递减的原则进行功能分配。如图２．１３所示为３级递阶式控制系统结构
示意图。具体各级的功能解释如下： （１）组织级：又称为“任务规划级＂，是３层递阶控制系统中智能化最高的

控制级别，其任务类似于高等生物的智能行为，是基于经验、知识等的高级 功能。主要是对于给定的外部命令和任务，设法找到能够完成该任务的子任 务或动作的组合。包括机器推理、机器规划、机器决策、机器学习与反馈、 机器记忆及交换共５个子功能级。从控制任务上来说，其执行的是宏观任务。

图２．１３分级递阶式控制系统结构示意图

（２）协调级：又称为“分派器”，是组织级和执行级的接口。协调级接收 从组织级传来的命令，经过实时信息处理，产生一系列可供执行器执行的具 体动作的序列，并且协调级可监督执行级的工作效果，并将其反馈给组织级。 这一级又可细分为各运动模块间协调和运动模块中各关节之间协调两层任
务。

（３）执行级：是常规的硬件控制级，控制系统中的最低的控制级别。其根 据协调级的控制命令执行具体、精确的控制任务。 采用分层递阶控制方式的优点是：①模块相互独立：外围扩展模块、传 感器模块、步行足控制模块相互独立， 数据处理互不干涉；②实现了实时控
制：下层处理器能快速执行上层指令， 同时主控系统也能快速接收反馈信息

并发出相应的执行指令；③提高了机器人对外界环境的监测和自身的运动能
力，这样控制系统具有更高的直接性、总体控制性、有效性和可靠性。

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２．４．２多足仿生机械蟹硬件控制系统设计方案
多足仿生机械蟹分层递阶智能控制系统的硬件设计方案如图２．１４所示，

包括上层组织级、中层协调级和下层执行级三部分。

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执行级

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［主竺苎竺三竺竺！！！！兰竺：全ｐ—爿垂囹： Ｌ—————————————Ｊ～Ｊ

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图２．１４多足仿生机械蟹递阶控制系统硬件结构
１．组织级：

多足仿生机械蟹新型样机上层组织级控制系统是以ＴＩ公司的ＤＳＰ芯片 ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ为核心的控制系统，其外围扩展包括无线数传模块 ＳＲＷＫＦ．１０８、红外遥控接口、ＣＡＮ总线通信接口ＭＣＰ２５１０、ＲＳ．２３２接口 ＭＡＸ３２３２、液晶显示模块和Ｉｎｔｅｎｅｔ以太网接口ＲＴＬ８０１９ＡＳ等。组织级主要 负责接受用户命令、向用户反馈信息、根据现场环境规划各个步行足的运动 策略。无线数传模块ＳＲＷＫＦ．１０８和红外遥控接口通过各自串口与机器人主 控制器相连，为机器人提供远程遥控功能；ＣＡＮ通信接口ＭＣＰ２５１０和ＲＳ．２３２ 串行接口ＭＡＸ３２３２为机器人在线调试提供多种下载和调试接口；液晶显示 模块通过系统总线与机器人主控制系统相连，可通过液晶显示器了解机器人 的状态，便于程序调试和为实验提供直观的参数和界面；Ｉｎｔｅｎｅｔ以太网接口
ＲＴＬ８０１９ＡＳ可以为建立多机器人协作提供局域网络通信接口。 ２．协调级：

哈尔滨工程大学硕士学位论文

协调级控制系统由８片步行足协调控制器ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ组成，控制８ 条步行足，协调级负责协调各足以组合出各种各样的步态。一般来说，步态 的选择与外界环境息息相关，声纳环传感器信息处理系统通过一片 Ｍｓｐ４３０Ｆ１４９对声纳控制器返回的监测数据进行分析处理，他主要是检测远距 离障碍物以及水下通信等。电子罗盘ＨＭＲ３３００主要用来检测机器人机体在环 境中的偏转角度，保证机器人不能翻倒。三维力传感器用来检ＮＩＪ３维上的力反 馈情况。协调级接收来自各传感器的信息，经过处理后用来协调各种步态。
３．执行级

执行级控制系统采用模块化的方法，由８个步行足驱动模块和一个多传 感器信号采集模块构成，每一个步行足驱动模块包括三个驱动器：髋关节、 膝关节和胫关节驱动器；多传感器信号采集模块包括：声纳传感器、三维力
传感器和电子罗盘。

整个控制系统工作过程：上层组织级的外围无线数传模块ＳＲＷＫＦ．１０８、 红外遥控接口、ＣＡＮ通信接口ＭＣＰ２５１０、ＲＳ．２３２接口ＭＡＸ２３２、液晶显示 模块和Ｉｎｔｅｎｅｔ以太网接口ＲＴＬ８０１９ＡＳ为机器人远程无线遥控、程序在线调 试、人机交互界面、局域网通信接口提供给基本硬件接口；声纳控制器、三 维力传感器和电子罗盘是机器人的外围检测模块，为机器人工作环境提供实 时参数，这些参数不断的通过协调级处理系统处理后反馈给上层组织级主控 ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ，主控根据反馈数据发出相应的步态库指令，这些指令又通 过协调级的８条步行足的协调控制器处理后把指令参数发给执行级的各个关 节，这样机器人就可以根据不同的环境调整步态，同时各传感器实时监测机 器人的状态和环境信息，使其能以最优、最快的步态形式行走。

２．４．３多足仿生机械蟹控制系统软件设计方案
新型样机执行某一行走任务时，首先由ＤＳＰ主控系统设计出理想的运动 轨迹，并将其分解为一系列子运动发送给协调级，协调级接收组织级的任务， 将单个子任务分解为各步行足的运动，再由单步行足运动控制模块将单足运 动分解为单个关节的运动，最终由执行级实现精确的实时位置伺服运动输出。 在运动过程中，协调级根据传感器的反馈值调节运动姿态和方向等控制信息， 协调级不断修正各关节的角度值，消除由于耦合造成的运动误差，以快速达

哈尔滨工程大学硕士学位论文

到步行足迈步运动。图２。１５是两栖多足机器人三级分层递阶控制系统软件框
图。

图２．１５分层递阶控制系统软件框图

软件系统的工作过程如下：控制系统在开关合上后开始工作，首先进行 系统初始化和各关节位置复位：初始化后进入进入循环等待状态，此时系统 等待控制器中断指令，当无线遥控手柄发出执行动作指令后，上层控制器接 收指令信号，根据上层主控器传送的指令和数据控制电机进行相应的动作，
并根据反馈的结果来确定动作是否执行完毕，然后继续等待下一中断指令。

其间，上层主控器指令需要经过通讯中断判断程序和通讯中断子程序后才能 到达数据控制电机。从通信中断程序跳出后，先将指令参数分解为８条步行 足三个关节的参数，然后执行单关节位置伺服子程序，此时，关节就会根据 关节参数进行相应的运动。在整个系统执行过程中，可随时通过遥控手柄控 制运动起停、改变运动指令以及强行返回指令等待状态。

２．５两栖环境下的水下防腐方案
在前几型多足仿生机械蟹的研制中，为了使其具有水下作业能力，一般
２７

哈尔滨工程大学硕士学能论文

要为机械蟹再设计一套与其配套的防水外衣，然而防水外衣会使机械蟹的灵 活性变差。因此新型样机计划在选用铝作为其表层材料的同时，为其设计一 套水下防腐方案，使其在没有防水外衣的情况下灵活作业。 铝作为活性金属，在海洋环境中能生成一层致密的氧化膜，这层氧化膜 使铝钝化，大大提高铝的耐蚀性能。但海水中的氯离子，能破坏铝表面的钝 化膜，引起材料的点蚀等。铝及铝合金在海洋环境中，通常因局部腐蚀而受 到破坏，主要的局部腐蚀形式有点蚀、缝隙腐蚀和剥落腐蚀或应力腐蚀开裂 等。另外，海洋微生物的附着，更容易加快铝及铝合金的腐蚀。因此，对于

海洋环境中铝及铝合金的防护显得尤为重型蛔。
涂层防腐具有品种多，适应性广，施工简便，不受被保护设备的大小与 形状的限制，使用方便、比较经济等特点，因此在防腐过程中应用极为广泛。
铝表面比较光滑，若没有表面处理，则涂料对铝面的附着力低，而且耐腐

蚀性也较低，有时在漆膜下生成线状腐蚀。所以铝面在涂漆前均须经适当的表 面处理，最常用的表面处理方法是采用磷化底漆。因为在一般情况下，使用磷 化底漆较为便捷，不需特殊设备投资，施工简便，功效良好，适合我国一般情
况。在整体方案设计中，选用的磷化底漆配方如表２．１和表２．２所示。

该配方是单罐装磷化底漆，配合后可贮几个月，对铝面、锌面适用。使 用时，将甲组分不断搅拌下，按质量比４：１渐渐将乙组分注入甲组分中，不 可加入太快以免胶结。此时两个组分之间开始反应，必须在８小时内用完。８ 小时后虽漆液外观不变，并末胶结，但漆膜附着力下降，不宜再用。
表２．１甲组分 组分名称 四盐基锌黄 磷酸铬 滑石粉 聚乙烯醇缩丁醛 乙醇 甲基异丁酮 总计 含量（克）
４．５９ ４．５９ １．４９ ９．Ｏｇ ５４．５９ １６．１９ ９０．Ｏｇ

哈尔滨Ｔ程大学硕十学位论文

表２．２乙组分 组分名称 磷酸（８５％） 水 乙醇 总计 含量（克）
１．８９ １．８９ ６．４９ １０．Ｏｇ

磷化底漆的漆膜很薄，一船约８．１０１ａｍ左右，所以单纯一道磷化底漆的 防腐蚀能力很弱，必须上罩其他涂层达一定厚度。环氧树脂涂料具有优异的

耐蚀性、耐水性和附着性，适用于恶劣的腐蚀环境，可以提高整个涂装系统

的耐久性【６７１。在多足仿生机械蟹的设计中选取的是一种水分散型水性环氧涂
料的配方如表２．３所示№引。
，

表２．３环氧一水分散型涂料的配方 名称 水溶性环氧树脂 水 钛白粉 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

质量分数（％）
１８．１ ２０．１ １３．４ ５．４ ４．１ ７．４ Ｏ．３ Ｏ．１ ２．８ Ｏ．１ １２．８ １５．４
。

硫酸钡
重钙 滑石粉 分散剂 消泡剂 成膜助剂 流平剂 固化剂 水

消泡剂为聚乙二醇脂肪酸酯，分散剂为聚丙烯酸钠盐，成膜助剂为２，２，
４一三甲基戊二醇－１，３单异丁酸酯（ＴＥＸＡＮＯＬ），流平剂为水溶性有机硅油， 固化剂为双酚Ａ环氧与胺的加合物。

环氧一水分散型涂料的制备主要包括以下步骤：高速分散颜填料、逐步加
２９

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各种助剂、加固化剂、涂装、常温固化４８小时。根据ＧＢｌ７７１．９１对其进行 耐盐雾性测试，结果表明涂层７００小时无变化。

在环氧涂料上层再涂覆聚氨酯树脂中间漆，由于环氧树脂涂料和聚氨酯 树脂涂料的附着力不十分优异，所以在这两层涂料中间插入如聚氨酯树脂中 间漆，可选择市场销售的￥５３．３６聚氨酯云铁中间漆（双组份）。面漆采用光泽
比较持久、不富褪色的聚氨酯树脂涂料，可选择市场销售的￥５２．３聚氨酯防

腐面漆（双组份）。通过对机械蟹表面添加防腐图层，可以使多足仿生机械蟹
具有较强的适应水下作业的能力。

２．６本章小结
本章在总结前四型样机的基础上，详细介绍了多足仿生机械蟹新型样机 的总体方案。新型样机本着完全模块化的设计思想，提出了采用谐波减速器 设计的新型关节，通过与前几型样机结构进行比较，新型关节具有更高的传 动效率，其传动比大且具有自锁性，因此通用性强，可适用于各种机器人。
另外，本关节设计目前已经申请发明专利ｍ１。同时，在机械本体的设计基础

上，本章又详细介绍了新型样机的递阶式控制系统总体方案，包括硬件和软 件方案。最后，本章给出了多足仿生机械蟹在水下作业情况下的防腐方法。

３０

哈尔滨工程大学硕士学位论文

第３章新型多足仿生机械蟹步态分析及仿真
３．１新型多足仿生机械蟹的步态研究
新型多足仿生机械蟹的行走是由一系列连续的迈步动作来实现的，这些 迈步动作就构成了所谓机器人的步态ｐ０１。步态一般是指机器人在运动过程中， 机体抬腿和落腿的顺序关系。通过步态的定义可以发现，随着机器人足数的 增加，其步态种类变得异常繁多，步态规划问题也变得更加复杂，因此如何 在种类繁多的步态中选择最恰当的步态或者根据具体的情况选择适合于不同 环境条件的步态成为多足步行机器人领域的研究热点。然而，多年来步态的 研究并没有获得令人振奋的成果，能够获得较好行走效果的步态种类很少， 本文对近年来提出的步态类型进行了归纳，如表３．１所示。
表３．１多足步行机器人的步态种类
步态 波形步态 等相位步态
周

稳定性
Ｇｏｏｄ Ｇｏｏｄ Ｆａｉｒ Ｆａｉｒ ＧＯＯｄ／

适应性
Ｐｅｒｆｅｃｔ Ｐｅｒｆｅｃｔ

计算复杂度
Ｅａｓｙ Ｅａｓｙ Ｅａｓｙ Ｅａｓｙ

能量消耗
Ｎｏｔｅｖｅｎ Ｅｖｅｎ Ｎｏｔｅｖｅｎ Ｅｖｅｎ

电机平稳性
Ｇｏｏｄ Ｇｏｏｄ Ｇｏｏｄ Ｇｏｏｄ

后退波形步态 期 后退等相位步态 步 态 连续ＦＴＬ步态

Ｐｅｒｆｅｃｔ Ｐｅｆｆｅｃｔ

Ｆａｉｒ Ｆａｉｒ Ｆａｉｒ／

．

Ｆａｉｒ

Ｅｖｅｎ

Ｇｏｏｄ

灵巧周期步态 非
周

Ｆａｉｒ Ｒｏｕｇｈ

Ｆａｉｒ

Ｎｏｔ

ｅｖｅｌｌ

Ｇｏｏｄ

不连续ＦＴＬ步态 越障步态 寻找第一立足点

Ｐｅｒｆｅｃｔ Ｆａｉｒ

Ｒｏｕｇｈ
Ｏｂｓｔａｃｌｅ Ｒｏｕｇｈ／

Ｈａｒｄ Ｆａｉｒ

Ｎｏｔｅｖｅｎ Ｎｏｔｅｖｅｎ

Ｐｏｏｒ Ｐｏｏｒ

期 步 态

Ｐｅｒｌｅｃｔ

步态 自由步态
Ｇｏｏｄ

Ｖｅｒｙ ｈａｒｄ Ｏｂｓｔａｃｌｅ Ｒｏｕｇｈ ｈａｒｄ

Ｎｏｔ

ｅｖｅｌｌ

Ｐｏｏｒ

Ｎｏｔｅｖｅｎ

Ｆａｉｒ

在步态研究中主要包含了以下３个基本概念：

①悬空相：是指机器人步行足抬起并离地面的阶段，如图３．１中白色块

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所代表的就是悬空相。

②支撑相：是指机器人步行足支撑在地上并推动机体向前运动的阶段，
图３．１中的黑色块代表的就是支撑相。

③占地系数名：机器人每个步行足在一个行走周期内接触地面的时间与
一个行走周期的比。
１ ２ ３

腿４

号５

吃 ＿＿ ６＿＿ｌ
８ Ｉ ２ ３ ４ ５ ６

７＿Ｉ＿ ＿＿＿
图３．１八足机器人的步态轨迹模型图 对于一个四足步行机器人来说，当其占地系数名小于０．５时，机器人在 任意瞬时只有不足两条腿支撑于地面，所以机器人处于跳跃运动状态；当占 地系数等于０．５时，机器人是用两组腿交替摆动，这种四足机器人的步态称 为小跑步态；而当占地系数等于Ｏ．７５时，表明机器人任何时刻都存在有三条 腿支撑于地面，另一腿向前摆动，该步态俗称爬行步态；而当占地系数大于 ０．７５时，说明机器人轮番用三条和四条腿支撑，这种步态是慢爬行。显然， 当占地系数小于或等于Ｏ．５时，机器人属于动态步行状态，而当占地系数大 于或等于Ｏ．７５时，机器人处于静态稳定步行状态，因此选择恰当的占地系数 是多足机器人步态规划的关键内容。 步态的研究是步行机器人研究的核心问题，主要包括步态的规划和步态 的生成。步态的规划口ｕ主要是指对机器人足尖点在空间中经过的轨迹进行合 理的规划，使该轨迹满足一定的要求。步态规划主要包括：步态稳定性分析， 直行步态规划与分析，定点转弯步态规划与分析等。为了使步态轨迹满足一 定的要求，首先需要步行足在抬离地面后应该不碰到障碍物或是与地面发生 摩擦，即要求足尖点在抬起时离地面有一定的高度，但这一高度并不是越大 越好，步行足离地面的高度增大虽然可以提高其越障能力，但同时其驱动元

哈尔滨工程大学硕士学何论文

件要做更多的功并且会增加步行足在空间中所经过距离，降低了行走效率。 因此对足尖点进行规划时，要选择合适抬起高度，除非在高度方向有障碍物 时，才选取较大的高度值，否则尽量避免损耗更多的能量。另外，步态规划 过程中还应当使步行足在运动的过程中满足一定的起落条件以及较优的步迹
时间特性和速度、加速度特性等。

步态生成睁川一般是指确定各条步行足相位变化信息的过程，这些信息包
括各足摆动相运动规划的开始和结束，支撑相运动规划的开始和结束。对于

步态生成过程中最重要的一点是保持机体的稳定性。这要求机器人行走过程 中，必须保证任一时刻都有足够的步行足处于支撑相状态。对于多足步行机
器人来说，通常至少有三条足处于支撑相状态。

在八足仿生机械蟹的步态研究中，为了确保机器人在行走过程中保持较 好的稳定性，通过模拟真实螃蟹的运动规律，规定相邻步行足不可以同时处 于摆动相状态，即腾空状态。在这样的规定下，机器人的相邻足不可能同时 开始一个迈步动作。而对于平坦表面上的直线行进，如表３．１所示，在众多
步态中，波形步态是效率最高和稳定性最好的一种步态形式，波形步态可以

在多种动物的行走过程中观察到，目前多足机器人行走步态大多数都以这一 类步态作为步态控制器的输出。对于八足仿生机械蟹来说，其波形步态又称 为双四足步态，由于双四足步态是效率和稳定性最好的步态，因此多足仿生 机械蟹的行走步态选择双四足步态形式。

３．２新型多足仿生机械蟹运动学分析
多足仿生机械蟹运动学分析是机器人研究的基本内容。运动学研究主要

包含两类问剧５２１：正运动学分析和逆运动学分析。前者是在给定机器人步行
足的关节坐标值情况下，求解各足尖点或复合步行足的相应位置和形态，即 运动学正解过程；而后者是在足尖点或是复合步行足的位置和形态一定的情 况下，计算步行足各关节的关节坐标，即运动学逆解过程。

３．２．１摆动步行足运动学分析
１．摆动步行足的运动学模型

新型多足仿生机械蟹的摆动步行足（包括普通行走步行足和复合步行足）

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可以看作是具有三个关节的串联机械臂。为了便于分析，通常会把三关节的 复杂步行足简化为由一系列关节连接起来的连杆机构形式，从而采用串联机 构理论对其进行运动学分析。图３．２为简化的摆动步行足模型。首先，利用 Ｄ．Ｈ下关节设置法对多足机器人步行足每一个连杆建立独立的坐标系；而后， 采用齐次变换法描述这些坐标系间的相对位置和姿态关系；设置完成后对其
进行运动学正解和反解计算。

图３．２多足仿生机械蟹步行足Ｄ．Ｈ坐标系

２．摆动步行足运动学正删５５１
摆动步行足运动学正解是在已知机器人躯体的姿态和处于摆动相的各个 步行足所有关节转动的角度的情况下，求解摆动步行足的足尖点所处的姿态 位置。如图３．２，我们采用下关节设置法来建立多足机器人摆动步行足各关节 的坐标系，表３．２给出了摆动步行足Ｄ．Ｈ坐标系参数。
表３．２摆动步行足Ｄ．Ｈ参数
●

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 岛 岛
Ｏ

哈尔滨工程大学硕士学位论文

按照相对于Ｄ．Ｈ坐标系变换的法则计算，如式３．１所示为坐标系ｆ相对

于坐标系０的变换矩阵为卜７，对应于各干的变换矩阵分别为式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．吕

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岛０

ａ２

；Ｔ＝

ｓｉｎ岛
Ｏ ０ １

ＣＯＳ岛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

则末端相对于０坐标系的变换矩阵为：

汐＝：Ｔ了２：』３。ｚ
ｃｌｃ２ｃ３一ｃｌＪ２岛 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“ 哪印邓驴

ｒＪ

十

％隅矿。巳 ＋●

婶

％呐弘 现现如 吃
（３－６）

式中，Ｃ和ｓ分别代表ＣＯＳ和ｓｉｎ。

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由此得到步行足足端点在基准坐标系中的空间位姿表达式为ｔ

ｏ昂＝ｏｒ?４弓＝ｏｒｒｏ，ａ３，０，１ｒ＝［只，￡，只，１ｒ

（３—７）

其中，４Ｐ为足端点在第３关节固连坐标系中的位姿向量。将７代入式（３．７）
中可得步行足的足端点在机器人躯体固连坐标系ｑ—ｘ一】，一ｚ中的坐标 ０ｐｘ，ｐｙ，ｐ３：

ｌ ｅ＝ｃｌａｌ＋Ｃｌｃ２ａ２＋２岛（１乞邑一ｃｌ曼岛） ｛ｅ＝ｓＩａｌ＋ｓ，ｃ２ａ２＋弛（ｓｉｃｋｓ，＋ｓｔｓ２ｃｓ） 【￡＝ｓ２ａ．２＋２ａ３－ｓ，ｓ２＋ｃ２ｃ３）
３．摆动步行足运动学逆解嗍 （３—８）

摆动步行足运动学逆解过程所要解决的是在己知机器人躯体的位姿和各 足端的位置矢量的条件下，计算所有摆动步行足各关节的转角等关节变量的 问题。运动学的逆解主要方法有ｔ代数法、‘几何法和数值解析法。

对各步行足而言，≯’＝７７＇ｏｒ７为定值，因此可设
ｎｌ ｏｌ ８ｘ

ｐｘ

≯＝

ｎｙ ｎｚ

ｏｙ ｏ：

ａｙ ｎｚ

ｐ

ｙ

ｐｚ １

＝Ａｐ０４－４２如

（３－９）

Ｏ

Ｏ

０

当机器人步行足的足端位置和姿态给定时，式（３．９）中等式左端的矩阵已
知，而等式右端待求的运动参数未知，是待解参数。根据对应元素相等原则，

等式两端的矩阵对应元素相等，由此可以得到一组多变量的三角函数方程组。 与运动学正解不同，运动学逆解需要求解一些非线性超越函数方程。而求解 这类超越方程的方法有：代数法、几何法和数值解析法，即为运动学逆解方
法。这里选用代数法作为运动学的逆变换法。

由４：Ａｓ，＝（彳ＰＤ以。）－１乙，得：
ａｓＣ２Ｃ３＋ａ２ｃ２＝（以一ａ）ｑ＋（一见＋ｃ）ｓｌ （３－１０） （３—１ １） （３—１２）

吗ｓ２ｃ３＋ａｓｓ２＝Ｐｙ一．６—４
ａ３ｓ３＝（以一ａ）ｓｌ＋（一见＋ｃ）ｃｌ

①髋关节角度鼠
由式（３—１０）（３－１１）（３－１２）得：
３６

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Ｄ＝（ａ３ｃ３＋ａ２）ｃ２

（３－１３） （３－１４）

式中：，ｚ。代表符号数，取值为ｎ。＝±１

②膝关节角度岛

又由式（３—１０）（３．１１）（３一１２）得：

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

矽咏１（嚣］

（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：代表符号数，取值为ｎ２＝±１

（３—１８）

⑨胫关节角度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代表符号数，取值为ｎ３＝±１

ｐ２。，

３．２．２站立步行足的运动学分析
多足仿生机械蟹站立步行足运动学正解所要解决的是当已知站立步行足 各落足点的位置和落足点微小平面上的法线方向时，给出所有主动关节的转 角，即可求得机器人躯体的姿态的问题。而站立步行足的运动学逆解所要解 决的是在已知各着地步行足落足点的位置和落足点微小平面的法线方向时，

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给定躯体的姿态，即可求出主动输入各步行足的关节转角问题。 当多足机器人的两条或两条以上的步行足同时着地时，机体与地面构成 了一个具有６个自由度的空间并联多支链机构，每条着地步行足代表一个支 链。从雅可比矩阵出发，以分支链为单位，将并联机构转换成串联机构进行 分析：首先，将一条步行足与地面组成的支链单独取出来，用上关节坐标法 设定Ｄ—Ｈ坐标系，如图３．３所示；将其与地面接触时所组成的球副转变成３
个转轴互相垂直的转动副。转化过程中坐标系３的转轴方向不能与胫关节转 轴相交。

图３．３着地步行足Ｄ．Ｈ坐标设定 按照齐次坐标变换法可求得：
ｌ ０ Ｏ ５０ Ｏ Ｏ ｌ

７＝

０ １ Ｏ Ｏ Ｏ ｌ Ｏ ０ Ｏ

（３—２１）

令步行足／的关节驱动变量为ｑ７＝（ｑ７，０／，色７，ｏ／，岛７，０６。）Ｔ，其６ｘ６阶雅
可比矩阵为歹７，机体速度向量为Ｖ＝（巧，圪，巧，■，以，ｖ６）Ｔ，则有：
口７＝（Ｊ７）一矿 （３．２２）

令Ⅳ’）～＝（‘’，Ａｊ，以７，Ｊ／，以７，以７）Ｔ，其中‘７为ｌｘ６维矩阵。则步行ｊ『
的第ｆ号关节驱动变量谚７为：

ｏ／＝正’Ｖ
３８

（３．２３）

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机器人站立时具有６个空间自由度，因此在２４个关节中取６个关节

嚷＾，＆矗，吃＾，吃丘，０ｉ５ｊ５，嚷矗为主动关节，分别代入式（３—２３）ｑｂ，可得站立步行
足的运动学逆解方程：
Ｇｙ
＝
，

＝

印叶

∽时 哆Ⅳ 铲矗 铲以 彤ｑ
．“

广～ Ｖ

ｐ抖

则站立步行足的运动学正解方程为：

Ｖ＝Ｇｑ（６：ｌＪｌ，吃止，吃以，气Ｊ４，嚷Ｊｓ，０嵋ｊ，）１ ３。３新型多足仿生机械蟹动力学分析
３．３．１步行足的动力学分析

（３－２５）

多足仿生机械蟹一般采用横向行走方式，单腿可以看作两个自由度的运 动，行走过程中８条步行足的２４个传动关节只有各步行足最外端的两个关节 运动，而俄关节锁定；当进行前行或是转弯动作时，靛关节回转轴线与第２、 ３关节轴线垂直。假设关节受到垂直向下的力尸，与其所在平面平行，所以Ｐ 对于髋关节施加的负载扭矩必Ｐ－，的矢量方向与髋关节转轴垂直，该扭矩大部 分由髋关节转动轴承承受。下面以拉格朗日方程建立两栖多足机器人行走时 步行足动力学方程。 假设步行足前端两个杆件的质量分别是铂，ｍ２；杆长分别是，１，厶；两 杆的质心分别是‘。，Ｃ：；两杆绕各自质心的转动惯量分别是以。，以：；如图
３．４所示。

图３．４摆动步行足动力学模型

３９

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由此可建立方程： （１）首先建立广义坐标：
ｇｌ＝鲲， 仍＝ｇＩ，

】Ｉｌ＝１，
９２＝仍，
１‘２ｌ

２

０，

吼．仍．也．仍如

亿ｌ虹＝‘ｌ‘ｃｏｓｑ’ 亿１）），＝‘Ｉ‘ｓｉｎ仍ｔ
（２）由上式可导出：

Ｕｍｌ。＝一‘ｌ‘ｓｉｎｑｌ ｑ圳２ｘ＝０ 皈川ｌｙ＝‘ｌ。ｃｏｓｑｌ 职州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）可导出： （３－２６） （３－２７）

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

（３—２８）

【Ｕ哟２ｙ＝‘２’ｃｏｓ（ｑ２）
（４）由此得出：

Ｊｌｌ＝以ｌ＋聊ｌ‘１２＋聊２（吒２）ｌ。＋ｕ盖２）ｌｙ）＝以ｌ＋铂‘１２＋ｍ２‘２
厶＝以２＋聊２丘２２
‘２＝以ｌ＝ｍ２１ｌｌ，２ ｃｏｓ（ｑ２一ｑ１） （５）计算广义力，如图３．５所示步行足的受力分析：
，旧
＝ ＝ ＝

（３—２９）

｜§

债一
∽一

淄

＋

０

蟠 谚●２ 乙‘‘ 淄 孵旃磅 ＋ ｐ啷啵晚 嘲嘲硼

（３—３０）

哈尔滨Ｔ程大学硕十学位论文

图３．５两栖多足机器人步行足受力分析

（６）在式（３－３０）ｑｂ分别对ｇ。，９２求偏导，代入广义力求解通式：

ｇ＝蚂一ｍｊｇｌｊ，ｓｉｎ ａｉ一【Ｅ ｍ＾ｇ＋ＰＬ
得：

ｓｉｎ

ａｉ

（３—３１）

ｊ Ｑｌ＝Ｍ一铂醇?ｓｍ仍一（聊ｚｇ＋ｐ）‘ｓｍ仍（３－３２）
【Ｑ２＝＾毛一ｍ２酿２ ｓｉｎ够２一ｐ，２ ｓｉｎ够２
其中，当Ｐ＞０时可看作在抬起过程中或者由外力施加在腿前端；Ｐ＝０时可

看作抬起或者落地过程中没有受到外力；Ｐ＜０时可看作腿部着地时或碰倒物
体，即可以看成站立步行足动力学方程。 （７）按拉格朗日方程进行计算：

旦ｄｔ薏一署＝ｇ
ｂ矗ｉ己矗｜ｌ 其中Ｑ，为式（３．３２）ＩⅡｔ式的加和。

、

（３－３２）
’

芸编

姜卺一三鼍彬＋三鼍费

薯挚妒
Ｍ厶＝ｌ￡氧ｌ、３ｑＬ。Ｏｑ肼Ｏｑｔ用肘扎

。。２’

∑Ｎ－１兰（垃＋盟一监）柏工：

哈尔滨工程大学硕士学位论文

分别令Ｊ＝１，Ｊ＝２，带入式（３－３２）得出Ｑｌ，Ｑ２ 九瘟
２ ｌ ２一

一

１～２ １～２

爵

吼 应

ｇ
ｐｏ

以旌；２
式（３．３３）化简得：

些抽尝 留』２ 嘏ａ蛆咄韭兆一嘶，： 垫硇比一ｈ
－

卜

亟¨盟咄 彰 虹兆丝兆

Ｑ

』‘，百?十以２玩＋ｍ２１１１，２ ｓｉｎＯｐｌ一绝）疰２ Ｑ（３－３４）
【以２萄＋以２茸２＋，吃‘乞２ ｓｉｎ（够２一ｑ＇１）Ｏ；＝０２
３．３．２机体动力学分析
１．机器人动力学模型 多足机器人机体并联机构是由一个具有８个分支、４８个运动副的复杂系 统构成的。动力学模型的建立运用拉格朗日方程和机构的一、二阶运动影响 系数导出，对于整个并联系统，同样可以用并联机构拉格朗日动力学方程ｐ引：
、

巧＋譬＋芽＋巧＝０

（３—３５）

式中：Ｚ代表将系统惯性力折算到广义坐标上所得到的力矩
掣代表驱动力矩

砰代表系统外力相对广义坐标的等效力矩
巧代表弹簧、阻尼等对广义坐标引起的力矩

利用此动力学方程，在己知运动时，可求输入主动力矩巧；当已知输入 力矩刀时，可求系统的运动。
而系统惯性广义坐标的等效惯性力矩可写成：

Ｚ＝一百［，’卜口７１［Ｐ‘】口

（３—３６）

式中，，代表广义惯性功率模型矩阵，ｇ代表广义坐标，［，‘］代表广义惯性
张量。

多足机器人每条步行足由多个连杆构成，步行足末端的连杆与地接触时 采用球铰方式联接。机器人行走过程可描述为“抬腿一摆腿一落腿＂三个组合 运动形式，在每个不同的运动阶段，动力学模型可以表达为如下形式： 互＝ｈｉ（Ｏ，）Ｏｉ＋Ｅ（够，够），（ｆ＝１，２，…，ｇ）
（３－３７）

式中，ｇ为步行运动序列中的广义变量数目，红为机器人的ｑｘｑ阶惯量矩阵，

哈尔滨丁程大学硕士学位论文

Ｅ为ｇ维包含哥氏力、向心力和重力的向量，瓦是ｇ维广义关节力矩向量。
由此可得，在每个不同的运动阶段，多足机器人动力学模型可以表达为： ｆ＝ｈ（ｅ）Ｏ＋ｎ（ｏ，Ｄ （３—３８）

式中：ｈ＝ｄｉａｇ（啊吃…吃） 臼＝（Ｂ 岛…包）２

Ｈ＝（日ｌ皿…见）１
通过如上所述的机器人动力学分析，建立详尽的多足仿生机械蟹动力学

分析模型，为以后机器人路径规划研究、机器人脚力规划研究以及驱动关节
的控制研究提供了研究基础唧１。 ２．惯性力和驱动力矩的计算

当多足机器人的两只以上步行足着地时，机体可以看成是具有６个自由 度的多支路空间并联机构，６个自由度的并联多支路空间机构的惯性力计算
涉及到所有构件的加速度的计算和一阶、二阶影响系数矩阵的计算。本文引 用文献［５５］中计算中央机体的加速度结果：

如＝引钟Ｉ口＋鳄口
于是可得处于并联分支中的任一构件ｋ的加速度： ４＝口ｒ

（３—３９）

ｌ磷Ｉ香＋嘭口：

（３－４０）

式中，口和百分别代表６个广义坐标ｇ对时间的一阶（角速度）和二阶（角加速度） 导数；［Ｇ】和［日】分别代表相应构件对广义坐标的一阶和二阶响应系数。 躯体及任意分支，中的第ｋ杆的６维惯性力矢可用式（３．４１）和（３．４２）求出：

［％】７’［砭］【吼］ Ｆｊ－－－Ｅｚ：，］．．－
［０】
（３４１）

［败】ｒ［屹］【嗥］１ｐ’ ∥＝＿［圪］吒一

ｔ南

ｊ

。４２’

式中，［ｒ］为构件关于原点为ｃ且与固定参考系平行的坐标系的３阶惯量矩 阵；【ｒ】为６阶惯量矩阵。
作用于机体上平台的６维力矢量可转化为６个选定的主动副的轴上的等

哈尔滨工程大学硕士学位论文

效力矩，可以用对应的一阶影响系数作为乘子得到：

彳＝［《］１日
躯体对６个广义坐标的６ｘ６一阶影响系数矩阵。

（３－４３）

式中，彳为机体上的６维作用力对６个广义坐标的等效力矩列矢；［砰】为
若在分支，．中的第Ｋ个构件上，６维惯性力为Ｅｐ），该构件对６个广义

坐标的一阶影响系数矩阵为［《】，则６维力矢量疋对广义坐标的等效力矩：

彳＝［嘭ｒ掣（３－４４）
整个机构包括机体和所有关节，惯性力和外力对输入件的总等效力矩为：

巧＝∑∑彳ｐ’＋彳
ｒ－－Ｉ Ｘ＝ｌ

（３－４５）

式中，ｍ为一条步行足上的关节数；ｎ为着地步行足数。 作用在躯体上的６维外力及外力矩为Ｒ．，而作用在躯体上的广义外力

为ｒｇ’＝［鳄】ｒＢ．。作用于第，．条腿上的第ｋ个关节的６维外力及外力矩为
硝），则作用在第ｒ条腿上第ｋ个腿节上的广义外力为：

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

由达朗伯原理所有外力包括驱动力及惯性力处于平衡状态，其动力学方
程为：

巧＋彳，ｒＪ＝０
这样可求出加在６个输出轴上的驱动力矩：

（３—４８）

巧＝一∑∑［嘭Ｐ’（最７’＋硝’）－ｔｃ：］ｒ（乓＋日．）
３．４新型多足仿生机械蟹运动学和动力学仿真
’

（３－４９）

３．４．１仿真软件的选择
１．机械系统仿真软件ＡＤＡＭＳ

ＡＤＡＭＳ仿真软件是一种虚拟样机软件，此软件具有强大的动力学仿真 和后处理功能。它的特点主要有瞄叼： （１）可创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动、

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力学理论中的拉格郎日方程方法； （２）可建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力 学分析，并输出位移、速度、加速度和反作用力曲线； （３）ＡＤＡＭＳ软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检 测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。 而其缺点主要是无法创建复杂的几何模型，会导致仿真结果不准确。 ２．机械控制系统仿真软件Ｍａｔｌａｂ Ｍａｔｌａｂ是基于矩阵计算的工程开发和设计的有力软件，其Ｍａｔｈｗｏｒｋ吸 收了像ｍａｐｌｅ等软件的优点，使Ｍａｔｌａｂ成为一个强大的数值计算软件，同时 具有很强的开放性。Ｓｉｍｕｌｉｎｋ是建立在Ｍａｔｌａｂ基础上的动态系统仿真工具。 其仿真功能可用来对系统建模、分析和仿真各种动态系统（包括连续系统、离 散系统和混合系统）的交互环境；同时Ｓｉｍｕｌｉｎｋ还集成Ｓｔａｔｅｆｌｏｗ，可用来建 模、仿真复杂事件驱动系统的逻辑行为；总体来看，Ｓｉｍｕｌｉｎｋ具有如下特点： （１）是一种强大的建模工具：具有完整的功能模块库，可用于建立单入单 出、多入多出、线性、非线性、离散、连续、混杂及多速率系统； （２）是一种开放性的软件平台：用户可以建立自己的功能模块库，并加入 到Ｓｉｍｕｌｉｎｋ浏览器中； （３）是一种有效的仿真和分析工具：可交互仿真，即时调参和显示结果； 可根据不同的系统设置不同积分方法（固定步长、变步长、刚性系统）； 而其缺点主要是无法模拟实际的机械模型。 总结三种软件的特点，本着取长补短的原则，在多足仿生机械蟹研究中 利用这三种软件对机器人的步态轨迹及运动学进行了仿真。通过仿真结果对 机器人的步态进行规划，同时对运动稳定性进行了分析。

３．４．２基于ＡＤＡＭＳ的运动学／动力学仿真
１．仿真参数设定 （１）接触应力选择 在进行ＡＤＡＭＳ动力学／运动学仿真之前，需要建立虚拟地面环境，同时 还需要定义机体与地面接触部分的接触应力。在采用ＡＤＡＭＳ做动力学仿真 时接触应力一般可以模拟真实地面情况，提供两个或多个物体接触参数、刚

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度、变形度等情况。应力设定的主要操作过程是””：

①首先，打开ＡＤＡＭＳ的工具菜单（图３．６）；
②选择Ｃｏｎｔａｃｔ，同时依次选择地面和个支撑足； ③接下来定义如图３．７所示的接触参数，根据实际情况参数设置需进行
调整。

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圈３．６ＡＤＡＭＳ工具菜单

图３．７ Ｃｏｎｔａｃｔ对话框

（２）运动函数选择 在ＡＤＡＭＳ中包含许多种运动函数，比较普遍的有ＳＴＥＰ函数和 ＳＰＬＩＮＥ（样条曲线）两个函数，为了在接下来试验中对双四足态进行动力学仿 真，我们首先将规划后的单腿运动轨迹曲线添加到样条函数ＳＰＬＩＮＥ中，如 图３．８（ａ）Ｃｏ）分别为Ｘ和Ｙ方向的轨迹曲线。 由此设定的函数曲线加载到足尖点上进行运动学仿真，可得点的轨迹和 添加的样条曲线相一致，足尖点的轨迹如图３．９所示。

通过ＡＤＡＭＳ后处理功能可求得２个关节的转角情况，如图３．１０所示，
２个关节转角晟大值分别是３１度和２９度。由此完成了运动学逆解过程。

—：互鎏三三盔兰叠土：堡鎏兰

除‘ｆ
（ａ）ｘ方向曲线 Ｃｏ）Ｙ方向曲线 图３．８单腿运动轨迹曲线

：

经

’卒霭｛ｉ量箜
（ａ）上关节角度变化曲线 （ｂ）下关节角度变化曲线 图３．１０两关节角度变化曲线 在整机仿真实验中还可以通过ＳＴＥＰ函数给定电机各关节角度变化值， 即通过运动学正解的方法得到末端曲线轨迹，通过ＳＴＥＰ函数可以方便的建 立循环，也可以通过ＩＦ函数嵌套样条曲线的方式实现删，但是在ＡＤＡＭＳ中 过多的使用ＩＦ函数会导致求解器出错，因此最终选择ＳＴＥＰ函数，将ＳＴＥＰ 函数加载到各个关节的ＭＯＴＩＯＮ上进行仿真，这种方法适合于施加循环参 数，方针过程比较稳定。

：巨压Ｅ兰享：Ｐ＿＿＿广孬■＿］
图３．９足尖点轨迹

哈尔滨工程大学硕士学位论文

具体的函数为： （１）１、４、６、７号腿的函数为：

０…５

ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，０，０，１，一０ ３）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１，０，２，０ ３）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，４ｔ
Ｏ

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号腿的函数为：
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．机器人越障运动的虚拟样机实现 利用ＡＤＡＭＳ软件对采用双四足行走步态的机器人进行较矮障碍物行走 仿真。仿真过程中选择台阶高度为７０ｍｍ，电机方程和３．３ １中所介绍的一样。
仿真时间为２０秒。 图３ １１的四图详细描述了在ＡＤＡＭＳ中机器人的越障行走情况。由于仿

真过程中截取的是平视图像，因此当机器人运动于双四足步态时，图示中所 示的每一个步行足则代表一组（两个步行足）摆动步行足或站宣步行足，总体 建模为８足机器人。

ｊ尘立 篮趔
图３ １１两栖多足机器人横向越障实验

为了分析机体在不同障碍物高度情况下各关节的力矩情况，仿真过程中 分别采用高ｌ～７ｃｍ，长９０ｃｍ的台阶进行了机器人越障仿真，获得机器人８ 条步行足各关节的力矩变化曲线，如图３．１２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）（０（ｇ）（１１）所示。图３．１３ 则给出了机器人重心沿ｘ和ｚ方向的变化曲线。

！量：！羔耋！Ｉ

?蜊－““＿幽“ｋＩｌ｜Ｉ＃“幽 狮岬坩’卵聊
（ａ）右１、４步行足胫关节

（ｂ）右ｌ、４步行足膝关节

翻
（ａ）机器人重心沿Ｚ轴变化曲线

（ｃ）右２、３步行足胫关节

（ｄ）右２、３步行足膝关节

毳一

ｍ左１、４步行足膝关节

一制～

（ｇ）左２、３步行足胫关节

（ｈ）左２、３步行足膝关节

图３ １２机器人８条步行足力矩变化曲线

Ｃｏ）机器人重心沿Ｘ轴变化曲线

图３１３机器人重心变化曲线

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实验结果分析：从上面的仿真结果可以看出，机器人运动时，其机体自 身重心变化比较频繁，这在实际运动过程中会直接影响机体的稳定性，并且 在仿真过程中，力矩存在突增情况，特别是在机体跨上障碍物和离开障碍的 时刻，因此在进行运动步态规划的过程中，应尽量优化其运动轨迹，同时可 引入传感器，使机器人可以意识到障碍物的存在，提前做好步态转换准各， 这样更有利于系统稳定地工作。 ３．机器人上坡、下坡运动的虚拟样机实现

图３ １４中的四幅图详细描述了机器人采用双四足步态的爬坡行走情况。

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图３ １４两栖多足机器人爬坡过程模拟实验

（１）仿真过程中，选择爬坡角度１５度，仿真时间为４０秒情况下，各关节 受力矩情况如图３１５所示

（ａ）右１、４步行足膝关节

（ｂ）右１、４步行足胫关节

三雨碉ｌ三骊
（ｃ）右２、３步行足膝关节 （ｄ）右２、３步行足胫关节 （ｅ）左２、３步行足胫关节
’

（Ｄ左２、３步行足膝关节

（曲左Ｉ、４步行足膝关节

（１１）左１、４步行足胫关节

图３．１５机器人８只步行足膝、胫关节承受力矩变化曲线 （２）仿真过程中，选择参数为下坡角度１５度，仿真时间为３０秒时，各关 节受力矩情况如图３ １６所示。

鼍两蝴牺呻删 差蓐蕊
（ａ）右１、４步行足膝关节 （ｂ）右１、４步行足胫关节

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ｍ ｍ

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ｆｃｌ右２、３步行足膝关节

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（ｄ）右２、３步行足胫关节

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ｅ）左２、３步行足胫关节 （Ｄ左２、３步行足膝关节 （ｇ）左１、４步行足膝关节

∞左１、４步行足胫关节

图３．１６机器人８只步行足膝、胫关节承受力矩变化曲线 实验结果分析；从上面的仿真结果可以看出，在前半部分（机器人在水平 路面运动）曲线比较平稳，而当机器人处于上坡和者下坡阶段时，各关节力矩 值陡增，有些最大值甚至超过了输出最大扭矩的范围，这样在实机测试过程 中很有可能出现电机因为突然的力矩变化而发生损坏的现象。同时，仿真也 间接证明了机器人在平地与坡路之间运动时需要增加一种转换步态，即在不 同的路面情况下机器人应该具有过渡步态，通过过渡步态的调整完成平稳的 运动过程。 ４．机器人与障碍物碰撞的虚拟样机实现
图３ １７中的四幅图详细描述了机器人在碰撞障碍物情况下的运动情况。

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：：｛＿苞ｉ＿竺芎霄］
图３．１８左１腿受力曲线

图３１９左３腿受力曲线

再次运动情况下，各关节力矩情况如图３ ２０所示： 实验结果分析：从上面的仿真结果可以看出，当机器人碰到障碍物后， 电机扭矩持续保持在３Ｎｍ和４Ｎｍ之间，这一点符合设计的要求，但是足尖 点监测到的受力值保持在６０Ｎ左右，最大值达可能到７０Ｎ，这在实际中对机 械结构存在一定的破化性。通过采集这组数据，可以利用三维力传感器来控 制碰撞力的大小，当碰撞力大于某一指定值后，机器人可自动调用其他步态 指令，例如调用绕行步态，让机器人绕过障碍物后继续行走。

飙㈣｜：㈣删

懈璐懒唾潲蝴
｝三璧茎鹜Ｉ

：ｊ巨夏挈Ｉ

（ｃ）左１、４步行足胫关节

（ｄ）左１、４步行足膝关节

图３．２０机器人各腿的力矩曲线
３

４．３基于Ｍａｔ ａｂ／ＡＤＡＭＳ的联合建模仿真

１．联合仿真的意义”” 通过３．４ １节对各种软件的分析我们得出：单独用两种软件中的一种软

件来完成接近真实的虚拟样机仿真是不可行的，但是我们可通过联合使用两 种软件来有效利用不同软件的优点进行虚拟样机仿真，即先利用Ｐｒｏ／Ｅ对多 足机器人进行整体模型，然后在ＡＤＡＭＳ软件上，应用Ｐｒｏ／Ｅ已经建好的模 型进行运动学／动力学仿真，最后应用ＡＤＡＭＳ和Ｍａｔｌａｂ两个软件进行联合 仿真，实现ＰＩＤ的控制调节等操作。 利用ＡＤＡＭＳ和Ｍａｔｌａｂ两个强大的软件工具进行联合仿真，可以大大提 高设计效率，缩短开放周期，降低开发成本，获得优化的机电一体化系统整 体性能，正确快速地解决单一仿真中遇到的种种问题，达到事半功倍的效果。 联合仿真可以实现的功能主要有以下几点： （１）将复杂的控制部分和机械系统样机模型结合在一起，在两个软件的窗 口中同时进行仿真； （２）直接利用Ｍａｔｌａｂ的优势建立电机模型唧’，用ＡＤＡＭＳ的优势建立各种 仿真条件（如摩擦力、接触应力、行走路面等）使仿真结果更趋近于真实环境；

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（３）可以更好的分析从环境中获得的机电联合仿真结果。

２．联合仿真求解的基本步骤 为了保证联合仿真的顺利完成，在联合仿真之前必须完成以下几个步骤： （１）通过Ｐｒｏ／Ｅ将模型导入ＡＤＡＭＳ中：仿真中所使用的建模软件是Ｐｒｏ／Ｅ
３．Ｏ和ＡＤＡＭＳ ２００５，接口软件选用ＡＤＡＭＳ的专用接口模块Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ／Ｐｒｏ，

它可以和Ｐｒｏ／Ｅ实现无缝联结。导入过程在文献［６１］中已经详细说明。

（２）确定ＡＤ』蝴Ｓ中的输入变量和输出变量：多体动力学软件ＡＤＡＭＳ提
供了Ｃｏｎｔｒｏｌｓ模块，利用ＡＤＡＭＳ中的Ｃｏｎｔｒｏｌｓ模块可以将机械系统仿真分
析工具同控制设计仿真软件有机结合起来，将复杂的控制添加到机械系统样 机模型中，然后对系统进行联合分析。对于控制系统，直接将采用Ｐｒｏ／Ｅ导

入到ＡＤＡＭＳ的仿真模型作为控制系统的机械模型，而无需要使用数学公式
重新建模。

（３）构造控制系统方框图：确定采用，Ｍａｔｌａｂ软件作为控制系统软件，应
用其中的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模块搭建系统控制框图。 （４）联合仿真分析：最后对建立的机械系统和控制系统进行联合分析，得

出仿真曲线进行下一步分析。

３．ＡＤＡＭＳ的输入和输出设定
下面以多足仿生机械蟹新型样机的一条步行足为例介绍确定ＡＤＡＭＳ输 入和输出参数的方法。在此假定系统的输入为电机的角度值，输出的扭矩和
转速。

（１）创建状态变量

将Ｐｒｏ／Ｅ中的三维模型转入ＡＤＡＭＳ中，如图３．２１所示，同时添加各种
约束项。在Ｂｕｉｌｄ菜单下，选择系统变量（Ｓｙｓｔｅｍ Ｖａｒｉａｂｌｅ）项，再选择Ｓｔａｔｅ
Ｖａｒｉａｂｌｅ，最后选择Ｎｅｗ命令，先建立输入变量，例如选择系统变量项，再
选择Ｓｔａｔｅ Ｖａｒｉａｂｌｅ，选择Ｎｅｗ命令，然后添加变量名称ｓｆｏｒｃｅ，其中变量值 不需要给出，填好以后如图３．２２所示。然后建立输出变量，下关节角度ａｎｇｌｅ，

这里设定输入末端关节的角度，方法同样也是通过Ｂｕｉｌｄ菜单，在Ｆ（ｔｉｍｅ，．．．）

点一，在弹出的对话框Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｂｕｉｌｄｅｒ中将对角度的测量加入后单击ＯＫ键
完成变量的设置。

氏≯
∥≥
图３ ２１导八的模型

图３ ２２系统变量设置图

荨≤
ｓｙｓｔｅｍ

（２）定义ＡＤＡＭＳ的输入到Ｍａｔｌａｂ的对话框 选择Ｃｏｎｔｒｏｌｓ下的Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ然后点击Ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｍｐｏｒｔ，在弹

出的对话框中定义ＰｌａｎｔＯｕｔｐｕｔ和ＰｌａｎｔＩｍｐｏｔ后点击ＯＫ键。 最后在Ｃｏｎｔｒｏｌｓ下选择Ｐｌａｎｔ Ｅｘｐｏｒｔ，将上面设定的输入和输出写入对话
框，定义Ｆｉｌｅ ｐｒｅｆｉｘ（文件名称）为ｅｘｍｐｌｅ，Ｃｏｎｔｒｏｌ ｐａｋａｇｅ中选择Ｍａｔｌａｂ，到

此为止就完成了ＡＤＡＭＳ生成Ｍａｔｌａｂ程序的过成。 ４．Ｍａｔｌａｂ构造控制系统方框图 利用Ｍａｔｌａｂ软件Ｓｉｍｕｆｉｎｋ模块搭建系统的仿真框图步骤如下： （１）导入ＡＤＡＭＳ文件：在Ｍａｔｌａｂ工作空间中设置工作目录为ＡＤＡＭＳ
生成的目录地址：

（２）在Ｍａｔｌａｂ工作空间中输入＋ｍ文件名称，如ｅｘｍｐｌｅ，此时会将Ｍａｔｌａｂ 所需要的各种变量，输入输出值都导入工作空间； （３）调入Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型：在工作空间中输ｊｘ ＡＤＡＭｓ－ｓｙｓ，弹出如图３．２３所
示的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ窗口。

同

鼙

图３．２３导入ＭＡＴＬＡＢ中的ＡＤＡＭＳ模块 窗口中的ＡＤＡＭＳ ｓｕｂ就是仿真需要的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ框图，双击打开

篁鎏；ｉ耋耋型；：篁ｉ兰
ＡＤＡＭＳ ｓｕｂ，如图３

２４所示，选择ＡＤＡＭＳ

Ｐｌａｎｔ。

ｃ…Ｔ…－Ｈ
修改Ｏｕｔｐｏｔ
ｆｉｌｅｓ

Ｌ／’Ｌ竺竺＝＝Ｊ

图３．２４ ＡＤＡＭＳ ｓｕｂ模块的子系统

ｌａａｍｅｓ为ｍｙｅｘｍｐｌｅ，仿真结束后这个数据将用于 ｉｎｔｅｒｖａｌ中设置仿真交互时间间隔，设定

ＡＤＡＭＳ的后处理，Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ

为０１，其中Ａｎｉｍａｉｏｎｍｏｄｅ选项中选择ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ，这样在仿真过程中会自

动开启ＡＤＡＭＳ窗口显示仿真过程，如不需要显示仿真过程，此选项可选择
ｂａｔｃｈ。

（４）在Ｍａｔｌａｂ中选择Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ巾的Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，将最大步 长ｆＭａｘ
ｓｔｅｐ

ｓｉｚｅ）㈣０．１与仿真交互时间间隔一致，至此就完成了ＡＤＡＭＳ
额定电压：１２Ｖ
ｒｐｍ ｒｐｍ ４Ａ

导入Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的过程，为下一步联合仿真打下了基础。
５联合仿真试验

电机参数如下：
电机型号：２３４２０１２ＣＲ 功率：１７ｗ

空载转速：７０００
极限转速：８１００

转矩可达：１６ｍＮｍ 堵转输出扭矩：８０ ｍＮｍ
空载电流：７５ｍＡ

启动电流（峰值）：Ｉ 电枢电阻：Ｉ ９欧姆

减速器型号：ＣＳＦ—ｌｉ－１００—２Ａ—ＧＲ 减速ＬＬｎ：１００：１ 极限输出扭矩：８．９
ＭＲ编码器： 单圈信号输出数：１２
ＣＰＰ Ｎｍ

持续扭矩：５Ｎｍ

信号极限频率：７．２

ｋＨｚ

如图３．２５所示，搭建速度闭环单关节控制系统，其中ＰＩＤ和电机模型封

装在ｖｅｌｃｏｃｉｔｙ—ｌｏｏｐ模块中，如同３．２６所示，电机参数给定如图３．２７所示。

国国国

觳Ｓｃｏｐｅ

鞘

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图３ ２５速度闭环控制框图

图３ ２６ＰＩＤ与电机模型

哈尔滨工程大学硕士学位论文

仿真结果如图３．２８所示，在仿真中，Ｋ／取值６００，即取值０．５，ＫＤ取
值０．００３。同过输入和输出曲线对比看出，在０．１秒达到峰值，通过Ｏ．１秒的

调整，到达１５ｒａｄ／ｓ，超调量在５％以内，结果较好。 随后在ＡＤＡＭＳ中通过Ｃｏｎｔｒｏｌｓ模块搭建与图３．２５一致的框图，随后通 过后处理测得角度曲线和角速度变化曲线如图３．２９所示，结果基本与由
Ｍａｔｌａｂ获得的仿真的结果一致，由此验证了Ｍａｔｌａｂ仿真结果的正确性。

图３．２９角度变化曲线和角速度变化曲线

３．５本章小结
本章通过对多足仿生机械蟹步态的研究最终确定多足仿生机器蟹采用双 四足步态作为其行走步态方案，在分析双四足步态优点的同时进行了摆动步 行足和落地步行足的运动学分析。通过动力学仿真软件ＡＤＡＭＳ对虚拟样机 在遇到坡路和障碍物等情况进行了仿真，仿真结果表明，在运动环境发生变 化时，亟需各种过渡的步态。通过仿真所获得的数据对下一步的研究指引了 方向，值得注意的是仿真参数中碰撞参数的确定是很困难的，静态系统的还 可以用赫兹定律等来确定，而动态的比较困难，同一材料在不同的速度下的 碰撞参数也是不同的，目前还不能从理论上取得满意的结果，因此以后要通 过实际的试验来检验。最后通过Ｍａｔｌａｂ和ＡＤＡＭＳ联合仿真设计出速度闭环 控制系统，联合仿真突出了个仿真软件的优势，从而为下一步的进行半物理
仿真打下了基础。

５９

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第４章新型多足仿生机械蟹控制系统设计
４．１引言
正如总体方案所述，多足仿生机械蟹的整体设计思路本着完全模块化的
设计思想，控制系统采用自上而下的分层递阶式智能控制方式。文章在确定

总体方案的基础上，根据硬件结构和模块间的接口方式的特点分别设计出组 织级、协调级和执行级三个部分的控制结构，并给出了具体的硬件结构设计。

４．２新型多足仿生机械蟹控制系统总体结构
对照图２．１６的整体设计方案，多足仿生机械蟹３层递阶式智能控制系统 的具体实现方案如图４．１所示。

图４．１递阶式控制系统具体实现方案

６０

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整个控制系统可分为主控模块、关节电机控制和驱动模块、ＣＡＮ总线接 口模块以及传感模块，下面将分别介绍各模块的功能和设计原理。

４．３新型多足仿生机械蟹模块化控制系统
４．３．１主控模块设计
新型样机的主控模块采用ＴＩ公司的ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ，如图４．２ 所示为主控系统模块示意图。
Ｉ／Ｏ接口
ＴＭ￥３２０ＬＦ
２４０７Ａ

位姿传感器 （电子罗盘） 红外遥控 ＰＣ机 摄像头 声纳传感器

ＲＳ２３２接口 ＲＳ２３２接口 Ｉ／Ｏ接口

最小系统

Ｉ／Ｏ接口

埘￥３２０ＬＦ２４０７Ａ
ＣＡＮ总线结构

图４．２主控系统模块示意图 ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ№习是ＴＩ公司推出的一款面向高端工业控制领域的 ＴＭＳ３２０Ｃ２０００系列的定点ＤＳＰ数字信号处理芯片。ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ采用了

高性能静态ＣＭＯＳ技术，使得供电电压降为３．３Ｖ，减小了控制器的功耗； ４０ＭＩＰＳ的执行速度使得指令周期缩短到２５ｎｓ（４０ＭＨｚ），从而提高了控制器的 实时控制能力；集成了３２Ｋ字的闪存（可加密）、２．５Ｋ的ＲＡＭ、５００ｎｓ转换 时间的Ａ／Ｄ转换器，片上事件管理器提供了可以满足各种电机的ＰＷＭ接口 和Ｉ／Ｏ功能，此外还提供了适用于工业控制领域的一些特殊功能，如看门狗 电路、ＳＰＩ、ＳＣＩ和ＣＡＮ控制器等，从而使它可广泛应用于工业控制领域。 如图４．３所示为ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ的最小系统结构，其中包括晶振、外部程 序存储器ｒ（Ｐｒｏｇｒａｍ Ｍｅｍｏｒｙ）、外部数据存储器（Ｄａｔａ Ｍｅｍｏｒｙ）、Ｉ／Ｏ接口等部 分。由于ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ是面向电机控制的专用ＤＳＰ，所以片内集成了大
量的外围接口，建立起最小系统就可以直接使用其外围接口。

最小系统中的主要信号有：
６１

哈尔滨工程大学硕十学位论文

（１）Ａ［０—１５】：１６位地址总线，Ａ０．Ａ１５；

（２）Ｄ［０．．１５】：１６为数据总线，ＤＯ．Ｄ１５；
（３）ＪＴＡＧ：边界扫描测试端口，符合ＪＴＡＧ．ＢＳＴ（Ｊｏｉｎｔ
Ｔｅｓｔ Ａｃｔｉｏｎ Ｇｒｏｕｐ，

联合测试行动组）的ＩＥＥＥ Ｓｔｄ．１１４９．１．１９９０规范，用于在线仿真和程序配置； （４）ＰＳ、ＤＳ，、ＩＳ：分别为程序存储寻址空间选通、数据存储寻址空间
选通和Ｉ／Ｏ空间寻址选通； （５）ＷＥ ＲＤ：分别为读使能选通和写使能选通引脚，两引脚下降沿触发， 当遇到下降沿时表示相应控制器驱动外部总线，此时它们对所有外部程序、 数据、Ｉ／Ｏ有效； （６）ＳＴＲＢ：外部存储器访问选通；
（７）ＥＮＡ １４４：使能外部接口信号，高电平有效；

（８）ＭＰ／ＭＣ：微处理器／微控制器方式选择引脚，复位期间为低电平时， 芯片工作在微控制器方式下，并从内部程序存储器（ＦＬＡＳＨ Ｅ２ＨＰＲＯＭ）的 ００００Ｈ开始程序执行；若在复位期间该引脚为高电平，则工作在微处理器方 式下，并从外部程序存储器的００００Ｈ开始程序执行。

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图４．３ ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ的最小系统结构

通过对ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ芯片的详细研究，按照功能要求在最小系统的 基础上设计出如图４．４所示的主控系统的实际设计图。其中大量引脚将引出
６２

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至子模块电路板。

图４．４主控系统的实际设计图

４．３．２关节控制和驱动模块设计
关节控制模块（如图４．５）主要由８组ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ组成，

每组ＤＳＰ芯片下边连接３组ＬＭ６２９，Ｈ桥，直流电机以及光电编码器构成 电机驱动模块（图４．６）。图４．５给出了８个步行足中其中一个步行足的控制电 路框图，其中包括５部分：ＰＷＭ输出；码盘计数；力信号检测；转角定位 检测；ＣＡＮ总线通信。其中关节控制芯片负责输出ＰＷＭ信号，通过功率放 大后送至ＬＭ６２９芯片进入电机驱动模块，从而驱动电机运行。码盘计数器通 过ＱＥＰ信号采集接收从电机控制电路返回的信号，以此进行电机驱动调整。 另外，关节控制芯片通过接收三维力传感器和霍尔传感器的返回信号了解当 前关节的受力情况和关节的转角以此来进行关节运动的调整。而其中ＣＡＮ 总线的作用主要是用来完成ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ与上级ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ通信。 在整个关节控制和电机驱动模块中其核心器件主要是：ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ和 ＬＭ６２９，其中ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ在主控模块部分已经进行了详细的介绍，这 里主要介绍一下运动控制芯片ＬＭ６２９。

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ＰＷＭ输出

电路ＨＬＭ６２９ｌ
功放Ｉ
ｐｗＭ

３组Ｉ

码盘计数器
ＣＰＬＤ

———————］码盘

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

ＱＥＰ采集｝．盟

最小系统

力信号检测

．．．．．．．．．．．．一

足端力检测Ｌ卜垡兰

关节转角定位 检测

————————］定位

霍尔传感器｜．—笪兰
主控 ＴＭ￥３２０ＬＦ２４０７Ａ

ＣＡＮ总线接口

图４．５关节控制系统

?

ＬＭ６２９扣副№驯是Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ生产的一款专用运动控制器，在一

个芯片内集成了数字式运动控制器的全部功能，使得设计一个快速、准确的 运动控制系统的任务变得轻松、容易，它适用于直流电机及其它可提供增量 式位置反馈信号的伺服机构，可完成高性能数字式运动控制所需的集中、实 时的计算任务，提供８位ＰＷＭ调制信号和方向信号直接驱动桥式电路，通
过８位Ｉ／Ｏ口及６根控制线与微控制器通信控制其内部的ＰＩＤ调节器及梯形

速度发生器增量式编码器提供闭环控制所需的反馈信号，梯形图发生器计算 出位置或速度模式下所需控制的运动轨迹。 运作时，由主处理器ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ向ＬＭ６２９给出ＰＩＤ参数及加速 度、速度和目标位置值，每个采样周期都用这些值计算出新的命令和位置给 定值并送入求和点，由编码器检测电机的实际位置，其输出信号经过ＬＭ６２９ 内部的位置解码器解码后作为求和点的另一个输入与给定值相减，得到的误 差值作为数字ＰＩＤ校正环节的输入。主处理器可以读取ＬＭ６２９在任何时刻 的运动状态，并根据这些状态参数，方便地调整ＰＩＤ控制器的参数从而满足 稳定性、响应时间、超调量等要求，除了加速度，所有的运动参数均可在运
动过程中加以改变。

ＬＭ６２９在执行运动控制类指令时，采用双缓冲数据结构，主寄存器保存 运动数据，当命令写入后，主寄存器的数据才装入工作寄存器，这样就能实 现双轴的同步运动。ＬＭ６２９内置的算法还可以对两个驱动轮的速度差异进行 同步补偿，因此，移动机器人的直线运动度高，在前进过程中不存在打摆现

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象。由于采用ＬＭ６２９，大大简化了电路结构。总之，同单纯用单片机来实现 移动机器人的底层控制系统相比，它具有成本低廉以及单片机负担小，实时
控制性能好等优点。

图４．６关节驱动模块

如图４．６为采用ＬＭ６２９的电机驱动模块控制原理图畔１，其中ＬＭ６２９通 过Ｉ／Ｏ口与主处理器通讯，输入运动参数和控制参数，输出状态和信息。关
节驱动采用增量式光电编码盘来反馈电动机的实际位置，来自增量式光电编

码盘的位置信号经ＬＭ６２９四倍频，使分辨率提高逻辑状态每变化一次ＬＭ６２９ 内的位置寄存器就会加（减）ｌ，编码盘的信号同时低电平时，就产生一个
Ｉｎ２ｄｅｘ信号送入Ｉｎｄｅｘ寄存器，记录电动机的绝对位置，ＬＭ６２９的梯形速度

图发生器用于计算所需的梯形速度分布图。在位置控制方式时，主处理器送 来加速度、最高转速、最终位置数据，ＬＭ６２９利用这些数据计算运行轨迹， 在电动机运行时，除了加速度，，其余参数允许更改，在速度控制方式时，电动 机用规定的加速度加速到规定的速度，并一直保持这一速度，直到新的速度 指令执行，如果速度存在扰动，ＬＭ６２９可使其平均速度恒定不变。ＬＭ６２９ 内部有一个数字ＰＩＤ控制器，用来控制闭环系统。数字ＰＩＤ控制器采用增量 式ＰＩＤ控制算法，所需的系数由主处理器提供的６个中断源都通过该引脚申 请单片机中断，一旦有中断申请发生，单片机先通过读ＬＭ６２９的状态字来辨 别哪一个中断发生。ＤＳＰ的主要工作就是向ＬＭ６２９传送运动数据和ＰＩＤ数 据，并通过ＬＭ６２９对电动机的运行进行监控ＬＭ６２９则根据ＤＳＰ发来的数 据生成速度图，进行位置跟踪，ＰＩＤ控制和生成ＰＷＭ信号输出。ＬＭ６２９的

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２个输出ＰＷＭＳ和ＰＷＭＭ经光电隔离与电机驱动器相连，来驱动直流电动 机运行，在直流电动机输出轴上安装增量式光电编码盘作为传感器，它的输
出直接连到ＬＭ６２９的输入端，形成反馈环节。

图４．７为采用ＬＭ６２９设计的电机控制电路图。其中包括ＬＭ６２９和光电 隔离器６Ｎ１３６，光电隔离器用来将ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７与电机驱动电路隔离，从
而保护控制电路。

图４．７电机控制电路图 图４．８为Ｈ桥电路用来控制电机的正转和反转。ＭＯＴ＋和ＭＯＴ－端连接电

机，通过输入信号ＰＷＭｌ和ＰＷＭ２的取值来确定ＭＯＴ＋和ＭＯＴ－端的输出， 从而控制电机。

图４．８ Ｈ桥驱动电路

．为保护电机，在控制电路中引入电流负反馈（图４．９）。ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ 通过检测ＡＩＮ０２端的电压是否超过阈值来控制ＰＷＭ是否关闭。阈值可通过软 件编程进行设定。

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１２ｖＳ

图４．９电流负反馈电路 由于ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ需要３．３伏供电，而其它主要器器件需要５伏的 工作电压，同时ＩＲ２１１２的ＶＣＣ端需接１２伏电压。而系统只能提供２４伏直 流电源。因此需要在电路进行变压处理。于是利用开关稳压器ＬＭ２５７６将系
统的２４伏直流电源转换成１２伏直流电源（图４．１０）；采用电压调节器ＬＭｌｌｌ７

又将１２伏电源输入转化为３．３伏和５伏的控制电源（图４．１１和图４．１２）。通过 这些电源变换处理，即可满足伺服电机驱动模块的各电源需求。

ＣＩＯ ｌＯＯ耐１６Ｖ

图４．１０ ＬＭ２５７６稳压电路

图４．１１ ５伏电源电路
４．３．３

图４．１２ ３－３伏电源电路

ＣＡＮ总线

ＣＡＮ嘟１（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅ俩ｏｒｋ）现场总线是德国ＢＯＳＣＨ公司推出的一种

６７

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现场总线的标准，根据ＩＳＯ组织的ＯＳＩ（开放系统互联）的要求，其具有物理

层、数据链路层和应用层。ＣＡＮ总线基于令牌协议，在物理上是总线结构， 协议的制定包含优先级、状态变动和控制权移交等关键技术。ＣＡＮ具有下
列主要特性： （１）ＣＡＮ插卡可任意插在ＰＣ，ＸＴ，ＡＴ兼容机上，方便地构成分布式监 控系统；

（２）ＣＡＮ可以在多主方式工作，网络上任意一个节点均可在任意时刻主 动地向网络其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活。利用这一特点
也可方便地构成（容错）多机备份系统；

（３）ＣＡＮ无破坏性地基于优先权的仲裁，可满足不同的实时要求，有效
避免了总线冲突；

（４）ＣＡＮ可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播等几种方式传送和
接收数据；

（５）ＣＡＮ采用短帧结构，每一帧有效字节为８个，这样传输时间短，受
干扰概率低，重新发送时间短； （６）ＣＡＮ每帧信息都有ＣＲＣ校验及其他检错措施，保证了数据的出错率 极低； （７）暂时错误和永久性故障的故障节点的判别以及故障节点的自动脱离；

（８）ＮＲＺ编码／解码方式，并采用位填充（插入）技术；通信介质采用双绞 线，无特殊要求。 ＣＡＮ总线通信系统结构框图如图４．１３所示，每个节点均由物理层接口模 块、ＤＳＰ模块、应用层模块组成。ＣＡＮ总线的每个终端需接抑制信号反射的 终端电阻，其阻抗值应与总线介质的特性阻抗相匹配，使用双绞线时一般取
Ｒ＝１００～２００Ｑ。ＣＡＮ总线控制器必须通过ＣＡＮ驱动接口电路才可以与ＤＳＰ

进行通信，新型样机采用ＰＣＡ８２Ｃ２５０与ＣＡＮ控制器ＭＣＰ２５ １ ０进行通信。 在使用ＣＡＮ控制器ＭＣＰ２５１０前必须对它的一些内部寄存器进行设置，如位 定时器的设置及对邮箱进行初始化。通信系统的硬件电路由ＤＳＰ芯片、电压
转换电路、ＣＡＮ总线的收发器及ＣＡＮ总线组成。ＤＳＰ为ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ， 电压转换电路为芯片ＴＰＳ７７６３３，ＣＡＮ总线收发器为ＰＣＡ８２Ｃ２５０。

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图４．１３ ＣＡＮ通信系统结构图
４

３．４传感模块
多足仿生机械蟹传感器模块包含四类传感器：电子罗盘，三维力传感器，

霍尔传感器以及声纳传感器。
１电子罗盘（ＨＭＲ３３００）“”

多足仿生机械蟹新型样机选用Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ公司ＨＭＲ３３００型电子罗盘（图
４

１４），它是一种基于地磁场的电子罗盘，用于测量机器人的姿态。在步态规

划和调整过程中，需要进行正运动学的计算，然而此时由各关节角度信息所 推导出的躯体位姿不是绝对位置，而是相对于立足点所组成的平面而言的相 对位置。因此，必须进行姿态测量。

图４

１４

嗲蘑
ＨＭＲ３３００电子罗盘 图４
１５

ＳＡＦＭＳ—Ｎ型三维力传感器

２三维力传感器－（ＳＡＦＭＳ－Ｎ） 新型样机的力觉信息采用ＳＡＦＭＳ—Ｎ型三维力传感器（图４．１５），因此机 器人可以进行多维受力信息采集。一般情况下，力绝传感器分布于机体受力

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点，直接测量此处的作用力情况，新型样机将三维力传感器安装于各腿末端。 另外，为了方便传感器的调试，在ＰＣＩ．９８２０采集卡的基础上，开发了ＰＣ机 信息采集界面。图４ １６和４ １７分别为ＰＣＩ－９８２０接！Ｚｌ乍和三维力信息采集界面。 信息采集界面实现的主要功能有： ①ＰＣＩ．９８２０采集卡的开启和关闭管理： ②ＣＡＮ总线参数的设定，如验收码、屏蔽码、波特率、滤波方式等； ③任意帧格式数据的发送和接收； ④各传感器的解耦矩阵匹配及运算； ⑤数据的采集控制和文件存储管理。

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图４
１６

Ｉ一

ＰＣＩ一９８２０接口卡

图４ １７力觉信息采集界面

３霍尔传感器”” 霍尔传感器是一种基于霍尔效应的类似磁电式转速传感器和光电式转速 传感器的传感器。一般可用来进行位置测定亦可作限位开关用。它获取的信 号的方式与电磁式转速传感器有很大的区别。电磁式产生的是信号齿在转动 过程中切割电磁线圈所发出的磁通而产生的交变电动势，也就是所谓的脉冲 信号，是个波形信号，并且随着转速的提高它的波形也在变化。而霍尔传感 器的信号和光电式的很相似，输出的都是正５Ｖ的直流电压信号，信号齿每 触发一次就能产生一个电压信号，从而可进行转角测量。 为了获取转角检测的基准位置，新型样机采用了美国Ａｌｌｅｇｒｏ公司的３１４４ 型开关型霍尔传感器，每当霍尔传感器转到安装磁钢的位置时信号输出发生 跳变，这样的定位检测将在每次上电启动后首先进行。图４ １８所示的为新型 样机霍尔传感器定位检测电路，它具有体积小，敏感范围小的特点。该霍尔 元件电源电压要求在４．５—２４Ｖ之间，在５Ｖ电压供电时输出典型值约为

哈尔滨工程大学硕士学佗论文

１７５ｍＶ，为使输出信号电平与ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ的Ｉ／Ｏ引脚电平匹

配，采用光隔电路进行了调整，同时降低了外界噪声对ＤＳＰ系统的干扰。经 采样电路后，当关节转动到基准位置，即触发霍尔开关时，ＯＵＴ端口输出为
高电平３．３Ｖ，否则输出低电平０。 ４．声纳传感器

声纳传感器是为了使多足仿生机械蟹具有水下作业能力而设置的，这主 要是源于电磁波在水中的衰减大，因此水下无线通信和目标识别无法采用常 规方式，目前常用的水下目标识别技术主要有侧扫声纳和扇扫声纳技术。目
前这个部分处于论证和选型阶段。
Ⅳ

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图４．１８霍尔传感器信号采集电路

４．４本章小结
本章从多足仿生机械蟹新型样机控制系统总体方案出发，采用递阶式智 能控制理论对硬件控制系统进行了设计。整个设计过程本着完全模块化的设 计思想，分别对主控模块、关节控制和驱动模块、ＣＡＮ总线模块以及传感模 块进行了硬件系统设计并给出了部分电路的设计图。新型样机主控芯片采用 ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ，本章对其功能和特点进行了详细的介绍，并给 出了芯片的最小系统设计图。另外，在关节控制和驱动模块部分采用了运动 控制芯片ＬＭ６２９，本章对此芯片也进行了详细的介绍和分析。在各模块的基
础上组建出新型样机的硬件控制系统。

第５章新型多足仿生机械蟹样机的研制
５．１引言
新型多足仿生机械蟹样机在关节结构和控制系统等方面对前几型样机进 行了设计改进，完成了从方案论证到机械本体设计、控制系统设计以及步态 运动规划的整个设计过程。然而由于目前谐波减速器的尺寸所限，新型样机 仍处于理论论证和选型阶段，并且新型样机是在前几型样机的设计基础上建 立起来的，是对原样机的局部优化，因此在新型样机的研制中选用以涡轮蜗 杆为传动机构的关节设计方案。本章将详细介绍基于完全模块化思想的新型 样机的整体研制过程。

５．２新型多足仿生机械蟹样机总体结构
多足仿生机械蟹新型样机整体结构包括躯干、普通步行足以及多功能复 合足三部分，其中八条步行足直接与六边形框架式躯干相连（图５ １）；躯干上 装有作为仿生机器人控制中心的控制器和遥控装置。每条步行足都由基节、 股节、胫节三部分组成，构成单步行足的髋关节、膝关节和胫关节，各关节 都由其相应的控制单元实现动作控制；整个机器人计划采用胶质密封套包裹 起来，以确保机器人可适应两栖工作环境。

图５ １新型样机整体机械结构实体圈 在新型样机整体结构布置实施方案设计过程中曾经提出过四种可行方案９”： １．方案一 机械样机的八务普通步行足均匀分布于躯干两侧，通过基节驱动电机支 座与躯干直接固连，构成了机器人的整体。此种结构的机器人具有自翻转行
７２

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走、两栖行走等功能。如图５ ２所示。
２．方案二

采用方案２布置的机器蟹样机的八条步行足与方案一基本相同，呈方形 布置，其中六条步行足为普通步行足，另两条为多功能复合步行足，分别为 剪刀手和抓取机械手。此种机构的机器人同样具有自翻转行走、两栖行走功 能，同时还具有特殊作业功能。如图５ ３所示。

图５．２新型样机整体实施方案１ ３．方案三

囤５．３新型样机整体实施方案２

按照方案３设计的机器人的八条步行足呈放射形布置，躯干为正六边形 金属铝板，每条步行足之间的角度均按照生物螃蟹步行足的角度而设计。机 器人可兼有行走、翻转、抓取等特性。如图５，４－所示。
４．方案四

按照方案４布置的机器蟹的八条步行足呈方形布置，整体与前三种布置 方式基本相同，不同的是在机器人的躯干上增加了两个模块化传动结构５７ 和５８，躯干也被分成三部分，第一部分和第三部分分别安装有两条步行足， 第二部分安装有四条步行足和两个模块化传动结构５７和５８，两个模块化传 动结构的作用是可分别使第一部分和第三部分旋转抬起，增加了机器人机械 手作业的灵活性。如图５．５所示。

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图５．４新型样机整体实施方案３

图５．５新型样机整体实施方案４

哈尔浜＝ｒ＝程丈掌坝士掌何论文

从仿生学的角度来看，自然生物经过了长期的自然选择和进化，其自身 在结构、功能执行、信息处理、环境适应、自主学习等多方面具有高度的合 理性、科学性和进步性。因此多足仿生机械蟹新型样机选取方案３作为整体 布置方式，八条步行足呈放射形布置，每条步行足之间的角度均模拟生物螃 蟹步行足的角度而设计（如图５ １所示）。
５

３新型多足仿生机械蟹样机各模块的研制
１单腿结构
如图５．６所示，每条普通步行足由三个模块化传动结构３２、３３和３４串

５ ３

联组成，形成机器人单腿的大腿和小腿，小腿根部由模块化传动结构３４的涡 轮蜗杆结构与大腿相连。大腿根部由模块化传动结构３２和３３通过固定板３６ 与主机架相连，构成两自由度髋关节。所以整条腿具有三个自由度，分别形 成膝关节的一个上下抬起自由度、髋关节的一个左右摆动自由度和一个上下 抬起自由度，其中两个上下抬起自由度可转动２７０。，满足了机器人可翻转行
走的需要。

图５．６单腿结构设计图
５

图５．７单腿结构实体图

３．２减震缓冲器设计
机器人在行走过程中，每条步行足的落地瞬间与地面都是刚性碰撞，刚

性碰撞对机器人的使用寿命造成了极大的伤害，增加减震模块可以减轻步行 足落地时的撞击，有效的保护机器人的使用寿命。减震模块安装在机械螃蟹 每条步行足的最前端，它由两级弹簧减震，在其前端安装有三维力传感器， 可实时检测机械蟹步行足受力情况。 如图５．８所示，减震缓冲器包括：连接限位块３７、一级弹簧３８、连接螺 丝３９、滑块４０、二级弹簧４１、滑缸４２、滑块体４３、螺丝４４、三维力传感器

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４５和螺丝４６。减震缓冲器通过连接限位块３７和螺丝４６与模块化传动结构电 机后端连接，滑块体４３和滑块４０通过连接螺丝３９固联后安装在滑缸４２内， 并且在力的作用下可以在滑缸４２内做微小的上下滑动，滑块４０的上下分别 安装有处于压缩状态的一级弹簧３８和二级弹簧４１，起到减震的作用。滑块 体４３下端通过螺丝４４与三维力传感器４５相连。 机器人使用的三维力传感器４５与机器人的接口包括机械接口和电气接 口两部分。传感器对机器人本体的安装方式采用顶装式。本样机传感器采用 嵌入式集成片上系统，整个处理电路分成信号放大电路和信号处理电路两大 模块，其中信号放大电路集成在传感器内部，信号处理电路放在传感器外部。 电气接口通过一个４芯接口与机器人控制系统连接，其中ＰＩＮｌ、ＰＩＮ２用于 实现ＣＡＮ总线，ＰＩＮ３、ＰＩＮ４用于外接电源。图５．９为减震器实体图。

图５．８新型样机减震模块设计图
５ ３

陲

图５．９减震器实体图

３复合足（鳌足）结构
复合式步行足（即鳌足）是为机器人执行特殊环境下的特定任务而设计

的，此步行足兼有行走、抓取和剪断的功能。复合足与普通步行足结构的三 个模块化结构安装完全相同，不同的是将普通步行足最前端的减震缓冲器３５ （图５．６）换成具有抓取或剪断功能的机械手。其中一条步行足前端为抓取机械 手（图５．１０），另一条步行足前端为剪刀手（图５．１１）。两个步行足相互配合可 完成指令要求的一些特定任务。 如图５．１０，复合抓取机械手包括：驱动电机４７、机械支架４８、销４９、 滑轴５０、轴５１、支撑轴５２、两个手指５３、丝杠５４和轴５５。驱动电机４７安 装在机械支架４８上，机械支架４８通过螺丝与模块化传动结构电机后端连接，

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丝杠５４一端通过销４９与驱动电机４７输出轴固联，另一端通过轴承搭接在支 撑轴５２上，中间穿过滑轴５０，滑轴５０中间为一个螺母，丝杠５４的转动可 以带动滑轴５０上下运动，滑轴５０同时穿过机械支架４８一字形滑槽和两个手 指５３的一字形滑槽，滑轴５０的上下运动就会带动两个手指５３的张开与闭合，
达到抓取货物的功能。两个手指５３分别通过轴５１和轴５５安装在机械支架 ４８上。 图５ １ｉ为复合剪刀手的结构设计图，基本结构与５．１０所示机械手相同，

不同的是将前端两个手指５３换作了两片剪刀５６。目前复合抓取机械手和剪
刀手正处于加工阶段。

图５ １０复合抓取机械手结构图
５ ３

劈并鼠讳
图５ １１复合剪刀手结构图
１２￣５ １５，

４硬件控制系统
多足仿生机械蟹新型样机的控制系统的具体实现电路板如图５

ＤＳＰ总控主要用来作为上层智能控制，进行步态规划、机体稳定协调等工作： 与电机控制／驱动连接的电路板负责控制总体协调，发出Ｐ咖信号，而单关节 的电机驱动电路板主要用来接受信号，进行电机控制。

霎
图５１２新型样机ＤＳＰ总控电路板
７６

图５ １４与电机控制／驱动连接的电路板

图５ １５单关节的电机驱动电路板

５．４新型多足仿生机械蟹样机的运动过程
５．４

１样机行走动作
在多足仿生机械蟹中心控制器中存储了针对不同步态行走的指令，其中
７７

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也包括遇到障碍物时的指令。当希望机器人按照某一步态行走时，可通过遥 控装置将要执行的指令的序号发给中心控制器。中心控制器继而会按照具体 的指令控制各条步行腿动作。当行进时遇到障碍物时，由被安装在步行足上 的三维力传感器感知后，将信号发给中心控制器，中心控制器会调用相应的 指令，改变预设定的关节摆角，使腿跨过障碍。图５ １６给出了新型样机采用 双四足行走步态时的行走状态图。

图５ １６双四足行走步态行走状态图
５

４．２样机自翻转动作
图５ １７（ａ）是模块化多足仿生机械蟹向上翻转的状态图，图５ １７（ｂ）是其进

行翻转运动的中间过程，图５ １７（ｃ）是机器人经过翻转以后的状态图。模块化 多足仿生机械蟹新型样机具有自翻转特性主要源于机器人一般情况下会应用 于野外、沙滩或是有海浪的地带，这样的环境下机器人很容易发生翻倒，自 翻转的特性可以保证机器人在发生翻倒后仍能继续行走、工作，特别是在水 下运动时增强其耐波性。

（ａ）机器人翻转前状态图

（ｂ）向上翻转的中间状态图

涵
鳖鲞銮耋２：：窖譬銮．
（ｃ）机器人翻转后状态图 图５．１７机器人翻转运动的各状态图

；

５．５本章小结
本章详细介绍了多足仿生机械蟹新型样机的研制过程。在研制过程中本 着完全模块化的思想，通过将整机分解为各功能模块，分别对各模块进行设 计加工，最终组装成多足仿生机械蟹新型样机。目前，此样机处于运动调试 阶段，本章对此样机的基本运动形态进行了描述，并演示了多足仿生机械蟹 进行自翻转运动的运动过程。

哈尔滨Ｔ程大学硕士学位论文

．

结
当日

论 ◆匕

论文在总结前期工作的基础上，采用仿生学的设计思想，对新型多足仿 生机器人样机的总体方案、结构布局、关节结构、控制与驱动方式、步态轨 迹规划和行走稳定性的问题进行了深入的研究，论文主要完成的工作如下： １、提出了采用谐波减速器传动的新型机器人关节，通过与前几型样机关 节结构进行比较，新型关节具有更高的传动效率；该关节结构已经申请发明
专利；

２、提出了新型多足仿生机械蟹样机的递阶式控制系统总体方案，采用递 阶式智能控制方法对硬件控制系统进行了设计，包括主控模块、关节控制和 驱动模块、ＣＡＮ总线模块以及传感模块的设计； ３、采用双四足步态的行走方案，对双四足步态进行了摆动步行足和落地 步行足的运动学分析；采用ＡＤＡＭＳ对多足仿生机器人虚拟样机在遇到坡路 和障碍物等情况步态进行了仿真；同时采用Ｍａｔｌａｂ和Ａｄａｍｓ软件联合方式对
单关节速度闭环控制进行了仿真，确定了ＰＩＤ参数；

４、完成各控制模块电路的加工、调试，完成新型多足仿生机器人样机装
配、调试。

下步需要进一步完成的工作： ｌ、在虚拟样机的仿真基础上，下一步将深入进行基于Ｄｓｐａｃｅ的半物理
仿真；

２、通过样机的研制，下一步将着重针对整机进行实机的调试与试验以及 水下工作测试； ３、对过渡步态和水下步态进行进一步的理论分析和论证。

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清华大学出版社，２００７，０６

哈尔滨Ｔ程大学硕士学位论文

致

谢

经过一年的努力，终于完成了论文的撰写工作，在此首先特别感谢我的 导师孟庆鑫教授，在我就读硕士的两年里他倾注了大量的心血。孟老师是一 位知识渊博、学风严谨、思维敏锐、学术思想丰富的老师，他认真而热情的 工作态度给了我很大的帮助和启迪。在此向导师致以崇高的敬意和衷心的感
谢！

还要特别感激课题组的陈东良副教授，在论文研究过程中，陈老师对我 的进展及遇到的问题提出了不少宝贵的建议，使我能够顺利克服研究过程中 所遇到的困难，顺利的完成论文。 另外，感谢哈尔滨工程大学海洋智能机械研究所的王立权教授、王茁教 授、马洪文副教授、陈凯云副教授、张岚副教授、弓海霞副教授、侯恕平副 教授、张忠林副教授、袁夫彩副教授、姚建均和贾鹏老师在学习期间对我的
帮助。

感谢孙荣华老师、赵长发老师以及关心和帮助过我的所有老师。实验室 老师们对于我课题及生活上的帮助，以及各位老师在科学研究中踏实、严谨 和认真的态度，让我受益匪浅，是我今后工作中学习的榜样。 还要感谢与我同一课题组的刘德峰同学、邓辉峰同学、季宝锋同学以及 实验室的宋辉、贾守波、余志伟、王文明、王才东、尹博等同学，在我进行 研究的过程中，我们共同探讨，相互协作，为课题的顺利开展及完成提供了 极大的帮助。感谢他们对我的热情帮助和支持！ 最后，我要特别感谢我的父母，还有两年来一直关心支持我的女朋友陈 曦，正是有了他们的支持和理解我才能不断前进！ 感谢辛勤培育我的母校——哈尔滨工程大学１

８７

多足仿生机械蟹步态仿真及样机研制
作者： 学位授予单位： 王刚 哈尔滨工程大学

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