论文总字数：19173字

摘 要

基于切比雪夫连杆机构（曲柄摇杆机构）设计了一种8自由度四足机器人的步态，并研制了一个简易的8自由度四足机器人。该步态具有编程简单易理解的特点，研制的四足机器人具有外形简洁、结构坚固的特点。设计过程中用solidwroks中的运动算例仿真、用插件solidworks motion可视化数据并导出数据、用solidworks设计四足机器人的机械结构、用3D打印制作四足机器人的零件，用arduino编程并控制四足机器人的所有舵机。获得了一套可用的8自由度四足机器人的步态算法。阐述了四足机器人的设计过程、算法原理，为四足机器人的步态算法提供了一个新思路，并且以此为基础进行了整体结构的设计、控制系统设计，同时利用3D打印技术做出了实物。

关键字：3D打印；机器人；切比雪夫连杆机构；solidwroks；步态算法

Design and implementation of Quadruped Robot Based on 3D printing

Abstract

Based on Chebyshev linkage (crank rocker mechanism), an 8-DOF quadruped robot gait is designed, and a simple 8-DOF quadruped robot is developed. The gait has the characteristics of simple programming and easy understanding. The quadruped robot has the characteristics of simple shape and solid structure. In the process of design, the motion examples in solidwroks are used to simulate, the data are visualized and exported by SolidWorks motion plug-in, the mechanical structure of quadruped robot is designed by SolidWorks, the parts of quadruped robot are made by 3D printing, and all the steering gears of quadruped robot are programmed and controlled by Arduino. An available gait algorithm of 8-DOF quadruped robot is obtained. This paper expounds the design process and algorithm principle of quadruped robot, which provides a new idea for gait algorithm of quadruped robot. Based on this, the overall structure design and control system design are carried out, and the real object is made by using 3D printing technology.

Keywords: 3D printing; Robot dog; Chebyshev linkage; solidwroks； Gait algorithm

目录

第1章 前言 7

1.1 课题的背景及意义 7

1.2 发展现状 7

1.2.1 旋转矩阵 8

1.2.2 三维基本旋转 8

1.2.3 机器人的设定 9

1.2.4 主体旋转位移矩阵分析 10

1.2.5 对单独一条腿分析 11

1.2.6 逆运动学结论 12

1.3 研究内容 13

第2章 机器人三维建模 15

2.1 基础零件 15

2.1.1 串口舵机 16

2.1.2 滚珠轴承 16

2.1.3 轴承套 16

2.2 脚底节 17

2.2.1 脚底节底座 17

2.2.2 脚底节压盖 18

2.3 脚中节 18

2.3.1 脚中节底座 19

2.3.2 脚中节压盖 20

2.4 身体部分 20

2.4.1 肚子 20

2.4.2 肩 21

2.4.3 肩胯 21

2.4.4 披肩 21

2.4.5 腰 22

第3章 3D打印 23

3.1 3D打印机 23

3.1.1 3D打印机的选取 23

3.1.2 耗材的选取 24

3.2 切片软件 26

3.2.1 挤出机设置 26

3.2.2 层设置 27

3.2.3 附加设置 27

3.2.4 填充设置 28

3.2.5 支撑设置 28

3.2.6 温度设置 29

3.2.7 速度设置 29

第4章 对切比雪夫连杆结构的模拟 31

4.1 绘制简易机构 31

4.2 solidworks插件motion的应用 31

第5章 编程设计 33

5.1 串口舵机的控制程序 33

5.2 整体设计程序 33

第6章 结论 36

致谢 37

参考文献 38

前言

设计四足机器人的背景及意义

伴随着现代社会科学技术的进步和生产力的快速发展，传统轮式履带机器人在结构上比较完善，速度也比较快，但是四足机器人受地形限制较为严重^[1]。

四足机器人是一种功能强大的一体化机器人，它集单片机、液压、传感器等多种功能于一体，使其腿部结构更接近真实的哺乳动物，具有很强的实用价值，模拟精度高，多自由度，能够帮助完成更详细、复杂的操作，具有较大的机器人灵活性，能够使腿部动作更快，适应四组机器人复杂的地理环境，同时具有不同传感器，使四足仿生机器人对关节的适应性大大降低跑跳时的冲击力^[2]。

在机器人中，四足机器人是一个举足轻重的研究方向，它们的普及程度也越来越高。四足机器人的结构越来越复杂，比轮式和爬行机器人更难控制。它们具有复杂的结构，在机器人和控制理论方面具有更高的教学水平^[3]。四足机器人的主要优点是能耗低、稳定性好、在崎岖不平的地形上运动。低速、难以建造和控制、需要车载动力是四足机器人的局限性.由于在具有挑战性的地形条件下具有较好的性能，近年来对四足机器人的研究越来越多。

四足机器人的研究目前仍具有较强的承载能力，因此有必要提高四足户外机器人的承载能力，降低能耗，而提高承载能力需要足够的力量和耐力，这是获得承载能力的重要途径，必须配备蓄能器，使其在户外能运行更远距离^[4]。四足机器人的行走方式，提高了四足机器人的行走速度，使其在崎岖地形上更加稳定，交通更加便捷。采用传统的四轮驱动方式，大大降低了四轮驱动的灵活性^[5]，提高了工作效率。

在人工智能发展的今天，把人工智能和四足机器人结合起来，使机器人能模仿人类学习能力不同的机器人，使机器人能适应复杂的环境，完成复杂的任务^[6]，随着人工智能的发展，更加智能的四足机器人或会成为导盲机器人^[7]，给人们带来极大的便利。

四足机器人的发展现状

四足机器人发展迅猛、应用范围广，具有非常好的发展前景。在未来四足机器人将更加的灵活，能适应各种复杂的环境，帮助人类进行户外勘测、物品运输以及在灾区进行搜救^[8]，为人类的生活带来极大便利。与国外的四足机器人相比，我国的四足机器人还存在很大差距，在某些方面仍需进行创新性突破。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：19173字