金礦石開(kāi)采及分選一體化設(shè)計(jì)

金礦石開(kāi)采及分選一體化設(shè)計(jì),金礦石,開(kāi)采,分選,一體化,設(shè)計(jì) 哈爾濱工程大學(xué)本科學(xué)位論文 學(xué) 號(hào)___________ 密 級(jí)___________ 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 金礦石開(kāi)采及分選一體化設(shè)計(jì) 院（系）名 稱： 機(jī)電工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 名 稱： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造機(jī)器自動(dòng)化 學(xué) 生 姓 名： 李帥 指 導(dǎo) 老 師： 趙剛 2007 年 6 月 哈爾濱工程大學(xué)本科學(xué)位論文 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 金礦石開(kāi)采及分選一體化設(shè)計(jì) 院 （系）： 機(jī)電工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) ： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造機(jī)器自動(dòng)化 學(xué) 號(hào) ： 03071201 學(xué) 生 姓 名： 李帥 指 導(dǎo) 老 師： 趙剛 2007 年 6 月 哈爾濱工程大學(xué)本科學(xué)位論文 摘 要 當(dāng)前金礦石的開(kāi)采及分選過(guò)程中篩分出非礦石是一件繁重的勞動(dòng)，需要人工在 礦山開(kāi)采出含有和不含金礦的礦石，再用破碎機(jī)破碎運(yùn)送到有專(zhuān)業(yè)設(shè)備的工廠進(jìn)行篩 分好分選然后再次破碎最后留下有含有金礦的礦石進(jìn)行提煉加工，因此在篩分礦石和 非礦石時(shí)造成了能源和人力物力財(cái)力的浪費(fèi)，需要設(shè)計(jì)一種能在開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)完成金礦石 開(kāi)采和篩分選取的一體化設(shè)備。即可以省去資源的浪費(fèi)，保證了人力的合理配置，優(yōu) 化了分選方法。我所設(shè)計(jì)的就是這么一種設(shè)備，工作重點(diǎn)是破碎機(jī)和篩分及選取模塊 的安裝配置分類(lèi)排布和位置選取，還有支撐推進(jìn)裝置的設(shè)計(jì)及其可行性的分析。其中 其他板塊的分類(lèi)排布就是最前端是破碎機(jī)，然后是篩分模塊之后是分選模塊。支撐推 進(jìn)裝置采用了比較可靠的六足液壓腿設(shè)計(jì)。每個(gè)腿機(jī)構(gòu)各采用一個(gè)液壓馬達(dá)和兩個(gè)液 壓缸來(lái)完成整體的順轉(zhuǎn)逆轉(zhuǎn)和伸縮推進(jìn)功能。步態(tài)采用三角形穩(wěn)固支撐的方式。 關(guān)鍵詞： 一體化，分選，金礦石，六足。 哈爾濱工程學(xué)本科學(xué)位論文 Abstract The current gold ore mining and separation process of screening out non-ore is a heavy labor, Artificial needs in mining and non-containing gold ores. reuse crusher delivered to the professional equipment factory sieving good separation then again last broken left containing gold refine the ore processing, the screening ores and ore caused by the energy and financial resources of waste, need to design a scene can be completed in mining gold ore mining and screening of selected equipment integration. That might dispense with the waste of resources, ensuring the rational distribution of manpower and to optimize the separation method. I designed was, this kind of equipment. focus on crusher and screening and selecting the module installation configuration classification arrangement and location selection, Support also promote the design and feasibility analysis. With the other plate classification arrangement is the most front-end machine is broken, and then after the screening module is a module election. Support propulsion system using a more reliable six hydraulic legs foot design. Each leg of the institutions used a hydraulic motor and two hydraulic cylinder to the smooth completion of the overall downturn and extendable to promote functional. Gait using solid support triangular approach. Keywords : integration, separation, gold ore, six foot. 哈爾濱工程學(xué)本科學(xué)位論文 哈爾濱工程學(xué)本科學(xué)位論文 目 錄 第一章 緒 論 .............................................................................................................................1 1.1 論文的背景及意義 ...............................................................................................................1 1.1.1 問(wèn)題的提出 ................................................................................................................1 1.1.2 設(shè)計(jì)一體化設(shè)備的意義 ............................................................................................1 1.1.3 研究背景 ....................................................................................................................2 1.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況和相關(guān)領(lǐng)域的研究成果 ..........................................................................2 1.2.1 國(guó)內(nèi)的研究狀況 ........................................................................................................3 1.2.2 國(guó)外的研究狀況.......................................................................................................... 1.2.3 現(xiàn)階段面臨的任務(wù)...................................................................................................... 1.3 對(duì)課題研究的分析 ..............................................................................................................5 1.3.1 課題研究的設(shè)想.......................................................................................................... 1.3.2 預(yù)期結(jié)果和意義.......................................................................................................... 第二章 腿機(jī)構(gòu)的分析................................................................................................................. 2.1 腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .......................................................................................................................6 2.2 腿的結(jié)構(gòu)分析 .......................................................................................................................9 2.3 本章小結(jié)……………………………………………………………………………………. 第三章腿機(jī)構(gòu)的步態(tài)分析 .......................................................................................................13 3.1 腿機(jī)構(gòu)步態(tài)的基本分析 .....................................................................................................13 3.2 腿機(jī)構(gòu)的步態(tài)方案分析 .....................................................................................................16 3.3 本章小結(jié) .............................................................................................................................17 第四章步態(tài)的穩(wěn)定性分析 .......................................................................................................23 4.1 腿機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型 ............................................................................................................23 4.2 對(duì)稱步態(tài)的性質(zhì) .................................................................................................................27 4.3 步態(tài)的選取準(zhǔn)則.................................................................................................................... 4.4 步態(tài)的穩(wěn)定性分析................................................................................................................ 4.5 的足端運(yùn)動(dòng)軌跡曲線的確定................................................................................................ 4.6 本章小結(jié)................................................................................................................................ 哈爾濱工程學(xué)本科學(xué)位論文 第五章 動(dòng)力源 .........................................................................................................................32 5.1 動(dòng)力源的選定........................................................................................................................ 5.2 液壓缸的選取 ....................................................................................................................32 5.3 本章小結(jié) .............................................................................................................................34 總結(jié)............................................................................................................................................... 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................................36 感謝 ...........................................................................................................................................38 哈爾濱工程本科學(xué)位論文 －1－ 第一章 緒 論 1.1 論文的背景及意義 1.1.1 問(wèn)題的提出 黃金是具有商品價(jià)值和金融價(jià)值寶貴的戰(zhàn)略資源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步中 起著重要作用。難處理金礦石已逐漸成為主要的開(kāi)采對(duì)象。人們一般把用常規(guī)氰化金 浸出率不超過(guò)80%的金礦石，稱為難處理金礦石。銅金礦石是較典型的難處理礦石，也 是我國(guó)重要的黃金資源。含銅金礦石因銅含量較高，銅在氰化浸金過(guò)程中消耗大量的 氰化物而致使金浸出率不高或使浸出成本上升，造成提金在經(jīng)濟(jì)上不可行；另與CN-形 成銅氰絡(luò)離子影響后續(xù)作業(yè)。因此，難處理含銅金礦石的氰化浸出前，必須采取必要 的措施除去其他雜質(zhì)對(duì)金礦石提純的影響。 一般難處理含金礦石金的提取工藝，可分為以下幾類(lèi)：①礦石或浮選精礦直接浸 出。這種方法由于含銅、鐵、銻等礦物會(huì)溶解于氰化物溶液中，消耗大量氰化物和氧， 效果一般不好。采用各種強(qiáng)化措施可改善直接氰化效果，如采用多段浸出工藝、采用 非氰化浸出工藝，如硫脲、硫代硫酸法浸出等。②礦石經(jīng)浮選將金、銅一起富集后產(chǎn) 生精礦送冶煉廠，在冶煉銅的過(guò)程中回收金。這種方法存在增加運(yùn)輸費(fèi)用，不可避免 產(chǎn)生精礦損失，金的回收率一般都較低，不能產(chǎn)出成品金等不足。③金礦石或選別后 的精礦經(jīng)預(yù)處理脫去銅、鉛、銻等賤金屬后再用氰化物或其它浸出劑浸出。這種方法 盡管會(huì)使工藝復(fù)雜一些，但預(yù)處理脫除銅、鉛、銻等金屬后，金的浸出率能夠獲得較 大改善，同時(shí)還可回收其它有價(jià)金屬。主要預(yù)處理方法有焙燒氧化法、細(xì)菌氧化法、 壓力氧化法、化學(xué)氧化法等。 哈爾濱工程本科學(xué)位論文 －2－ 但以上方法都有他們的局限性和缺點(diǎn)。而且還會(huì)造成資源浪費(fèi)，而且都是在工廠 完成的，篩分方式也不先進(jìn)。因此設(shè)計(jì)一種能應(yīng)用與開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)的金礦石開(kāi)采及分選一 體化設(shè)備就顯得尤為重要了能將開(kāi)采，篩分，選取合而為一全部操作都在開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)進(jìn) 行，最后運(yùn)送到冶煉廠進(jìn)行秋末和冶煉。這樣不僅能減少支出，優(yōu)化配置，還能提高 處理量減少浪費(fèi)。 1.1.2 設(shè)計(jì)一體化設(shè)備的意義 金礦石是一種很有價(jià)值的礦石，通過(guò)提純和冶煉，可以得到價(jià)值很高的黃金?？?是當(dāng)前金礦石的提煉方法一般都是在礦山上先進(jìn)行爆破操作，然后運(yùn)用破碎設(shè)備進(jìn)行 現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)單破碎然后由運(yùn)輸車(chē)運(yùn)送到專(zhuān)門(mén)的工廠。這時(shí)的礦石中既有含有金礦的礦石也 有不含一點(diǎn)金礦的花崗巖等巖石，然后就要就行的是含有金礦的礦石的選取篩分和分 選。最后再進(jìn)行二次破碎及回收利用。但是這個(gè)過(guò)程中浪費(fèi)了很多資源和人力物力財(cái) 力。對(duì)資源的合理配置提出了要求。這樣做提高了生產(chǎn)效率減少了能源的浪費(fèi)。 1.1.3 研究背景 金礦床在全國(guó)各省均有分布，但具工業(yè)規(guī)模的金礦床主要分布在我國(guó)中部、西 部和北部地區(qū)，以及近年新發(fā)現(xiàn)的成礦帶。在已探明的黃金儲(chǔ)量中，有 30％為難處理 金礦。據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)難處理金礦遠(yuǎn)景儲(chǔ)量達(dá) 1000 多噸， ，至少有 40 個(gè)以上儲(chǔ)量為 1～100 噸難處理金礦因環(huán)境問(wèn)題而無(wú)法開(kāi)發(fā)利用。這批難以利用的" 呆 礦"的處 理已成 為影響我國(guó)黃金工 業(yè)持續(xù)發(fā)展的主要" 瓶頸"問(wèn)題之一。隨著易采礦的大 量開(kāi)采，難處理金礦資源的開(kāi)發(fā)利用已成為黃金開(kāi)采的一項(xiàng)重要任務(wù)。在難處理金礦 哈爾濱工程本科學(xué)位論文 －3－ 資源預(yù)處理技術(shù)方面，加速推廣新法預(yù)處理技術(shù)及加熱氧化法等先進(jìn)技術(shù)，加快金礦 科技相關(guān)成套設(shè)備的引進(jìn)和二次開(kāi)發(fā)是十分迫切和急需的。 難處理含銅金礦石難選的主要原因是銅在氰化浸金過(guò)程中消耗大量的佩化物、銅 離子與 CN 一形成銅氰絡(luò)離子等。因此，難處理含銅金礦石直接氰化浸出往往浸出率 很低，必須經(jīng)預(yù)處理后金才能有效回收。預(yù)處理工藝主要有焙燒氧化、加壓氧化、化 學(xué)氧化、細(xì)菌氧化等，這些預(yù)處理技術(shù)近年來(lái)雖然也有了新的發(fā)展，也有各自的優(yōu)缺 點(diǎn)。 開(kāi)采和冶煉金礦石是一項(xiàng)很復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程，需要經(jīng)過(guò)多次破碎和提取冶煉操作， 但是并不是所有的礦石中都含有金礦成分，其中大約 30%為巖石成份，由于在破碎和 冶煉過(guò)程中對(duì)這３０％也當(dāng)作含金的處理。所以造成了能源的白白浪費(fèi)，提取黃金的 效率不高。如果能在開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行以上操作，在運(yùn)送到冶煉廠進(jìn)行球磨和冶煉操作。 不僅可以節(jié)省運(yùn)送過(guò)程的浪費(fèi)，還能提高勞動(dòng)效率和減少資源浪費(fèi)。即設(shè)計(jì)一種步行 機(jī)來(lái)完成整個(gè)機(jī)體的移動(dòng)和轉(zhuǎn)向的操作過(guò)程。 哈爾濱工程大學(xué)本科學(xué)位論文 －4－ 1.2 研究狀況和相關(guān)領(lǐng)域的研究成果 1.2.1 國(guó)內(nèi)的研究狀況 單一浮選 適用于處理粗、中粒的自然黃金鐵礦石。 混汞浮選 適用于處理自然金嵌布粒度較粗，儲(chǔ)存在黃鐵礦和其它硫化礦石。 重力選礦 是利用黃金與其它礦物比得的差異性進(jìn)行浮選的方法。 炭漿法提金工藝 這種方法是80年代世界最先進(jìn)的提金方法，用在處理含金褐鐵礦 氧化礦石的選擇效果更佳。既利用了原浮選系列閑置設(shè)備，又保證了炭漿法的浸出率。 冶 煉 總過(guò)程是通過(guò)熔化使熔液中的過(guò)剩硫等化合物氧化除去。 電解直接冶煉 以鋼棉為陰極直接熔煉得金銀合質(zhì)金。利用氰化物提金是目前世 界各國(guó)生產(chǎn)黃金普遍采用的方法。 國(guó)內(nèi)的金、銀精煉，在大型冶煉廠采用的有化學(xué)法，化學(xué)法--火法及電解法，而在 中小型黃金礦山一直延用火法煉金工藝，金回收率低，質(zhì)量不高。近幾年，隨著黃金 市場(chǎng)將逐步開(kāi)放，并參與國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，國(guó)家對(duì)金礦石的質(zhì)量要求也越來(lái)越高。因此， 各大中小型冶煉廠，特別是黃金礦山開(kāi)始重視金、銀精煉提純工藝技術(shù)改進(jìn)。如山東 招遠(yuǎn)黃金冶煉集團(tuán)公司，金泥冶煉廢除了傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐火法煉金工藝，目前采用的是酸 化還原電解精煉工藝，而且提煉出來(lái)的金、銀質(zhì)量也大大提高。 因此綜上所述設(shè)計(jì)一種可以承載一體化設(shè)備的步行機(jī)很有必要。我國(guó)對(duì)于步行車(chē) 輛的研究起步較晚，但對(duì)松軟土壤上的車(chē)輛通過(guò)性能的研究還是較早的。2O世紀(jì)5O年 代吉林工業(yè)大學(xué)著名的地車(chē)輛系統(tǒng)力學(xué)專(zhuān)家陳秉聰開(kāi)始研究，先后研制出塑料鑲齒、 高花紋、半步行輪、步行輪等非常規(guī)行走機(jī)構(gòu)．進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析及田間試 驗(yàn)。從2O世紀(jì)8O年代開(kāi)始研究步行機(jī)，并取得了一系列的成果。其中2O世紀(jì)7O年代開(kāi) 哈爾濱工程大學(xué)本科學(xué)位論文 －5－ 始，吉林工業(yè)大學(xué)由陳秉聰教授和莊繼德教授分別帶領(lǐng)的兩個(gè)研究小組，開(kāi)始進(jìn)行非 常規(guī)行走機(jī)構(gòu)的研究。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)，要用于海底探測(cè)作業(yè)，并做了越障、爬坡 和通過(guò)沼澤地的試驗(yàn)。1985年，陸懷民博士研制出一臺(tái)具有兩條平行四邊形腿的步行 機(jī)耕船試驗(yàn)臺(tái)車(chē)，在試驗(yàn)中表現(xiàn)出較高的牽引效率，主要用于無(wú)硬底層的水田耕作； 1986年，高峰博士對(duì)步行車(chē)輛的全方位轉(zhuǎn)向進(jìn)行探索，在步行車(chē)輛轉(zhuǎn)向理論方面有獨(dú) 到的見(jiàn)解，提出了一種全方位轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，設(shè)汁了有全方位轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的六足步行車(chē)輛 ARPSV；1989年，北京航空航天學(xué)在張啟先教授的指導(dǎo)，孫漢旭博士進(jìn)行了剛足步行機(jī) 的研究，試制成功?臺(tái)四足步行機(jī)，并進(jìn)行了步行實(shí)驗(yàn)。錢(qián)晉武博士研究的地壁兩用六 足步行機(jī)器人，并進(jìn)行了步態(tài)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的研究。1990年時(shí)高民博士進(jìn)行8個(gè)自由度 的六足步行車(chē)輛的研究，并試制了模型。同年，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制出 全方位六足步行機(jī) 不僅能在平地步行，還能上樓梯。該所還研制了水下六足步行機(jī)以 及采用連桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)步行的四足步行機(jī)模型。1991年，上海交通大學(xué)馬培蓀等 研制出JTuwM 系列四足步行機(jī)器人。JTuwM—III是模仿馬等四足哺乳動(dòng)物的腿外形制 成，每條腿有3個(gè)自由度，由直流伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)。在進(jìn)行步態(tài)研究的基礎(chǔ)上，通過(guò) 對(duì)3個(gè)自由度的協(xié)調(diào)控制，可完成單腿在空間的移動(dòng)。該機(jī)器人采用計(jì)算機(jī)模擬電路兩 級(jí)分布式控制系統(tǒng)，JTUWM— III以對(duì)角步態(tài)行走，腳底裝有PVDF測(cè)力傳感器，利用人 工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊算法相結(jié)合，采用力和位置混合控制，實(shí)現(xiàn)了四足步行機(jī)器人 JTuwM—III的慢速動(dòng)態(tài)行走,極限步速為1.7 km／h 。為了提高步行速度，將彈性步行 機(jī)構(gòu)應(yīng)用于該四足步行機(jī)器人，產(chǎn)生緩沖和儲(chǔ)能效果。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)行改進(jìn)，開(kāi)發(fā)出具有全方位運(yùn)動(dòng) 能力的微型雙三足步行機(jī)器人MDTWR一 .其第一代的每條腿只有2個(gè)自由度，無(wú)法實(shí)現(xiàn) 哈爾濱工程大學(xué)本科學(xué)位論文 －6－ 機(jī)器人的轉(zhuǎn)向，只能進(jìn)行直線式靜態(tài)步行，平均行走速度為1 mm／s。將機(jī)體的主體部 分進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，由上下兩層相互平行的三叉支架組成，將六足改進(jìn)為雙三足，引入 身體轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，采用新型的組合偏動(dòng)SMA驅(qū)動(dòng)器，使新一代的微型雙三足步行機(jī)器人 MDTWR具有全方位運(yùn)動(dòng)能力。2002年，上海交通大學(xué)的顏國(guó)正、徐小云等進(jìn)行微型六足 仿生機(jī)器人研究的步行機(jī)器人外形尺寸為：長(zhǎng)30mm，寬40mm，高20mm，質(zhì)量?jī)H為 6.3kg，步行速度為3m／s。他們?cè)诜治隽憷ハx(chóng)運(yùn)動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)上．利用連桿曲線圖 譜確定行走機(jī)構(gòu)的尺寸，采用微型直流電機(jī)、蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)和皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在 步態(tài)和穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行控制系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)，步行實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī) 器人具有較好的機(jī)動(dòng)性。微型六足仿生機(jī)器人2003年哈爾濱工程大學(xué)的孟慶鑫、袁鵬 等進(jìn)行了兩棲仿生機(jī)器蟹的研究 ，從兩棲仿生器蟹的方案設(shè)計(jì)到控制框架構(gòu)建，研究 了多足步行機(jī)的單足周期運(yùn)動(dòng)規(guī)律，提出適合于兩棲仿生機(jī)器蟹的單足運(yùn)動(dòng)路線規(guī)劃 方法，并從仿生學(xué)角度研究了周期性節(jié)律性的多足步行運(yùn)動(dòng)的控制問(wèn)題，建立了生成 周期運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)振蕩子模型。 1.2.2 國(guó)外的研究狀況 國(guó)外發(fā)展的比較早。基本發(fā)展和創(chuàng)造更新歷史如下： 1966年，美國(guó)最早研制成計(jì)算機(jī)控制的四足步行機(jī)Phony pony。1977年又研制成 六足機(jī)Hexapod，其控制計(jì)算PDP的主要任務(wù)是解運(yùn)動(dòng)方程以協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)腿的18-4電機(jī)的 運(yùn)動(dòng)， 保證在整個(gè)行走過(guò)程中機(jī)身重心的垂直投影始終落在支撐足構(gòu)成的凸多邊形內(nèi)。 為了試驗(yàn)更好的運(yùn)動(dòng)自治性，后又改用PDP l1／7O計(jì)算機(jī)， 安裝了力傳感器、姿態(tài)傳 感器和視覺(jué)傳感器．以實(shí)現(xiàn)力的均勻分配、姿態(tài)控制和提供更好的地面適應(yīng)性。1985 年美國(guó)又研制了一臺(tái)實(shí)用尺寸更先進(jìn)的試驗(yàn)樣機(jī)---- 適應(yīng)性主動(dòng)隔振步行機(jī) 哈爾濱工程大學(xué)本科學(xué)位論文 －7－ (Adaptive Suspension Vehicle， 簡(jiǎn)稱AgV)。AgV是監(jiān)控式步行機(jī)，它攜帶一名提供 監(jiān)控級(jí)命令的操作者，其中使用了與自治式動(dòng)作相同的那些機(jī)械技術(shù)和控制技術(shù)操作 者通過(guò)控制桿和鍵控盒與機(jī)器發(fā)生聯(lián)系?？刂茥U在高速方式下提供3個(gè)自由度(縱向， 側(cè)向和轉(zhuǎn)向)的連續(xù)速度控制。除精確立足方式外，腿的協(xié)調(diào)和立足點(diǎn)的選取完全由機(jī) 器自動(dòng)完成。AgV具有準(zhǔn)全向運(yùn)動(dòng)(縱向和橫向)特性和機(jī)體連續(xù)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。它的計(jì)算機(jī) 控制系統(tǒng)由l6臺(tái)Intel 88單板機(jī)組成；視覺(jué)系統(tǒng)的傳感器是砷化鎵激光射線地形掃描 器。動(dòng)力系統(tǒng)采用流體靜壓系統(tǒng)。AgV有相當(dāng)好的不平地面的適應(yīng)能力，它是迄今最先 進(jìn)的步行機(jī)。 世界上第一臺(tái)微機(jī)控制的自持的(Selfcontained)六足步行機(jī)1983年在美國(guó)誕生該 機(jī)攜帶一散駕駛員。計(jì)算機(jī)、液壓系統(tǒng)、功力源(發(fā)功機(jī))全部不帶任何電纜。美國(guó) Obetics公司的六足機(jī)器人很有特點(diǎn)。六條腿均勻分布在一個(gè)圓形框架上，是對(duì)傳統(tǒng)的 長(zhǎng)方形框架六足機(jī)的挑戰(zhàn)。它的特點(diǎn)是重量小(200kg)、載重大(400kg)，而且單腿可 以提起200kg的重物， 所以它的機(jī)械腿腿可以作為操作手使用(在遙控方式下)。全向 運(yùn)動(dòng)是它的另一個(gè)特點(diǎn)；由于對(duì)稱性和姿勢(shì)的可變性，所以它很適宜于有限空間內(nèi)的 運(yùn)動(dòng)，但是由于腿的自由度較小，所以在不平地面上的適應(yīng)能力欠佳。蘇聯(lián)于1977年 研制成監(jiān)控式六足步行機(jī)MGU，以后進(jìn)展也很快。主要側(cè)重于多足機(jī)器人尤其是六足機(jī) 器人的研究日本六足機(jī)VI型于l980年研制成功，腿應(yīng)用三自由度縮放儀機(jī)構(gòu)，用l2個(gè) 直流伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)四條腿的運(yùn)動(dòng)，足端和腿邊裝有觸覺(jué)傳感器和姿態(tài)探測(cè)器，用微機(jī) 進(jìn)行姿態(tài)控制以適應(yīng)不平地面的性能尤為優(yōu)越，由于采用了上下運(yùn)動(dòng)和水平運(yùn)動(dòng)解耦 的縮放式機(jī)構(gòu)，不僅簡(jiǎn)化了控制算法，而且使能耗大為下降，是步行機(jī)腿機(jī)構(gòu)方面研 究的一個(gè)創(chuàng)新。另一臺(tái)四足機(jī)模型 TANI型是步行足和輪式的混合機(jī)，它比VI型更節(jié)能 用形狀記憶合金作為觸覺(jué)傳感器同時(shí)測(cè)量足與地面以及足與障礙物側(cè)面的接觸信息。 哈爾濱工程大學(xué)本科學(xué)位論文 －8－ 世界上第一臺(tái)實(shí)用的水下行走機(jī)于1979年在日本問(wèn)世。該機(jī)是小松制作所研制的八足 步行機(jī)ReCUS。1984年，日本完成了MELWALKI型六足機(jī)的研制工作。法國(guó)研制了兩臺(tái)六 足機(jī)器人的模型H1型和H2型，均裝有旋轉(zhuǎn)掃描式超聲波測(cè)距儀，可避開(kāi)障礙，自行導(dǎo) 航，相當(dāng)高級(jí)。 國(guó)外主要有以下幾種冶煉方法：電解直接冶煉，利用氰化物提金等幾種常用方法。 國(guó)外采用沸騰爐焙燒的主要廠家有11家，以原礦循環(huán)沸騰爐焙燒和兩段沸騰爐焙燒為 多。如美國(guó)的IBM公司為處理部分包裹金和含有機(jī)炭的礦石采用了投資和操作成本最低 的兩段焙燒法。 國(guó)外已有幾座新建或擴(kuò)建的大型巖金礦山采用重選法在磨礦回路中提取單體金的 方法。這些都是比較先進(jìn)的回收率高、生產(chǎn)成本低、環(huán)境污染輕、生產(chǎn)周期短的精煉 技術(shù)。 1.2.3．現(xiàn)階段面臨的任務(wù) 時(shí)至今日，世界上很少有實(shí)用的步行機(jī)樣機(jī)問(wèn)世，這是因?yàn)橛脵C(jī)械實(shí)現(xiàn)步行很困 難， 問(wèn)題主要有：(1)運(yùn)動(dòng)學(xué)，動(dòng)力學(xué)問(wèn)題復(fù)雜，仍然缺乏對(duì)這種系統(tǒng)全面，深刻的 理解。(2)腿各關(guān)節(jié)動(dòng)作的協(xié)調(diào)控制很復(fù)雜，還有待于開(kāi)發(fā)合適的控制方案和迅速可靠 的信息處理技術(shù)。(3)有待于開(kāi)發(fā)適用的，使步行機(jī)識(shí)別復(fù)雜環(huán)境并做出準(zhǔn)確判斷，反 應(yīng)的傳感技術(shù)。(4)還沒(méi)有適于用在各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的高效率，重量輕的驅(qū)動(dòng)元件。(5)轉(zhuǎn) 向控制較為困難，有待于開(kāi)發(fā)實(shí)用的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。 1.3 對(duì)課題研究的分析 1.3.1 課題研究的設(shè)想 主要設(shè)計(jì)一種支撐機(jī)構(gòu)保證礦山的惡劣環(huán)境下的正常長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，動(dòng)力源也要 哈爾濱工程大學(xué)本科學(xué)位論文 －9－ 保證能有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。 設(shè)計(jì)之初想選用輪子作為支撐和移動(dòng)部件。但輪子的推進(jìn)和承載重量的問(wèn)題不能 解決。而這六足液壓機(jī)械腿就沒(méi)有這種顧慮。六足液壓機(jī)械腿具有很多優(yōu)點(diǎn)足運(yùn)動(dòng)方 式由于具有較好的機(jī)動(dòng)性、系統(tǒng)可以主動(dòng)隔振、在不平地面和松軟地面上的運(yùn)動(dòng)速度 較高而能耗較少等其它地面推進(jìn)方式所不具備的獨(dú)特的優(yōu)越性能, 具有廣泛的應(yīng)用前 景, 因此研究步行機(jī)器人具有現(xiàn)實(shí)意義。 腿數(shù)目的合理選擇, 對(duì)步行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是很重要的。對(duì)于實(shí)用型步行機(jī)的研制, 選 擇靜態(tài)穩(wěn)定步行方式作為設(shè)計(jì)依據(jù)還是比較穩(wěn)妥的。而實(shí)現(xiàn)這種步行方式最少腿數(shù)是 四條。到目前為止國(guó)外已經(jīng)研制出四足，六足和八足步行機(jī)構(gòu), 多數(shù)學(xué)者認(rèn)為六足步 行機(jī)構(gòu)是最有發(fā)展前途的, 因?yàn)榱悴叫袡C(jī)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn): (1) 三足立地穩(wěn)定余度 大。(2) 步行速度大。大多數(shù)的研究也都是圍繞六足進(jìn)行的。因此選取了六足作為基 本支撐方式。 1.3.2 預(yù)期結(jié)果和意義 設(shè)計(jì)出一種一體化設(shè)備可以減少浪費(fèi)提高效率，縮減成本，在世界制造領(lǐng)域戰(zhàn)友一 席之地。設(shè)計(jì)出的東西要滿足基本條件，能支撐所要承載的力和能穩(wěn)定移動(dòng)。能實(shí)現(xiàn) 基本的運(yùn)動(dòng)，如轉(zhuǎn)向，抬起腿落下腿及移動(dòng)等動(dòng)作。保證整體能在礦山的特殊環(huán)境下 正常工作，動(dòng)力源為柴油發(fā)電機(jī)，以保證能在惡劣，地面不平，不方便其他設(shè)備運(yùn)行 的特殊情況下進(jìn)行發(fā)電以保證機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的操作。 本章小結(jié) 本章主要闡述一體化設(shè)備的實(shí)際意義，分析了當(dāng)今的相關(guān)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外的發(fā)展歷史 和更新變革?，F(xiàn)階段研究面臨的主要問(wèn)題，還有實(shí)際工作中的例子。預(yù)期的結(jié)果和意 義也給予了說(shuō)明。對(duì)問(wèn)題進(jìn)行了初步分析，決定了一些基本的東西。比如動(dòng)力源的類(lèi) 哈爾濱工程大學(xué)本科學(xué)位論文 －10－ 型和整體運(yùn)行方式的基本選定。對(duì)課題進(jìn)行了分析，提出了相關(guān)問(wèn)題的自己設(shè)想的方 案。說(shuō)明了設(shè)計(jì)一體化機(jī)的意義。 第二章 腿機(jī)構(gòu)的分析 2.1 腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)多足步行機(jī)器人的步行機(jī)構(gòu)已經(jīng)作了大量的研究工作，其結(jié)構(gòu)形式 是多種的。其中主要包括有以下幾種： 1.開(kāi)鏈?zhǔn)讲叫袡C(jī)構(gòu)：在早期的步行機(jī)器人研究中，一般是模仿動(dòng)物的腿部結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè) 計(jì)步行機(jī)構(gòu)。一次依據(jù)仿生學(xué)的原理設(shè)計(jì)的這種機(jī)構(gòu)形式多是關(guān)節(jié)式的，其優(yōu)點(diǎn)在于 結(jié)構(gòu)緊湊，足端可以運(yùn)動(dòng)的空間很大，且運(yùn)動(dòng)靈活，由于關(guān)節(jié)式腿的關(guān)節(jié)是鉸接的， 因而在步行過(guò)程中的失穩(wěn)狀態(tài)下具有較強(qiáng)的姿態(tài)恢復(fù)能力。它的不足之處是在腿的主 運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)，大小腿的運(yùn)動(dòng)之間存在耦合，使得運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)控制比較復(fù)雜，而且承載 能力較小。2.閉鏈?zhǔn)讲叫袡C(jī)構(gòu)：該種形式的機(jī)構(gòu)能克服開(kāi)鏈?zhǔn)綑C(jī)構(gòu)承載能力低的缺點(diǎn)。 一般都剛性較好，功耗較小。目前也有多種型式的應(yīng)用。 機(jī)械部分是機(jī)器人所有控制及運(yùn)動(dòng)的載體，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)直接決定了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng) 學(xué)特征，其性能的好壞也直接決定了功能可行性。多足步行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)主要包 括機(jī)器人腿部件的布局、腿部件的結(jié)構(gòu)形式、腿的數(shù)量等，而其中腿部件的結(jié)構(gòu)形式 是多足步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)的重要組成部分，是機(jī)械設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。因此，從某種意義 上說(shuō)對(duì)多足步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)的分析主要集中在對(duì)其腿機(jī)構(gòu)的分析。一般地，從機(jī)器人 哈爾濱工程大學(xué)本科學(xué)位論文 －11－ 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求看，腿的機(jī)構(gòu)不能過(guò)于復(fù)雜，桿件過(guò)多的腿機(jī)構(gòu)形式會(huì)引起結(jié)構(gòu)和傳動(dòng) 的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生困難。因此對(duì)多足步行機(jī)器人腿的機(jī)構(gòu)的基本要求可以歸納為：實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng) 的要求，承載能力的要求和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)和方便控制的要求。 對(duì)于用輪子支撐和推進(jìn)，在堅(jiān)硬平地上運(yùn)動(dòng)是十分可靠的。對(duì)于不平度遠(yuǎn)小于車(chē) 輪半徑的地面，通過(guò)充氣輪胎或其他彈簧阻尼系統(tǒng)的隔振，也可以實(shí)現(xiàn)有效的移動(dòng),但 是在不平地面上行駛時(shí)，輪式機(jī)器人的能耗將大大增加，而在松軟地面或嚴(yán)重崎嶇不 平的地形上，車(chē)輪的作用也將嚴(yán)重喪失，移動(dòng)效率大大的降低。輪式車(chē)輛、履帶式車(chē) 輛雖好，但當(dāng)在不平地面上行駛時(shí)，它們的能耗會(huì)大大增加，而在松軟地面或嚴(yán)重崎 嶇不平的地形上，車(chē)輪的作用將嚴(yán)重為了改善輪子對(duì)松軟地面和不平坦地面的適應(yīng)能 力，履帶式支撐應(yīng)運(yùn)而生。履帶使車(chē)身載荷分布在一塊較大的面積上，相當(dāng)于一種為 輪子鋪路的裝置，并且可產(chǎn)生較大的推進(jìn)力，可在松軟地面上行走，而不至于陷入。 但履帶式機(jī)器人在不平地面上的機(jī)動(dòng)性仍然很差，而且機(jī)器人機(jī)身晃動(dòng)嚴(yán)重。足運(yùn)動(dòng) 方式具有其它地面推進(jìn)方式所不具備的獨(dú)特優(yōu)越性能足式運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)還可以通過(guò)松軟地 面(如沼澤、沙漠等) 以及跨越較大的障礙(如溝、坎等)。足運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在不平地面和松 散地面上的運(yùn)動(dòng)速度較高，而且能耗較少。 考慮到上述移動(dòng)機(jī)構(gòu)的不足，通過(guò)研究設(shè)計(jì)了一種的足式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)的 移動(dòng)機(jī)器人具有如下十分優(yōu)越的性能： (1)足運(yùn)動(dòng)方式具有良好的機(jī)動(dòng)性，即有較好的對(duì)不平地面的適應(yīng)能力。足運(yùn)動(dòng)方式的 立足點(diǎn)是離散的，可以在可能達(dá)到的地面上最優(yōu)的選擇支撐點(diǎn)，足式運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可以通 過(guò)松軟地面（如沼澤、沙漠等）以及跨越一些較大的障礙（如溝、坎、臺(tái)階等） ； (2)足運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可以有主動(dòng)隔振，即允許機(jī)身運(yùn)動(dòng)軌跡與足運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡解耦， 盡管地面高低不平，機(jī)身運(yùn)動(dòng)仍可做到相當(dāng)平穩(wěn)； 哈爾濱工程大學(xué)本科學(xué)位論文 －12－ (3)足運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在不平地面和松軟地面上的運(yùn)動(dòng)速度較高，能耗較小。因此這種運(yùn)動(dòng)方 式可以滿足礦山的實(shí)際惡劣環(huán)境。 由于要設(shè)計(jì)一種能完成各種運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，開(kāi)始決定用輪子支撐和推進(jìn)。輪子的方案 不用太考慮支撐問(wèn)題，可是精確移動(dòng)卻不能完美解決，因此在參考了相關(guān)材料之后決 定采用六足機(jī)構(gòu)，選擇六足的原因?qū)⒃谙逻呍敿?xì)說(shuō)明。這樣能保證整體的穩(wěn)定性和可 靠性，支撐力度大，移動(dòng)精確性也可以保證。而機(jī)械腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就要考慮到支撐強(qiáng) 度和移動(dòng)可行性等問(wèn)題了。因此采用了縮放機(jī)構(gòu)，可以達(dá)到上述要求，保證運(yùn)動(dòng)精度， 轉(zhuǎn)彎和伸縮的靈活性。 縮放機(jī)構(gòu)由于在其運(yùn)動(dòng)主平面具有運(yùn)動(dòng)解藕性、易于控制、當(dāng)縮放比大于1時(shí)能以 較小的本體實(shí)現(xiàn)較大的空間運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn), 因而被廣泛應(yīng)用于多足步行機(jī)的腿機(jī)構(gòu)。本 文采用縮放式腿機(jī)構(gòu), 其原理如圖1 所示。其中AC//ED, EB //CF, 當(dāng)E點(diǎn)被固定時(shí), A 點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)將以 的比例傳到F點(diǎn); 當(dāng)A點(diǎn)被固定時(shí), E點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)將以K=K1+1 的比例傳到F點(diǎn)。因此可以用A點(diǎn)和E點(diǎn)的獨(dú)立控制來(lái)實(shí)現(xiàn)垂直方向與水平方向的分離驅(qū) 動(dòng),這就是該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)解耦性。該機(jī)構(gòu)有3個(gè)自由度,即A點(diǎn)的沿y軸方向的移動(dòng)、E點(diǎn) 的沿x軸方向的移動(dòng)以及整個(gè)機(jī)構(gòu)繞y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。 哈爾濱工程大學(xué)本科學(xué)位論文 －13－ 2.2 腿的結(jié)構(gòu)分析 哈爾濱工程大學(xué)本科學(xué)位論文 －14－ 腿的結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。每個(gè)腿機(jī)構(gòu)各采用一臺(tái)液壓馬達(dá)作為轉(zhuǎn)向的驅(qū)動(dòng)源, 通過(guò) 控制各馬達(dá)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn), 使各個(gè)腿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)順轉(zhuǎn)、逆轉(zhuǎn); 每個(gè)腿機(jī)構(gòu)上裝配一個(gè)豎 直液壓缸和一個(gè)水平液壓缸, 通過(guò)控制豎直液壓缸活塞桿的伸縮, 使機(jī)械腿實(shí)現(xiàn)抬起、 落地; 通過(guò)控制水平液壓缸活塞桿的伸縮, 使機(jī)械腿實(shí)現(xiàn)前伸、收縮推動(dòng)機(jī)體前進(jìn)。 腳底采用球鉸結(jié)構(gòu), 這樣不但可使腳與地靈活接觸, 也可增大腳與地面的接觸面積。 液壓缸和液壓馬達(dá)的位置整個(gè)保證動(dòng)力源的時(shí)刻供應(yīng)。 2.3 本章小結(jié) 本章主要分析了為什么要采用腿的結(jié)構(gòu),以及腿結(jié)構(gòu)的基本組成和可行性的分析。 哈爾濱工程大學(xué)本科學(xué)位論文 －15－ 簡(jiǎn)要表述了腿的基本結(jié)構(gòu)和采用該結(jié)構(gòu)的原理。運(yùn)用液壓馬達(dá)和液壓泵作為動(dòng)力源來(lái) 實(shí)現(xiàn)機(jī)械腿的各種運(yùn)動(dòng)，腿機(jī)構(gòu)的好處和六足的穩(wěn)定性。整體的穩(wěn)定性和可靠性。支 撐力度大，移動(dòng)精確性也可以保證，整體也更靈活，支撐強(qiáng)度可以保證。 哈爾濱工程大學(xué)本科學(xué)位論文 －16－ 第三章 腿機(jī)構(gòu)的步態(tài)分析 3.1腿機(jī)構(gòu)步態(tài)的基本分析 步態(tài)即各足著地的先后次序．顯然，此定義只反映了步態(tài)的時(shí)問(wèn)特性而來(lái)反映其 空問(wèn)特性，基于這一點(diǎn)，我們認(rèn)為如下定義更能反映步態(tài)本質(zhì)的全貌：所謂步態(tài)就是 一個(gè)周期內(nèi)步行機(jī)的各足著地點(diǎn)的相對(duì)狀態(tài)及每種狀態(tài)所持續(xù)的時(shí)問(wèn)．其中，相對(duì)狀 態(tài)是指各足著地點(diǎn)所組成的空間多邊形．這種空問(wèn)多邊形周期性的變換(變換速度由各 狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間來(lái)確定)導(dǎo)致步行機(jī)的連續(xù)移動(dòng)。很顯然，以上定義包含了步態(tài)的時(shí)問(wèn) 和空問(wèn)兩種特性，而它們對(duì)步態(tài)來(lái)說(shuō)是同等重要的．由于要進(jìn)行六足的運(yùn)動(dòng)，而且要 在能保證支撐強(qiáng)度的情況下進(jìn)行穩(wěn)定的移動(dòng)。之所以選擇了六足是引文六足可以在保 證移動(dòng)的情況下成三角形支撐狀態(tài)更加穩(wěn)固。 六足行走機(jī)器人是按照三角步態(tài)行走的，每三足為一組。目前，研制的各種六足 行走機(jī)器人往往采用單個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)六足同時(shí)運(yùn)動(dòng)，這種方式雖然嚴(yán)格保證了六足行走 步態(tài)的協(xié)調(diào)性，但限制動(dòng)作的靈活性，不能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。采用兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)三 足的行走，通過(guò)控制兩邊電機(jī)的轉(zhuǎn)速差，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。足的運(yùn)動(dòng)是靠連桿機(jī)構(gòu)實(shí) 現(xiàn)的，由于連桿機(jī)構(gòu)不可避免的加工誤差和電機(jī)性能的差異，無(wú)法保證機(jī)器人左、右 足的相位在行走中始終保持不變。當(dāng)這種相位誤差積累到一定值時(shí)，會(huì)明顯感覺(jué)到機(jī) 器人行走的不協(xié)調(diào)，即出現(xiàn)所謂的步態(tài)失調(diào)現(xiàn)象。為了糾正這種現(xiàn)象，必須對(duì)行走中 的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)利用控制策略及時(shí)調(diào)整電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，糾正這種不正常的步態(tài)。 三角步態(tài)行走原理。許多昆蟲(chóng)步行時(shí)，一般不是六足同時(shí)直線前進(jìn)，而是將三對(duì) 足分成兩組，以三角形支架結(jié)構(gòu)交替前行。身體左側(cè)的前、后足及右側(cè)的中足為一組， 右側(cè)的前、后足和左側(cè)的中足為另一組，分別組成兩個(gè)三角形支架。當(dāng)一組三角形支 架中所有的足同時(shí)提起時(shí)，另一組三角形支架的三只足原地不動(dòng)，支撐身體，并以中 哈爾濱工程大學(xué)本科學(xué)位論文 －17－ 足為支點(diǎn)，前足脛節(jié)的肌肉收縮，拉動(dòng)身體向前，后足脛節(jié)的肌肉收縮，將蟲(chóng)體往前 推，因此身體略作以中足為支點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)蟲(chóng)體的重心落在另一組三角形支架的三 足上，然后再重復(fù)前一組的動(dòng)作，相互輪換周而復(fù)始。這種行走方式使昆蟲(chóng)可以隨時(shí) 隨地停息下來(lái)，因?yàn)橹匦目偸锹湓谌侵Ъ苤畠?nèi)。這就是典型的三角步態(tài)行走法，其 行走軌跡并非是直線，而是呈“之”字形的曲線前進(jìn)。三角步態(tài)是六足機(jī)器人的兩組 腿(身體一側(cè)的前足、后足與另一側(cè)的中足)，即處于支撐三角形上的三條腿的動(dòng)作完 全一樣，均處于擺動(dòng)相或均處于支撐相。 由于使機(jī)器人行走是一件相當(dāng)浩大的工程，不論是模仿人類(lèi)或各種動(dòng)物，都因?yàn)?須考慮到機(jī)器人行走時(shí)重心的移動(dòng)而面臨相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。以人類(lèi)為例，人類(lèi)站立不動(dòng) 時(shí)重心是位于中央的，當(dāng)抬起其中一只腳時(shí)，人類(lèi)的神經(jīng)會(huì)反射性的命令肌肉將本身 重心移動(dòng)到站著的另一只腳上，接下來(lái)抬起的腳落地，重心回到人身中央，然后繼續(xù) 重復(fù)之前的步驟，這種行走方式稱為靜態(tài)步行。但是由于現(xiàn)在科技很難用機(jī)器模擬以 上的生物動(dòng)作，所以在機(jī)器人的行走方面便由模擬人類(lèi)行走轉(zhuǎn)變成學(xué)習(xí)自然生態(tài)中行 走方式較為簡(jiǎn)單的昆蟲(chóng)。自然界中的昆蟲(chóng)都擁有六只步足，這六只腳在維持重心上都 發(fā)揮了相當(dāng)大的作用；當(dāng)六只腳都站立在地面上的時(shí)候，重心維持在身體的中心部位； 要向前移動(dòng)時(shí)，先將其中一只前腳向前跨越，在這動(dòng)作之間，其他的五只步足都是不 動(dòng)的，另外就算移動(dòng)其他的腳，其他步足也是站立在原地不動(dòng)的，因?yàn)檫@樣可以將身 體的重心繼續(xù)固定在原來(lái)的位置，所以不必?fù)?dān)心跌倒的問(wèn)題。接下來(lái)，等跨出的腳重 新站立在地面上并穩(wěn)定后，另一只前腳再重復(fù)剛才的動(dòng)作前進(jìn)，如此一來(lái)每只腳就形 成了一種循環(huán)，重復(fù)進(jìn)行這項(xiàng)循環(huán)，昆蟲(chóng)的前進(jìn)方式便出現(xiàn)了，而六足機(jī)器人也就可 以依照這種循環(huán)來(lái)進(jìn)行步行前進(jìn)的動(dòng)作。這種行走方式的優(yōu)點(diǎn)是相當(dāng)平穩(wěn)，較不會(huì)失 去重心，相當(dāng)適合大型機(jī)器人，也很適合各種探險(xiǎn)用的機(jī)器人。但是，這種行走方式 哈爾濱工程大學(xué)本科學(xué)位論文 －18－ 并不是沒(méi)有缺點(diǎn)，為了穩(wěn)定重心，每只步足要移動(dòng)時(shí)其他的步足就必需靜止不動(dòng)來(lái)維 持重心，所以移動(dòng)的速度會(huì)因此減慢，這個(gè)缺點(diǎn)在大型機(jī)器人的身上將會(huì)更為明顯。 賦予機(jī)器人工作任務(wù)使其動(dòng)作的方式如下： 1．機(jī)器人先經(jīng)人導(dǎo)引，預(yù)先教導(dǎo)其作業(yè)內(nèi)容，在移動(dòng)的同時(shí)利用傳感器將各軸的 轉(zhuǎn)動(dòng)信息讀入并記憶。要使機(jī)器人照原來(lái)軌跡移動(dòng)，只需要回放儲(chǔ)存的記憶容即可動(dòng) 作。也就是說(shuō)藉由教導(dǎo)→記憶→重放三個(gè)步驟完成驅(qū)使機(jī)器人動(dòng)作的方法。 2．可分為運(yùn)動(dòng)控制及動(dòng)作順序控制，其中運(yùn)動(dòng)控制分為軌跡位置控制及速度 控制等?，F(xiàn)在六腳機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)越來(lái)越趨近于成熟，在軌跡的撰寫(xiě)方面也不再局 限于第一種方式，藉由動(dòng)作控制方式中的運(yùn)動(dòng)控制（內(nèi)部包括軌跡控制和數(shù)度控制）、 動(dòng)作順序控制方式，更產(chǎn)生了點(diǎn)到點(diǎn)控制法、函數(shù)補(bǔ)間控制法、直線補(bǔ)間法、立方多 頂式補(bǔ)間法、五次方多頂式補(bǔ)間法、多段拋物線與直線混合補(bǔ)間法和追蹤控制法等各 種不同的控制方法。 六足機(jī)器人的好處，舉例來(lái)說(shuō)，四腳的機(jī)器人平衡較差，如果一腳舉起，整個(gè)機(jī) 器就易翻倒。但是一個(gè)六腳的機(jī)器人，卻可以每一只腳舉起時(shí)仍然維持三足鼎力的姿 勢(shì)，或者它可以在不影響其平衡安定的狀況下，舉起任何兩只腳。由于六足機(jī)器人的 構(gòu)造主要是藉由模仿昆蟲(chóng)而成的，所以六足機(jī)器人一共擁有六只步足，并且在每只腳 上至少擁有三個(gè)自由度，使機(jī)器人能順利的像昆蟲(chóng)般行走，而驅(qū)動(dòng)這些自由度的動(dòng)力 大致上有電壓、油壓，氣壓等等；藉由這些動(dòng)力，便能使機(jī)器人腳上的關(guān)節(jié)能依照自 由度行動(dòng)。 因此選用3.3各一列的方式三角形穩(wěn)固支撐。 哈爾濱工程大學(xué)本科學(xué)位論文 －19－ 3.2腿機(jī)構(gòu)的步態(tài)方案分析 設(shè)計(jì)的步行機(jī)步態(tài)如圖所示： 哈爾濱工程大學(xué)本科學(xué)位論文 －20－ 把機(jī)器人的六條腿分為兩組, 1、3、5 為一組, 2、4、6為另一組。機(jī)器人開(kāi)始運(yùn) 動(dòng)時(shí)，左側(cè)的2號(hào)腿和右側(cè)的4、6號(hào)腿抬起準(zhǔn)備向前擺動(dòng)，另外3條腿1、3、5處于支撐 狀態(tài)支撐機(jī)器人本體確保機(jī)器人的原有重心位置處于3條支撐腿所構(gòu)成的三角形內(nèi)， 使機(jī)器人處于穩(wěn)定狀態(tài)不至于摔倒(見(jiàn)圖(a))，擺動(dòng)腿2、4、6向前跨步(見(jiàn)圖(b))，支 撐腿1、3、5一面支撐機(jī)器人本體，一面在小型直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)和皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下 驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體，使機(jī)器人機(jī)體向前運(yùn)動(dòng)了半個(gè)步長(zhǎng)S(見(jiàn)圖(C))。在機(jī)器人機(jī)體移動(dòng) 到位時(shí)，擺動(dòng)腿2、4、6立即放下，呈支撐態(tài)，使機(jī)器人的重心位置處于2、4、6三條 支撐腿所構(gòu)成的三角形穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，原來(lái)的支撐腿1、3、5已抬起并準(zhǔn)備向前跨步(見(jiàn)圖 (d))，擺動(dòng)腿1、3、5向前跨步(見(jiàn)圖(e))，支撐腿2、4、6此時(shí)一面支撐機(jī)器人本體一 面驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體，使機(jī)器人機(jī)體又向前運(yùn)動(dòng)了半個(gè)步長(zhǎng)S(見(jiàn)圖(f))，如此不斷從步 態(tài)(a)、(b)、(C)、(d)、(e)、(f)、(a)，循環(huán)往復(fù)，周而復(fù)始實(shí)現(xiàn)機(jī)器人不斷向前運(yùn) 動(dòng)。轉(zhuǎn)向和各個(gè)動(dòng)作互相合成等常規(guī)動(dòng)作。 機(jī)器人的轉(zhuǎn)向由液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn), 機(jī)械腿的逆轉(zhuǎn)與順轉(zhuǎn)是由液壓馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn) 的, 液壓馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)是通過(guò)控制三位四通電磁換向閥改變油路來(lái)實(shí)現(xiàn), 前進(jìn)時(shí)腿與 前進(jìn)方向一致, 而機(jī)體并不轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣使步行機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)非常方便, 并可實(shí)現(xiàn)全方位的 行走。即可以抬腿，收腿和轉(zhuǎn)向，反方向的也是如此。 機(jī)器人在行走過(guò)程中，兩組機(jī)械足交替支撐。兩組足中的任一組3足可獨(dú)立支撐起 整個(gè)機(jī)器人身體，機(jī)器人重心始終落在A組或B組3足的三角形區(qū)域內(nèi)，因此在平面爬行 中沒(méi)有傾覆的危險(xiǎn)。 機(jī)器人具有獨(dú)立的直行和轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)制，兩者可在各自的允許范圍內(nèi)任意方式結(jié)合， 這就使得機(jī)器人的爬行十分靈活?？梢酝瓿筛鞣N轉(zhuǎn)彎和倒退行進(jìn)方式。由于采用六足 的設(shè)計(jì)，因此在其中三足進(jìn)行前進(jìn)，后退和轉(zhuǎn)彎等操作是其余三足可以進(jìn)行三角形穩(wěn) 哈爾濱工程大學(xué)本科學(xué)位論文 －21－ 固支撐。 六足步行機(jī)器人的步態(tài)是多樣的,其中“3+3”步態(tài)是六足步行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)步行的 典型步態(tài)。該步態(tài)是將機(jī)器人的6條腿分為2組,腿1、3、5為A組,腿2、4、6為B組,步行 過(guò)程2組腿交替地?cái)[起、放下。其步態(tài)的規(guī)劃包括:擺腿順序選擇及最大跨步和最大轉(zhuǎn) 動(dòng)角度的計(jì)算等。 步態(tài)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)步行的關(guān)鍵之一，為達(dá)到較為理想的步行，考慮下列要求：(1)步 行平穩(wěn)、協(xié)調(diào)，進(jìn)退自如，無(wú)左右搖晃及前后沖擊；(2)機(jī)體和關(guān)節(jié)問(wèn)沒(méi)有較大的沖擊， 特別是在擺動(dòng)腿著地時(shí)，與地面接觸為軟著陸；(3)機(jī)體保持與地面平行，且始終以等 高運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有明顯的上下波動(dòng)；(4)擺動(dòng)腿跨步迅速，腿部運(yùn)動(dòng)軌跡圓滑，關(guān)節(jié)速度與 加速度軌跡無(wú)畸點(diǎn)；(5)占空系數(shù) ?的合理取值。 靜態(tài)穩(wěn)定的多足步行機(jī)由于對(duì)故障的自適應(yīng)性， 是不平地面和松軟地面行走較為 理想的工具。實(shí)驗(yàn)和觀察表明， 在崎嶇不平的堅(jiān)硬地面上行駛(行走)的平均速度，履 帶式車(chē)輛為8～16 km／h，輪式車(chē)輛為5～8 km／h，而足行走動(dòng)物的奔跑速度可高達(dá)56 km／h在有25．4 cm深軟土的地面上，履帶車(chē)的所需推進(jìn)功率為7460 W／T，輪式車(chē)輛 為11300 W／T，而步行機(jī)器人只需5220 W／T 。 由于六足步行機(jī)具有較優(yōu)良的綜合性 能指標(biāo)，成為國(guó)內(nèi)外研究的熱門(mén)課題．據(jù)統(tǒng)計(jì)，六足步行機(jī)實(shí)物模型樣機(jī)占多足機(jī)的 半數(shù)以上I ，靜態(tài)穩(wěn)定步態(tài)研究是實(shí)用步行機(jī)研究中不可缺少的，它是開(kāi)發(fā)步態(tài)控制 器和穩(wěn)定性監(jiān)視 系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 對(duì)于確定結(jié)構(gòu)的六足行走系統(tǒng)， 步態(tài)式可 完全描述規(guī)則周期直線步態(tài) ??236,,g???? 經(jīng)觀察研究發(fā)現(xiàn)，縱向運(yùn)動(dòng)多足行走動(dòng)物的步態(tài)具有對(duì)稱性質(zhì) ．以往的縱向運(yùn)動(dòng)六足 哈爾濱工程大學(xué)本科學(xué)位論文 －22－ 步態(tài)研究， 僅限于中腿行程無(wú)外置的特定幾何模型，對(duì)六足步行機(jī)對(duì)稱步態(tài)穩(wěn)定性和 最優(yōu)步態(tài)的證明基于中腿行程外置的一般化模型(如下圖)， 更接近于實(shí)際生物 3.3本章小結(jié) 本章主要分析了機(jī)械腿的步態(tài)設(shè)計(jì)，基于仿生學(xué)的原理，在分析六足昆蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)機(jī) 理的基礎(chǔ)上。得出了六足的最穩(wěn)定步態(tài)及基本運(yùn)行方式。步態(tài)采用了比較常見(jiàn)的3+3的 運(yùn)動(dòng)方式。運(yùn)行時(shí)腿呈三角形支撐，整體相當(dāng)穩(wěn)固。要協(xié)調(diào)，進(jìn)退自如，避免整體搖 晃，保證上面運(yùn)送的機(jī)器的安全性。 第四章 步態(tài)的穩(wěn)定性分析 4.1腿機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型 為了便于對(duì)步態(tài)進(jìn)行定性和定量分析，有必要建立其數(shù)學(xué)模型．根據(jù)定義，我們可如 下進(jìn)行．步行機(jī)各足均有兩種狀態(tài)，即著地和騰空，分別用 0 和 r表示．于是步行機(jī) 哈爾濱工程大學(xué)本科學(xué)位論文 －23－ 的第1條腿在 一個(gè)周期內(nèi)兩種狀態(tài)的變換次序可以表示為R=[m1,m2...,mn]其中，n為 一個(gè)周期內(nèi)的狀態(tài)數(shù)。M1j為0或1. 各足不同狀態(tài)的組合及變換可由矩陣G來(lái)表示：G=[R1R2...Rn]n為足的數(shù)目 一個(gè)周期內(nèi)個(gè)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間用T表示 則T=[t1,t2,t3...tn] 例如，人們散步的步態(tài)用G，T表示為 ; 01G???????1234tT??????? 步態(tài)的空間特性可用三個(gè)與G相對(duì)應(yīng)的矩陣來(lái)表示。以步行機(jī)集體的質(zhì)心作為原點(diǎn)。 建立固定在機(jī)體上的坐標(biāo)系OXYZ。在矩陣G中。元素0表示著地狀態(tài)。著地的具體位置 有著地點(diǎn)坐標(biāo)值來(lái)表示。但他們對(duì)步態(tài)研究的意義不大。所以均用0代替他們。有了以 上的準(zhǔn)備。就可以得到與G相對(duì)應(yīng)的新矩陣X，Y，Z。他們描述了各足著地點(diǎn)的對(duì)應(yīng)位 置。例如人們散步時(shí)的G,T.其對(duì)應(yīng)的X，Y，Z可以表示為