0124-兩足行走機(jī)器人—臂部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計

0124-兩足行走機(jī)器人—臂部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計,行走,機(jī)器人,臂部,結(jié)構(gòu),部分,部份,設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中文摘要 機(jī)器人技術(shù)代表了機(jī)電一體化的最高成就，是二十世紀(jì)人類最偉大的成果之一機(jī)器人中的兩足步行機(jī)器人雖然只有近四十年的歷史，但是由于它獨特的適應(yīng)性和擬人性，成為了機(jī)器人領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向。雙足步行機(jī)器人與輪式、爬行式和履帶式等移動機(jī)器人相比，有著更好的環(huán)境適應(yīng)性，這種優(yōu)越性在非結(jié)構(gòu)環(huán)境里的表現(xiàn)尤為突出。 步態(tài)規(guī)劃是雙足步行機(jī)器人研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，穩(wěn)定自然的步行是雙足步行機(jī)器人區(qū)別于其它機(jī)器人的主要標(biāo)志，也是其實現(xiàn)基本操作功能的基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞 雙足步行機(jī)器人 擬人性 步態(tài)規(guī)劃 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）外文摘要 Title The Robot Move with Two-leg - the design of structural elements arm Abstract Roboties is the representation of the best aehievement of meehantronies，and Is one of the greatest fruits of humankind in the 20 century.Though the biped robot has only 40 years history,it became one of the most important branches of robotics for its unique fitness anthropomorphism. Biped robot has much better adaptation to environment in human living-space than wheel type, crawl type and pedrail type mobile robots. This advantage is much more obvious under unconstructed environment. Gait planning is one of the key techniques for the research of biped robot,stable and natural walk is the main sign different biped robot form other robots,and it is the base for robots to realize its essential manipulation. Keywords Biped Robot anthropomorphism Gait Planing 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）中期檢查表 學(xué)生姓名 徐超 學(xué) 號 05010243 指導(dǎo)教師 路建萍 劉 艷 選題情況 課題名稱 兩足行走機(jī)器人——臂部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計 難易程度 偏難 適中 √ 偏易 工作量 較大 合理 √ 較小 符合規(guī)范化的要求 任務(wù)書 有 √ 無 開題報告 有 √ 無 外文翻譯質(zhì)量 優(yōu) 良 中 √ 差 學(xué)習(xí)態(tài)度、出勤情況 好 一般 √ 差 工作進(jìn)度 快 按計劃進(jìn)行 √ 慢 中期工作匯報及解答問題情況 優(yōu) 良 √ 中 差 中期成績評定：良 所在專業(yè)意見： 在畢業(yè)設(shè)計期間，工作積極主動，學(xué)習(xí)態(tài)度良好，能夠按要求完成老師布置的各項任務(wù)。 負(fù)責(zé)人： 年 月 日 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 系　　　部： 機(jī)械工程系 專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動化 學(xué) 生 姓 名： 徐超 學(xué) 號： 05010243 設(shè)計(論文)題目： 兩足行走機(jī)器人 —臂部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計 起 迄 日 期: 2009年 3月09 日 ~ 6月14日 設(shè)計(論文)地點: 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 指 導(dǎo) 教 師: 路建萍 劉 艷 專業(yè)負(fù)責(zé)人: 龔光容 發(fā)任務(wù)書日期: 2009年 2月 26 日 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書 1．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題應(yīng)達(dá)到的目的： 通過本設(shè)計，使學(xué)生熟悉機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)性設(shè)計的一般過程，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識和各項技能，著重培養(yǎng)設(shè)計、計算、分析和解決問題的能力，進(jìn)而總結(jié)、歸納和獲得合理結(jié)論，進(jìn)行較為系統(tǒng)的工程訓(xùn)練，初步鍛煉科研能力，提高論文撰寫和技術(shù)表述能力。為實際工作奠定基礎(chǔ)，達(dá)到人才培養(yǎng)的目的與要求。 2．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）： 技術(shù)要求： 本機(jī)器人的總體功能為模擬人體動作。設(shè)計兩足行走機(jī)器人—臂部結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)擺大臂和擺小臂的功能。 工作任務(wù)： （1） 查閱資料15篇以上，翻譯外文資料3000字，撰寫文獻(xiàn)綜述和開題報告。 （2） 完成行走結(jié)構(gòu)總體設(shè)計，繪制功能原理圖 1 份。 （3） 繪制裝配圖 1 份 （0號圖紙）；部件圖 1份；零件圖若干。（其中，至少有1張圖紙使用計算機(jī)繪制） （4） 設(shè)計說明書1.5萬字左右。(打印) 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書 3．對本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題成果的要求〔包括畢業(yè)設(shè)計論文、圖表、實物樣品等〕： (1)開題報告(含文獻(xiàn)綜述)；(2)外文資料翻譯：3,000 漢字以上；(3)總體裝配圖： 1 張； (4)部件裝配圖1張；(5)主要零件圖：若干張 (總圖數(shù)約合2張0號圖)；(6)畢業(yè)設(shè)計說明書,字?jǐn)?shù)不少于10,000字,并附有200~300漢字的中文摘要及相應(yīng)的英文摘要。 所有設(shè)計圖表、論文撰寫、參考文獻(xiàn)標(biāo)記等均應(yīng)符合本院的規(guī)范化要求。 4．主要參考文獻(xiàn)： [1] 馬香峰. 機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1991. [2] 龔振邦等. 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，1995年6月. [3] 吳瑞祥. 機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994. [4] 熊有倫.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1996. [5] 王志良.競賽機(jī)器人制作技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007. [6] 馬香峰 等. 工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)設(shè)計[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1996年9月. [7] 余達(dá)太，馬香峰. 工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1999年4月. [8] 機(jī)械設(shè)計手冊編委會. 機(jī)械設(shè)計手冊[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007年7月. [9] Ernest L. Hall et l. Robotics: A User-Friendly Introduction[M]. New York: CBS College Publishing,1985. [10] Yoram Koren. Robotics for Engineers[M]. McGraw-Hill Book Company, 1985. [11] 成大先.機(jī)械設(shè)計手冊（第4版）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002. [12] 白井良明著. 王棣棠譯. 機(jī)器人工程[M]. 北京：科學(xué)出版社，2001年2月. [13] David Cook.機(jī)器人制作[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005. [14] 費(fèi)仁元等.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計和分析.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1998. 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書 5．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題工作進(jìn)度計劃： 起 迄 日 期 工 作 內(nèi) 容 2009年 3月 9 日～ 3月15日 3月16日～ 3月22日 3月23日～ 3月29日 3月30日～ 4月5 日 4月6 日～ 4月12日 4月13日～ 4月26日 4月27日～ 5月3 日 5月4 日～ 5月10日 5月11日～ 5月17 日 5月18日～ 5月24 日 5月25日～ 5月31 日 6月1 日～ 6月7 日 6月8 日～ 6月14 日 選題，發(fā)放審題表及任務(wù)書，熟悉課題 完成外文資料翻譯 完成開題報告(包含文獻(xiàn)綜述) 查閱相關(guān)資料，提出幾種可行性方案 確定合理方案，進(jìn)行總體方案論證 進(jìn)行結(jié)構(gòu)部分設(shè)計 計算相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，選擇標(biāo)準(zhǔn)部件，熟悉相關(guān)軟件 對設(shè)計方案進(jìn)行評價與修改，使之完善 繪制總裝配圖，繪制零件圖 整理相關(guān)資料，撰寫并打印設(shè)計說明書 初步提交設(shè)計成果（包括圖紙及論文），整改 正式提交設(shè)計成果和設(shè)計說明書 準(zhǔn)備論文答辯 所在專業(yè)審查意見： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日 系部意見： 系部主任： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計(論文)外文資料翻譯 系　　部： 機(jī)械工程系 專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動化 (用外文寫) 外文出處： Proc. of SPIE Vol.6201 620112 附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 指導(dǎo)教師評語： 該生的外文翻譯基本正確，沒有嚴(yán)重的語法或拼寫錯誤，已達(dá)到本科畢業(yè)的水平。 簽名： 年 月 日 注：請將該封面與附件裝訂成冊。 附件1：外文資料翻譯譯文 獨立動力單臂機(jī)器人 摘要：本文介紹了獨立動力的平面單臂機(jī)器人的構(gòu)思和初步結(jié)果。機(jī)器人二個自由度由液壓油驅(qū)動，一個臂控制。它運(yùn)用的是液壓反推裝置，一種能精確的提供高壓，工作臺面寬度一般并且阻抗力很小的控力裝置。這些裝置安裝在機(jī)器人的身體部位，用電纜將能量傳送到臀部和腿的關(guān)節(jié)處。液壓發(fā)動機(jī)驅(qū)動著一個排量恒定的給蓄電池增壓的泵。因為用的是線性譯碼器，每個反推裝置的絕對位置和彈簧的壓縮都可測量的。彈簧壓縮量轉(zhuǎn)化為輸出力，利用軟件使用循環(huán)算法把控制力與需要的力相比。輸出信號的每個力控制器驅(qū)動著高性能的伺服閥門，控制著液體流向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的活塞。 在設(shè)計機(jī)器人過程中，我們用了以模擬為基礎(chǔ)的重復(fù)多次的設(shè)計方法。初步概算的機(jī)器人的物理參數(shù)是基于以往的經(jīng)驗并且形體上更逼真的機(jī)器人的仿真模型。其次，控制算法模擬出它在平面上的跳躍。從模擬中的關(guān)節(jié)的能源要求和移動范圍，我們再反推出需要的滑輪的直徑，活塞的直徑，行程，液壓，伺服閥門的流量和帶寬，齒輪泵的額定流量和發(fā)動機(jī)功率。符合或超過技術(shù)要求的零件被選出來集成到機(jī)器人里去，運(yùn)用CAD軟件，我們計算出設(shè)計的機(jī)器人的物理參數(shù)，將它們代替先開始用CAD估算出來的數(shù)據(jù)，然后生產(chǎn)出新的能源要求的連接器。我們不斷重復(fù)這些工作，最終得到了設(shè)計中的提到的已校正過的原型。 一般來說，除去體外的泵產(chǎn)生的力，在慣性作用下，機(jī)器人以大約1.2m/s的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，。在試驗臺上，最終試驗的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)加載到機(jī)器人實體上去。當(dāng)除去電力系統(tǒng)所產(chǎn)生的慣性力以后，機(jī)器人普遍以大約2.25m/s的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。目前進(jìn)行的工作是把電力系統(tǒng)集中到機(jī)器人本身，總結(jié)出控制的方法，研究出提高工作效率的方法。 1. 介紹 實用機(jī)械手因為動力平衡要求，復(fù)雜的設(shè)計和動力系統(tǒng)等原因正在接受挑戰(zhàn)。為了研究動力自主機(jī)械手，我們開發(fā)了一個高壓液壓系統(tǒng)驅(qū)動的雙缸發(fā)動機(jī)提供動力的動力自主機(jī)器人。這種機(jī)器人是一個平面機(jī)器人，由一個半徑12英尺的構(gòu)架限制表面范圍。它有2個自由度，一個導(dǎo)桿和曲柄。液壓執(zhí)行裝置固定在機(jī)身上，通過鏈條傳遞到導(dǎo)桿和曲柄。 單臂機(jī)器人被設(shè)計為一個適合多樣性技術(shù)的測試平臺，它包括： ·液壓彈性串聯(lián)執(zhí)行裝置 液壓執(zhí)行裝置要考慮到高準(zhǔn)確性, 適度帶寬壓力控制，一些機(jī)器人利用彈性串聯(lián)執(zhí)行裝置,而單臂機(jī)器人是第一臺應(yīng)用液壓型執(zhí)行裝置的機(jī)器人 。 ·虛擬轉(zhuǎn)動彈簧 轉(zhuǎn)動的支架定位經(jīng)常仿造在彈簧上, 它表示轉(zhuǎn)動效率取決于肌肉組織和筋（見參考文獻(xiàn)[4]）。為了加快效率和簡化控制，大多數(shù)機(jī)器人利用的是一個物理支管彈簧（見參考文獻(xiàn)[5]。單臂機(jī)器人是一個決定在轉(zhuǎn)動機(jī)器人中是否能用虛擬彈簧替代實體彈簧的測試平臺。 當(dāng)單臂機(jī)器人完成試用，我們將模擬一個使用可控制的虛擬支撐彈簧。 ·彈性串聯(lián)執(zhí)行裝置的特性 如果在實體彈簧中沒有得到效率補(bǔ)償，機(jī)器人靈活的保持控制, 彈簧彈回完全支配合成力。 ·高密度，移動性，液壓動力系統(tǒng) 為了使機(jī)器手臂更實用，必須要研制高動力和高能量系統(tǒng)。燃油驅(qū)動液壓系統(tǒng)是一個使人感興趣的選擇。然而，現(xiàn)在缺少輕便的解決方法，而且專家這方面的知識比腿部機(jī)器人的知識更加集中。單臂機(jī)器人是可以成為一個能給與其他機(jī)器人提供液壓發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)的發(fā)展項目和測試平臺 。 在機(jī)器人的設(shè)計中, 我們反復(fù)利用了個仿真設(shè)計程序。我們以各種不同的速度和不同的總數(shù)塊運(yùn)行了機(jī)械手，現(xiàn)實模擬而且得到了物理參數(shù)和聯(lián)合轉(zhuǎn)力矩、速度、和運(yùn)動范圍要求。使用這些功率的聯(lián)合器,我們能夠計算出系統(tǒng)的壓力和流程需求，而且可以選出一些符合那些規(guī)格部件來。然后在SolidWorks里把這些部件連同機(jī)械手結(jié)構(gòu)一起做成模型，得到的新的機(jī)械性能被加載到模型里進(jìn)行模擬。重復(fù)這一個程序，直到原型設(shè)計成份選擇出來。 2.模擬仿真 為了確定單臂機(jī)器人的電力需求，我們用Yobotics Simulation Construction Set軟件進(jìn)行了最真實的模擬。在模擬實驗中，我們假設(shè)彈力腿部的回彈力為0。這是一個非常保守的設(shè)定，因為記載數(shù)據(jù)顯示奔跑的動物和幾乎所有移動機(jī)器人的彈力腿部的回彈力都很大。我們打算最后修改彈力腿部構(gòu)造的設(shè)計?，F(xiàn)在，先假設(shè)回彈力為0，其一確保電力系統(tǒng)超過最終機(jī)器人所需的要求，其二因為彈力腿部是比較難模擬的，我們要準(zhǔn)確的確定它提供哪種電力儲備系統(tǒng)。 我們總結(jié)了模擬機(jī)器人以3.5m/s速度行走時的控制法（圖1），算法類似于Raibert （見參考文獻(xiàn)[5]）的三工位計算，但是稍做了修改。工步通過控制垂直方向的上下速度進(jìn)行控制，而不是通過底部的彈簧片組的壓縮得到。因為單臂機(jī)器人的腿部彈簧是假設(shè)的，并且臀部和膝蓋的力是任意假設(shè)給定的，所以這完全有可能。相對來說，大多數(shù)可移動機(jī)器人的腿部彈簧是真的并且規(guī)定了相應(yīng)的跳躍。如果真實的速度比需要達(dá)到的速度更少，除了經(jīng)過腳安置控制向前的速度之外，需要增加一個速度控制機(jī)延遲推進(jìn)。 我們在各種不同的身體塊中做模擬以完善機(jī)械手的設(shè)計。到目前為止，當(dāng)輕量級 (94 磅) 模擬速度為3.5m/s時, 重量級的模擬速度只有2.5m/s。圖1表示的是94 磅重的機(jī)器人在 速度是3.5 m/s時模擬賽跑的一個截圖。 圖1 43公斤(94磅)單臂機(jī)器人以3.5 m/s的速度模擬賽跑的圖像動畫 圖像間隔0.05秒。從右向左運(yùn)動。 在運(yùn)動中，聯(lián)合關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)力矩、速度和力量在一個完全的周期期間改變。表 1顯示了模擬奔跑時運(yùn)動的轉(zhuǎn)力矩、速度、力量和范圍的最大值。液壓系統(tǒng)的組成部分按照聯(lián)合關(guān)節(jié)處的力量數(shù)據(jù)來選擇。 表1 模擬聯(lián)合關(guān)節(jié)處以最大速度運(yùn)動時的力量要求 最大臀部轉(zhuǎn)力矩 360 Nm 266 ft-lb 最大膝轉(zhuǎn)力矩 360 Nm 263 ft-lb 最大臀部速度 24 rad/sec 224 RPM 最大膝速度 28 rad/sec 264 RPM 最大臀部力 4450 W 5.96 HP 最大膝力 4205 W 5.63 HP 最大總力 6025 W 8.07 HP 平均力 1550 W 2.08 HP 最大臀部旋轉(zhuǎn) 1.70 rad 97.3 deg 最大膝旋轉(zhuǎn) 1.12 rad 63.7 deg 3.液壓系統(tǒng)設(shè)計 在設(shè)計液壓系統(tǒng)前，我們對于單臂機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)做一些設(shè)想。 1) 假設(shè)動力元件牢牢的裝在機(jī)器人的身體部位并且用電纜和滑輪機(jī)構(gòu)和關(guān)節(jié)處連接好。通過放置在機(jī)器人身體上的動力元件（正如直接安置在機(jī)器人腿上的反推裝置），可以將機(jī)器人腿的質(zhì)量減到最小，并可以使它達(dá)到很快的運(yùn)動速度。 2) 假設(shè)動力元件是線性的，而不是螺旋的。液壓直活塞相比螺旋液壓活塞更容易運(yùn)用，更便宜更輕。此外，用螺旋液壓活塞很難執(zhí)行連續(xù)的彈性沖擊。這是因為相對于壓縮彈簧，扭彈簧性能很差，并且生產(chǎn)扭彈簧的過程很復(fù)雜。 圖2 單臂機(jī)器人的液壓系統(tǒng)設(shè)計圖 圖2表示的是單臂機(jī)器人的液壓循環(huán)圖。紅線表示的高壓供應(yīng)路線，藍(lán)線表示的低壓返回路線。恒量泵由發(fā)動機(jī)驅(qū)動，給油箱外的低壓油增壓并使它們沖過各種障礙。如果流進(jìn)去，液體正常的通過一個節(jié)流閥，在這對蓄電池加壓。電腦控制著的電磁閥可以間隔的通過一個油液冷卻器阻止液體回流到油箱。當(dāng)積聚的力已經(jīng)達(dá)成被需要的最大值如一個壓力感應(yīng)器所測量的壓力的時候，運(yùn)用并聯(lián)電路。高壓力液體被儲存在油箱中，直到二個伺服閥門之中任意一個啟動。如果壓力在積聚者中變成太高,一個壓力減輕閥門將會交替地把液壓油轉(zhuǎn)移回到油庫。伺服閥門控制每個活塞的壓力和流量。 如活塞被循環(huán),回返液體經(jīng)過油冷卻器被送回到油庫,如此完成周期。 3.1液壓成分選擇 液壓的系統(tǒng)配置相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)。困難在于在沒有設(shè)計說明書的情況下挑選出符合單臂機(jī)器人力量要求的組成部件，還要留下余量。圖 3 是成份選擇程序的示意圖。 圖3 成分選擇過程示意圖 3.2.滑輪和活塞直徑 我們從模擬中為單腳架估算了運(yùn)動的聯(lián)合轉(zhuǎn)力矩、速度和范圍。力量經(jīng)過繞過滑輪的鋼電纜被傳送到關(guān)節(jié)，而且這些鋼的電纜由液壓活塞驅(qū)動。在選擇活塞和滑輪直徑方面，假定操作壓力為3000PSI,這是一個廣泛承認(rèn)的超高壓標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)壓力超過3000PSI時，設(shè)備變成非常重而且貴。 考慮滑輪直徑的同時，還必須考慮電纜壽命。非常小的皮帶輪對鋼索會產(chǎn)生顯著的彎曲應(yīng)力，從而使電纜壽命退化。按照電纜制造業(yè)情況，滑輪直徑應(yīng)該是大約包圍在它周圍的電纜的直徑的25 倍。我們初步選擇了一個直徑為0.188英寸的電纜，因為它的斷裂強(qiáng)度（ 2000磅）差不多達(dá)到設(shè)計要求。根據(jù)制造業(yè)者的 25X 因素,我們得到了一個直徑為4.68 寸的滑輪。取整數(shù),使用一個直徑為4.75英寸的滑輪。用這個帶輪直徑和3000PSI的設(shè)計壓力，計算出扭矩為266英尺-磅條件下的活塞直徑是 0.770 英寸。保守起見，選擇了活塞直徑為0.75英寸。注意驅(qū)動力（指電纜力）為0.75英寸直徑的活塞是1324磅，少于額定強(qiáng)度電纜2000磅。汽缸直徑為0.75英寸和滑輪直徑4.75英寸，模擬產(chǎn)生的最大壓力和流速如表2所示。 表2 活塞直徑為0.750英寸，帶輪直徑為4.75英尺時模擬的最大壓力值和流量 最大臀部主動器壓力 20.68 MPa 3000 PSI 最大膝主動器壓力 20.68 MPa 3000 PSI 最大值髖舵機(jī)流速 4.02e-4 m3/s 6.38 GPM (24.5 in3/s) 最大值膝動器流速 3.895e-4 m3/s 6.17 GPM (23.8 in3/s) 最大總動器流速 6.385e-4 m3/s 10.12 GPM (39.0 in3/s) 平均流速 1.98e-4 m3/s 3.14 GPM (12.1 in3/s) 在圓筒和滑輪直徑選擇方面，我們用了模擬模型為單臂機(jī)器人結(jié)束產(chǎn)生壓力和流程需求而且延長時間的時期。從這個壓力和流量的數(shù)據(jù)中抽取了平均流量、洪峰流量和壓降。這方面的資料，用來選擇主要系統(tǒng)組件，包括伺服閥、散熱器、蓄能器、齒輪泵等。 …… 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告 學(xué) 生 姓 名： 徐超（大） 學(xué) 號： 05010243 專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動化 設(shè)計(論文)題目： 兩足行走機(jī)器人 臂部結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計 指 導(dǎo) 教 師: 路建萍 劉 艷 2009 年 3 月 22 日 開題報告填寫要求 1。開題報告（含“文獻(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效； 2。開題報告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時交給指導(dǎo)教師簽署意見； 3。“文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書寫（或打印）在本開題報告第一欄目內(nèi)，學(xué)生寫文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇科技論文的信息量，一般一本參考書最多相當(dāng)于三篇科技論文的信息量（不包括辭典、手冊）； 4。有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2009年3月15日”或“2009-03-15”。 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告 1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫 2000字左右的文獻(xiàn)綜述： 文 獻(xiàn) 綜 述 摘要 本文詳細(xì)介紹了研究兩足步行機(jī)器人的組成，機(jī)器人的原因，兩足步行機(jī)器人的應(yīng)用前景。國內(nèi)外兩足步行機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。 關(guān)鍵詞 兩足機(jī)器人組成 研究原因 前景 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1 機(jī)器人的硬體組成 在種類繁多的機(jī)械人當(dāng)中，最讓人感興趣的就是仿人類機(jī)械人了。因為人類是最高級的動物，能讓機(jī)械人各項機(jī)能達(dá)到人類的高度是每一個從事此工作的科學(xué)家不斷追求的夢想。 人體外形各項器官基本可劃分為動作器官、感覺器官、思維器官三部分，機(jī)械人套件里的電子模組也是按這三部分來劃分的。動作器官包括：可以讓我們機(jī)械人唱歌的發(fā)音模組、可以裝飾和指示的發(fā)光模組、速度可以調(diào)節(jié)的馬達(dá)模組等。感覺器官包括：可以分辨黑白甚至是不同顏色的灰度測量模組、可以檢測碰撞的觸碰檢測模組等。 思維器官包括：RCU，也就是中央控制器，整個機(jī)器人的核心模組。當(dāng)然還有一些輔助功能的拼裝配件等等[1]。 2 研究兩足步行機(jī)器人的原因 世界著名機(jī)器人學(xué)專家，日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授說過：“機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有的最大特征之一是步行功能”。步行功能的具備為擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域開辟了無限廣闊的前景研究兩足步行機(jī)器人的原因，概括起來有如下4個：(1)我們希望研制出兩足步行機(jī)構(gòu)，使它們能在許多結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性環(huán)境中行走，以代替人進(jìn)行作業(yè)或延伸和擴(kuò)大人類的活動領(lǐng)域。(2)我們希望更多地了解和掌握人類的步行特性，并利用這些特性為人類服務(wù)。(3)兩足步行系統(tǒng)具有非常豐富的動力學(xué)特性，在這一方面的研究可以拓寬力學(xué)及機(jī)器人學(xué)的研究方向。(4)兩足步行機(jī)器人可以作為一種智能機(jī)器人在人工智能中發(fā)揮重要的作用[2]。 3 兩足步行機(jī)器人應(yīng)用前景 實用的兩足步行機(jī)器人由兩條腿和一個平臺(腰部)組成。腿的作用是為平臺提供移動能力，而平臺的作用則是提供一個基礎(chǔ)，以便安裝機(jī)械手、CCD攝象機(jī)、機(jī)載計算機(jī)控制系統(tǒng)和蓄電池。顯然，這種帶機(jī)械手的兩足步行機(jī)器人能非常靈活地從事較多的工作。但是，對于這種兩足步行機(jī)器人來說，平臺的穩(wěn)定性對于有效地控制機(jī)械手末端操作器的位置和姿態(tài)是至關(guān)重要的，而兩條腿的步態(tài)又對平臺的穩(wěn)定性起決定作用。因此，如何規(guī)劃好腿的步態(tài)，協(xié)調(diào)地控制兩條腿的運(yùn)動以保持平臺及整個兩足步行機(jī)器人的穩(wěn)定就成為一個主要問題[3～6]。 目前，兩足步行機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域主要是康復(fù)醫(yī)學(xué)。從長遠(yuǎn)來看，兩足步行機(jī)器人在無人工廠、核電站、海底開發(fā)、宇宙探索、康復(fù)醫(yī)學(xué)以及教育、藝術(shù)和大眾服務(wù)行業(yè)等領(lǐng)域都有著潛在而廣闊的應(yīng)用前景。 4 兩足步行機(jī)器人研究的現(xiàn)狀 從8O年代中期到現(xiàn)在，雖然理論研究和樣機(jī)研制不象1985年以前那樣豐富，但也頗具特色。重要的是，國內(nèi)正是在這一時期全面開展了兩足步行機(jī)器人的研究。下面，首先看看美國的有關(guān)情況。 1985年，美國的Hodgins和Raibert等人研制了一個用來進(jìn)行奔跑運(yùn)動和表演體操動作的平面型兩足步行機(jī)器人，這個機(jī)器人有3個自由度。1986年，他們用這個機(jī)器人進(jìn)行奔跑實驗，著重研究奔跑過程中出現(xiàn)的彈射飛行狀態(tài)。在實驗中，這個機(jī)器人的最大速度高達(dá)4.3米／秒。1988年和1990年，他們又用這個機(jī)器人進(jìn)行翻筋斗動作實驗。Hodgins和Raibert研究這兩種運(yùn)動是因為它們含有豐富的動力學(xué)內(nèi)容，尤其是兩者都具有彈射飛行狀態(tài)。 在美國研究兩足步行機(jī)器人的科學(xué)家中，鄭元芳(Y·F·Zheng)博士是一個非常杰出的人物。他在80年代初由中國去了美國，并于1984年在俄亥俄州立大學(xué)獲博士學(xué)位，然后一直在克萊姆森大學(xué)工作，最近又回到俄亥俄州立大學(xué)任職。在克萊姆森大學(xué)期間，他主持研制了兩臺步行機(jī)器人，分別命名為SD一1和SD一2。SD—l具有4個自由度，SD一2則有8個自由度。其中，SD一2是美國第一臺真正擬人的兩足步行機(jī)器人。1986年，SD一2機(jī)器人成功地實現(xiàn)了平地上前進(jìn)、后退以及左、右側(cè)行。1987年，這個機(jī)器人又成功地實現(xiàn)了動態(tài)步行。鄭元芳博士也因他在機(jī)器人領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)而獲得美國1987年度“總統(tǒng)青年研究員”獎 。 1984年，鄭元芳博士對兩足步行機(jī)器人與環(huán)境接觸時的碰撞效應(yīng)進(jìn)行了研究。1987年，他提出了一種用于兩足步行機(jī)器人運(yùn)動控制的監(jiān)控系統(tǒng)。1989年，他研究了兩足步行機(jī)器人的擾動抑制問題。1990年他首次提出了使兩足步行機(jī)器人能走斜坡的控制方案，并利用SD一2機(jī)器人進(jìn)行了成功的實驗 。此外，鄭元芳博士還從神經(jīng)生理學(xué)的角度對人類肌肉的多級傳感與多級驅(qū)動原理進(jìn)行了研究，并提出了采用這種原理設(shè)計兩足步行機(jī)器人的方法[7]。 下面我們再看看國內(nèi)在兩足步行機(jī)器人方面的研究情況。 我國從80年代中期才開始研究兩足步行機(jī)器人，當(dāng)時主要的研究單位是哈爾濱工業(yè)大學(xué)和國防科技大學(xué)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制成功的第一臺兩足步行機(jī)器人重7Okg，高l10cm，有10個自由度，采用直流電機(jī)經(jīng)諧波減速驅(qū)動，控制系統(tǒng)由一臺IBM—PC／XT計算機(jī)和l0個MCS一51單片機(jī)系統(tǒng)組成。1989年l0月，這個機(jī)器人實現(xiàn)了平地上的前進(jìn)，左、右側(cè)行以及上、下樓梯的運(yùn)動，步幅可達(dá)45cm，步速為l0秒／步，為靜態(tài)步行[8～12]。 最近哈爾濱工業(yè)大學(xué)又研制了一臺l2自由度的兩足步行機(jī)器人，井正在進(jìn)行動態(tài)步行的實驗。 我們南京航空學(xué)院從1989年秋天起也開展了一個兩足步行機(jī)器人的研究計劃，現(xiàn)在已研制出一臺8自由度空間運(yùn)動型的兩足步行機(jī)器人，命名為NAIWR—1。目前，這一計劃正在實施中?？傆^起來，兩足步行機(jī)器人研究的現(xiàn)狀是：國外，主要是日本和美國，對兩足步行機(jī)器人的研究已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平，研制出了能靜態(tài)或動態(tài)行走的多種樣機(jī)。國內(nèi)由于起步較晚，前一段剛完成靜態(tài)穩(wěn)定步行的研究，目前，正處于準(zhǔn)動態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定步行的研究階段。雖然國內(nèi)的研究水平還不象國外那樣高，但在短短的五六年時間能達(dá)到今天的水平，已經(jīng)是相當(dāng)驚人的了！ 5 兩足步行機(jī)器人研究的發(fā)展趨勢 概括起來，兩足步行機(jī)器人的發(fā)展趨勢包括如下l0個方面：(1)能動態(tài)穩(wěn)定地高速步行。(2)能以自由步態(tài)全方位靈活行走。(3)具有良好的地形適應(yīng)性。(4)具有極強(qiáng)的越障和回避能力。(5)具有很高的載重／自重比。(6)可靠性高、工作壽命長。(7)具有豐富的內(nèi)感知和外感知系統(tǒng)。(8)控制系統(tǒng)和能源裝置機(jī)載化。(9)具有完全的自律能力。(10)具有靈活的操作能力(安裝一個或多個機(jī)械手) [13,14]。 6 結(jié)束語 本文較詳細(xì)地介紹了國內(nèi)外兩足步行機(jī)器人研究的主要情況。我們相信，隨著整個機(jī)器人技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，在不久的將來，兩足步行機(jī)器人一定能夠真正進(jìn)入實用化階段，在各行各業(yè)中發(fā)揮重要作用。 參考文獻(xiàn) [1] Todd D J .Walking machines ,an introduction to legged robots Kogan Page Ltd.London,1985. [2] Hemamu H , Weimer F C.Koozekananit S H .Some aspects of the inverted pendulurn problem for modelling of Iocomotion systemr. Proc of 1973 JACC. [3] 白井良明著. 王棣棠譯. 機(jī)器人工程[M]. 北京：科學(xué)出版社，2001.2. [4] 熊有倫.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1996. [5] 王志良.競賽機(jī)器人制作技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007. [6] 成大先.機(jī)械設(shè)計手冊（第4版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002. [7] 熊有倫.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1996. [8] 機(jī)械設(shè)計手冊編委會. 機(jī)械設(shè)計手冊[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.7. [9] 馬香峰. 機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1991. [10] 龔振邦等. 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，1995.6. [11] 吳瑞祥. 機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994. [12] 熊有倫.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1996. [13] David Cook.機(jī)器人制作[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005. [14] 費(fèi)仁元等.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計和分析.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1998.  畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告 ２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）： 本課題是設(shè)計兩足行走機(jī)器人—臂部結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)擺大臂、擺小臂的功能。 主要設(shè)計難點是重心前后移動與身體左右平衡難以協(xié)調(diào)的問題，尤其是正步行走、身體不傾斜的前提下更難以實現(xiàn)。 我們設(shè)計小組選擇簡單的控制系統(tǒng)實現(xiàn)模仿人類行走的機(jī)器人，以此提高我們的機(jī)械設(shè)計創(chuàng)新能力。 我們采用以下創(chuàng)新點： (1) 先是用3D軟件PRO/E設(shè)計出機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)和各個零件的結(jié)構(gòu)，直觀的展現(xiàn)了我們所設(shè)計的雙足行走機(jī)器人。 (2) 采用了17臺舵機(jī)，腿部共有8臺舵機(jī)每條腿個有4個舵機(jī)，臂部共有4臺舵機(jī)，每條手臂個2個，軀干4臺舵機(jī)還有頭1臺，合理控制，以此解決了簡單控制條件下機(jī)器人難以實現(xiàn)正步行走的難點問題。 （3）大小臂均可沿錐面做往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動，可組合出多種姿態(tài)。 （4）充分體現(xiàn)了以機(jī)為主、機(jī)電結(jié)合的特色。  畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告 指導(dǎo)教師意見： 1．對“文獻(xiàn)綜述”的評語： 該生的文獻(xiàn)綜述結(jié)合所要研究地課題比較緊密，從文中可以看出該生對所要做地工作進(jìn)行了較深入地學(xué)習(xí)。 2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設(shè)計（論文）結(jié)果的預(yù)測： 本課題要做什么步驟敘述很清楚，設(shè)計思路正確，工作量合理，預(yù)計該生能順利并很好地完成該課題。 指導(dǎo)教師： 年 月 日 所在專業(yè)審查意見： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日 該方案是兩足行走機(jī)器人—臂部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計，雙足步行機(jī)器人的一個主要問題就是雙足動態(tài)步行的固有不穩(wěn) 定性。為了使其穩(wěn)定行走并能夠做靈活的仿人動作，機(jī)器人本體設(shè)計和行走步態(tài)規(guī)劃都很重要。在進(jìn)行機(jī)器人 本體設(shè)計時需要著重考慮的問題有關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩的限制，主要機(jī)構(gòu)的剛度，擺動腿著地時沖擊載荷對機(jī)器人本 體可能帶來的損壞，桿件間連接，機(jī)體重量、材料以及易于操作維修等等。 依據(jù)仿生學(xué)原理，肢體的設(shè)計長度要盡量與人的肢體長度比例相近，為了提高行走穩(wěn)定性，將機(jī)器人的兩足設(shè) 計得較大。為了簡化 動學(xué)和動力學(xué)計 ， 關(guān)節(jié)和 關(guān)節(jié) 雙關(guān)節(jié) 結(jié)構(gòu)， 了關(guān)節(jié) 度及 性，可以近 為 與 的 動是 的。 材料的 要本著重量 ，高剛度的原 。機(jī)器人本體主體材料 ， 材料重量 、?度高。 雙足行走機(jī)器人臂部￠6個￡件，2?￥機(jī)和?§currency1'“ ??，理?長fi175mm，高fi50mm。 fl肢有6個 ￠度，分–是?部兩個 ￠度和?部一個 ￠度。?部兩個 ￠度分–·制 ? ???和fl” 擺動，?部一個 ￠度·制fl”擺動。 ?… 將￥機(jī)‰ 的?度設(shè)定在90°， 有`于fl肢有擺動的′地。??￥機(jī)ˉ大?度是180°。?˙?… ?度設(shè)定在90°時，與¨件相¨ 不 ?生§?，可以 `的??簡?的ˇ大臂和ˇ—臂等動作。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 27 頁 共 27 頁 1 緒論 1.1 引言 機(jī)器人是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，仿人型機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點。研究仿人型機(jī)器人需要結(jié)合機(jī)械、電子、信息論、人工智能、生物學(xué)以及計算機(jī)等諸多學(xué)科知識，同時其自身的發(fā)展也促進(jìn)了這些學(xué)科的發(fā)展。雙足步行機(jī)器人是仿人型機(jī)器人的一種。 1959年，世界上誕生了第一臺工業(yè)機(jī)器人，開創(chuàng)了機(jī)器人發(fā)展的新紀(jì)元。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，仿人型機(jī)器人的研究與應(yīng)用迅猛發(fā)展。世界著名機(jī)器人專家、日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授說過：“機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有的最大特征之一是步行功能”。其中雙足行走是步行方式中自動化程度最高、最為復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)。偉大的發(fā)明家愛迪生也曾說過這樣一句話：“上帝創(chuàng)造人類，兩條腿是最美妙的杰作”。雙足步行系統(tǒng)具有非常豐富的動力學(xué)特性，對步行的環(huán)境要求很低，既能在平地上行走，也能在非結(jié)構(gòu)性的復(fù)雜地面上行走，對環(huán)境有很好的適應(yīng)性。步行功能的具備為擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域開辟了無限廣闊的前景。 研究雙足步行機(jī)器人的原因和目的，主要有以下幾個方面：希望研制出雙足步行機(jī)構(gòu)，使它們能在許多結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)環(huán)境中行走，以代替人進(jìn)行作業(yè)或延伸和擴(kuò)大人類的活動領(lǐng)域；希望更多得了解和掌握人類得步行特性，并利用這些特性為人類服務(wù)，例如：人造假肢。雙足步行系統(tǒng)具有豐富的動力學(xué)特性，在這方面的研究可以拓寬力學(xué)及機(jī)器人的研究方向；雙足步行機(jī)器人可以作為一種智能機(jī)器人在人工智能中發(fā)揮重要的作用。 科幻小說和電影作品中，人們將像人一樣行走、思考、行為的機(jī)器人作為機(jī)器人研究的最高境界?？茖W(xué)工作者也一直將實現(xiàn)類人行為的機(jī)器人作為工作的最高目標(biāo)去追求。步行機(jī)器人特別是雙足步行機(jī)器人的研究是整個類人機(jī)器人研究的前奏，是實現(xiàn)類人機(jī)器人的必不可少的一個環(huán)節(jié)。在具有許多優(yōu)點的步行機(jī)器人中，由于雙足步行機(jī)器人體積較小，所以他們對環(huán)境有最好的適應(yīng)性。這種機(jī)器人除結(jié)構(gòu)較簡單外，在靜、動態(tài)穩(wěn)定步行方面，都是最困難的，但這種困難并不是不能克服。實用的雙足步行機(jī)器人由兩條腿和平臺（腰部）組成。腿的作用是為平臺提供移動能力，而平臺的作用則是提供一個基礎(chǔ)，以便安裝機(jī)械手、CCD攝像機(jī)、機(jī)載計算機(jī)控制系統(tǒng)和電池等。顯然，這種帶機(jī)械手的雙足步行機(jī)器人外形上更像人，能非常靈活地從事較多的工作。但是，對于這種雙足步行機(jī)器人來說，平臺的穩(wěn)定性對于有效地控制機(jī)械手末端操作器的位置和姿態(tài)是至關(guān)重要的，而兩條腿的步態(tài)又對平臺的穩(wěn)定性起決定作用。因此，如何規(guī)劃好腿的步態(tài)，協(xié)調(diào)地控制兩條腿的運(yùn)動以保持平臺及整個雙足步行機(jī)器人的穩(wěn)定就成為一個主要問題。雙足步行機(jī)器人可以是很復(fù)雜的系統(tǒng)，當(dāng)然也可以是構(gòu)造簡單的系統(tǒng)。 1.2 機(jī)器人的發(fā)展及技術(shù) 1.2.1 機(jī)器人的發(fā)展 20世紀(jì)40年代，伴隨著遙控操縱器和數(shù)控制造技術(shù)的出現(xiàn)，關(guān)于機(jī)器人技術(shù)的研究開始出現(xiàn)。60年代美國的ConsolidatedContr01公司研制出第一臺機(jī)器人樣機(jī)，并成立了Unimation公司，定型生產(chǎn)了Unimate機(jī)器人。20世紀(jì)70年代以來，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，機(jī)器人技術(shù)逐漸發(fā)展為專門學(xué)哈爾濱工程大學(xué)碩十學(xué)位論文。1970年，第一次國際機(jī)器人會議在美國舉行。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，數(shù)百種不同結(jié)構(gòu)、不同控制系統(tǒng)、不同用途的機(jī)器人已進(jìn)入了實用化階段。目前，盡管關(guān)于機(jī)器人的定義還未統(tǒng)一，但一般認(rèn)為機(jī)器人的發(fā)展按照從低級到高級經(jīng)歷了三代。第一代機(jī)器人，主要指只能以“示教-再現(xiàn)”方式工作的機(jī)器人，其只能依靠人們給定的程序，重復(fù)進(jìn)行各種操作。目前的各類工業(yè)機(jī)器人大都屬于第一代機(jī)器人。第二代機(jī)器人是具有一定傳感器反饋功能的機(jī)器人，其能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對象的簡單信息，通過計算機(jī)處理、分析，機(jī)器人按照己編好的程序做出一定推理，對動作進(jìn)行反饋控制，表現(xiàn)出低級的智能。當(dāng)前，對第二代機(jī)器人的研究著重于實際應(yīng)用與普及推廣上。第三代機(jī)器人是指具有環(huán)境感知能力，并能做出自主決策的自治機(jī)器人。它具有多種感知功能，可進(jìn)行復(fù)雜的邏輯思維，判斷決策，在作業(yè)環(huán)境中可獨立行動。第三代機(jī)器人又稱為智能機(jī)器人，并己成為機(jī)器人學(xué)科的研究重點，但目前還處于實驗室探索階段。機(jī)器人技術(shù)己成為當(dāng)前科技研究和應(yīng)用的焦點與重心，并逐漸在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防建設(shè)等方面發(fā)揮巨大作用?？梢灶A(yù)見到，機(jī)器人將在21世紀(jì)人類社會生產(chǎn)和生活中扮演更加重要的角色。 1.2.2 機(jī)器人技術(shù) 機(jī)器人學(xué)是一門發(fā)展迅速的且具有高度綜合性的前沿學(xué)科，該學(xué)科涉及領(lǐng)域廣泛，集中了機(jī)械工程、電氣與電子工程、計算機(jī)工程、自動控制工程、生物科學(xué)以及人工智能等多種學(xué)科的最新科研成果，代表了機(jī)電一體化的最新成就。機(jī)器人充分體現(xiàn)了人和機(jī)器的各自特長，它比傳統(tǒng)機(jī)器具有更大的靈活性和更廣泛的應(yīng)用范圍。機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類生產(chǎn)和社會進(jìn)步的需要，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)工具進(jìn)化的必然。目前，機(jī)器人及其自動化成套裝備己成為國內(nèi)外備受重視的高新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，與此同時它正以驚人的速度向海洋、航空、航天、軍事、農(nóng)業(yè)、服務(wù)、娛樂等各個領(lǐng)域滲透。目前，雖然機(jī)器人的能力還是非常有限的，但是它正在迅速發(fā)展。隨著各學(xué)科的發(fā)展和社會需要的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)出現(xiàn)了許多新的發(fā)展方向和趨勢，如網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人技術(shù)、虛擬機(jī)器人技術(shù)、協(xié)作機(jī)器人技術(shù)、微型機(jī)器人技術(shù)和雙足步行機(jī)器人技術(shù)等。 1.3 雙足步行機(jī)器人研究概況 1.3.1 國外研究現(xiàn)狀分析 最早系統(tǒng)地研究人類和動物運(yùn)動原理的是Muybridge，他發(fā)明了電影用的獨特攝像機(jī)，即一組電動式觸發(fā)照相機(jī)，并在1877年成功地拍攝了許多四足動物步行和奔跑的連續(xù)照片。后來這種采用攝像機(jī)的方法又被Demeny用來研究人類的步行運(yùn)動。從本世紀(jì)30年代到50年代，蘇聯(lián)的Bernstein從生物動力學(xué)的角度也對人類和動物的步行機(jī)理進(jìn)行深入的研究，并就步行運(yùn)動作了非常形象化的描述。 真正全面、系統(tǒng)地開展兩足步行機(jī)器人的研究是始于本世紀(jì)60年代．迄今，不僅形成了兩足步行機(jī)器人一整套較為完善的理論體系，而且在一些國家，如日本、美國和蘇聯(lián)等都已研制成功了能靜態(tài)或動態(tài)步行的兩足步行機(jī)器人樣機(jī)。這一部分，我們主要介紹隊60年代到1985年這一時期，在兩足步行機(jī)器人領(lǐng)域所取得的最重要進(jìn)展。 在60年代和70年代，對步行機(jī)器人控制理論的研究產(chǎn)生了3種非常重要的控制方法，即有限狀態(tài)控制、模型參考控制和算法控制。這3種控制方法對各種類型的步行機(jī)器人都是適用的。有限狀態(tài)控制是由南斯拉夫的Tomovic在1961年提出來的 ，模型參考控制是由美國的Farnsworth在1975年提出來的，而算法控制則是由南斯拉夫米哈依羅·鮑賓研究所著名的機(jī)器人學(xué)專家Vukobratovic博士在1969年至1972年問提出來的。這3種控制方法之間有一定的內(nèi)在聯(lián)系。有限狀態(tài)控制實質(zhì)上是一種采樣化的模型參考控制，而算法控制則是一種居中的情況[1]。 在兩足步行機(jī)器人的發(fā)展史上，Vukobratovic博士是一個非常突出的人物。他在整個70年代就兩足步行機(jī)器人的理論研究和假肢的設(shè)計發(fā)表了很多有影響的論文。他提出了用歐拉角描述兩足步行系統(tǒng)的通用數(shù)學(xué)模型；指出了由于步行系統(tǒng)的動態(tài)性能和控制性能的特殊性，用一般控制理論不能滿意地解決人工實現(xiàn)步行的問題，并相應(yīng)地提出了算法控制的概念；研究了類人型兩足步行系統(tǒng)在單腳和雙腳支撐期機(jī)構(gòu)的特點，并建立了從運(yùn)動副組合到關(guān)節(jié)力矩計算等各項運(yùn)算的KINPAIR算法，分析了類人型兩足步行系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定性，并提出了相應(yīng)的姿態(tài)控制算法；對類人型兩足步行系統(tǒng)進(jìn)行了能量分析和頻率分析．此外，他還與合作者一起為截癱病人和小兒麻痹癥患者設(shè)計了一系列半動力型和動力型輔助行走裝置 。特別重要的是，他和Stepanenko博士一起在1972年提出了“零力矩點ZMP”的概念ZMP概念的提出對兩足步行機(jī)器人控制產(chǎn)生了非常重要的影響，為有效地控制兩足步行機(jī)器人的運(yùn)動開辟了一條嶄新的途徑[2]。 在步態(tài)研究方面，蘇聯(lián)的Bessonov和Umnov定義了“最優(yōu)步態(tài)”，Kugushev和Jaro- shevskij定義了自由步態(tài)。這兩種步態(tài)不僅適應(yīng)于兩足而且也適應(yīng)于多足步行機(jī)器人。其中，自由步態(tài)是相對于規(guī)則步態(tài)而言的。如果地面非常粗糙不平，那么步行機(jī)器人在行走時，下一步腳應(yīng)放在什么地方，就不能根據(jù)固定的步序來考慮，而是應(yīng)該象登山運(yùn)動員那樣走一步看一步，通過某一優(yōu)化準(zhǔn)則來確定，這就是所謂的自由步態(tài)。 在兩足步行機(jī)器人的穩(wěn)定性研究方面，美國的Hemami等人曾提出將兩足步行系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的簡化模型看作是一個倒立振子(倒擺)，從而可以將兩足步行的前進(jìn)運(yùn)動解釋為使振子直立移動的問題。此外，從減小控制的復(fù)雜性考慮，Hemami等人還曾就兩足步行機(jī)器人的“降階模型”問題進(jìn)行了研究。 在步行模式這方面的研究中，日本加藤一郎教授及其合作者1980年提出了“準(zhǔn)動態(tài)步行的概念 ，這是一種介于靜態(tài)步行和動態(tài)步行之間的步行方式。它既具有靜態(tài)步行的特點又具有動態(tài)步行的特點，其步速要比靜態(tài)步行快，而實現(xiàn)起來又不象動態(tài)步行那樣困難。 最早采用最優(yōu)理論來研究類人型兩足步行系統(tǒng)是美國的Chow和Jacobson。他們在1971年發(fā)表的論文中， 具有約束條件的力學(xué)模型和性能最優(yōu)準(zhǔn)則作為兩足步行優(yōu)化問題的核心，而以一種簡化模型作為研究對象。但最后，他們僅是以局部耗能最少為基礎(chǔ)得出了一個優(yōu)化結(jié)果。 前面我們曾指出Vukobratovic也對類人型兩足步行系統(tǒng)進(jìn)行了能量分析，但他僅限于導(dǎo)出各關(guān)節(jié)及整個步行系統(tǒng)的功率隨時間的變化關(guān)系，并沒有過多地涉及能耗最優(yōu)這個問題．但在他的研究中，Vukobratovic得出了一個有用的結(jié)論，即步行姿態(tài)越平滑，類人型兩足步行系統(tǒng)所消耗的功率就越少。 下面介紹一下樣機(jī)研制方面的主要情況。早在50年代中期，美國通用電氣公司就制造了一臺名為“Hardiman”的步行車，但當(dāng)時的驅(qū)動和伺服控制技術(shù)顯然還不足以使Hardiman進(jìn)入實用化階段。 1986年至1971年間，牛津大學(xué)的Witt等人曾制造和完善了一個兩足步行機(jī)器人。當(dāng)時他們的主要目的是為癱瘓者和下肢殘疾者設(shè)計實用的輔助行走裝置。這個機(jī)器人在平地上走得非常好，步速為0.28m／s，功率消耗約4瓦 。 1972年，日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授及其合作者設(shè)計的Wabot(前身為WL-5)是迄今為止最上象的一個兩足步行機(jī)器人，它除有兩條腿之外，還具有許多其它擬人的特征Wabot首次步行是在1973年，它具有一定的自律性，能完成低速度的靜態(tài)穩(wěn)定步行。 后來，加藤他們又制造了一系列兩足步行機(jī)器人，這些機(jī)器人一般都是液壓驅(qū)動的，每條腿上一般具有5個自由度，典型的步長和步行周期分別是15厘米和l5秒，并且它們都能實現(xiàn)靜態(tài)和準(zhǔn)動態(tài)步行。特別值得一提的是，這些科學(xué)家在1984年成功地使他們研制的WL-lORD兩足步行機(jī)器人實現(xiàn)了動態(tài)步行，步幅為43.18厘米，步速達(dá)到1.3步每秒。WL-10RD機(jī)器人重84公斤，在其本體上安裝了一臺Z8002微型計算機(jī)，用來控制它的步行運(yùn)動。 在80年代初，東京大學(xué)的Miura和Shimoyama研制了5種類型的兩足步行機(jī)器人，它們依次被命名為BIPER-1。所有這些機(jī)器人都不能保持靜態(tài)穩(wěn)定，但在適當(dāng)?shù)目刂谱饔孟露寄軐崿F(xiàn)動態(tài)步行。BIPER-1和BIPER-2其能側(cè)行；BIPER-3是一個高蹺型機(jī)器人，腳與地面以點狀接觸，它既能側(cè)行，也能前進(jìn)、后退；BIPER-4的兩條腿具有與人完全相同的自由度；而BIPER-5則與BIPER-3相似，但BIPER-5的所有儀器．如計算機(jī)等，都安裝在其本體上。 1982年，東京理工學(xué)院的Funabashi等人設(shè)計了一個名為MEG-2的兩足步行機(jī)器人，在該機(jī)器人的連桿機(jī)構(gòu)上安裝有重力和慣性力補(bǔ)償裝置。在1985年的實驗中，該機(jī)器人實現(xiàn)了高速步行。 此外，日本還有很多科學(xué)家和技術(shù)人員在8O年代也研制了一些兩足步行機(jī)器人。其中有的采用最優(yōu)調(diào)節(jié)器和數(shù)字控制理論來控制兩足步行機(jī)器人的運(yùn)動，有的用形狀記憶合金作為關(guān)節(jié)驅(qū)動器，而有的則是研究軌跡產(chǎn)生算法或試將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論用于步行機(jī)器人運(yùn)動控制。在1985年以前，樣機(jī)的研制主要是日本的科學(xué)家做出了突出的貢獻(xiàn)。 1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀分析 國內(nèi)雙足步行機(jī)器人的研制工作起步較晚，我國是從20世紀(jì)80年代開始雙足步行機(jī)器人領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的。1986年，我國開展了“七五”機(jī)器人攻關(guān)計劃，1987年，我國的“863”高技術(shù)計劃將機(jī)器人方面的研究開發(fā)列入其中。目前我國從事機(jī)器人研究與應(yīng)用開發(fā)的單位主要是高校和有關(guān)科研院所等。最初我國進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)研究的主要目的是跟蹤國際先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，隨后取得了一定的成就。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)自1986年開始研究雙足步行機(jī)器人，先研制成功靜態(tài)步行雙足機(jī)器人HIT-I，高 110cm，重70kg，有10個自由度，實現(xiàn)平地上的前進(jìn)、左右側(cè)行以及上下樓梯的運(yùn)動，步幅45cm，步速為10秒/步，后來又相繼研制成功了HIT-II和HIT-III，重42kg，高 103cm，有12個自由度，實現(xiàn)了步長24cm，步速2.3步每秒的步行。目前正在研制的HI下IV機(jī)器人，全身可有52個自由度，其在運(yùn)動速度和平衡性方面都優(yōu)于前三型行走機(jī)器人[3～7]。 國防科技大學(xué)在1988年春成功地研制了一臺平面型6自由度的雙足機(jī)器人KDW-1，它能前進(jìn)、后退和上下樓梯，最大步幅為40cm，步速為4步每秒，1989年又研制出空間型 KDW-II，有10個自由度，高69cm，重13kg實現(xiàn)進(jìn)退、上下臺階的靜態(tài)穩(wěn)定步行以及左右的準(zhǔn)動態(tài)步行。1990年在KDW-II的平臺上增加兩個垂直關(guān)節(jié)，發(fā)展成KDW-III，有12個自由度，具備了轉(zhuǎn)彎功能，實現(xiàn)了實驗室環(huán)境的全方位行走。1995年實現(xiàn)動態(tài)行走，步速0.8步每秒，步長為20cm～22cm，最大斜坡角度達(dá)13度。2000年底在KDW-III的基礎(chǔ)上研制成功我國首臺仿人形機(jī)器人“先行者”，動態(tài)步行，可在小偏差、不確定的環(huán)境行走，周期達(dá)每秒兩步，高1.4m，重20kg，有頭、眼、脖、身軀、雙臂、雙足，且具備一定的語言功能[8～13]。 上海交通大學(xué)于1999年研制的仿人形機(jī)器人SFHR，腿部和手臂分別有12和10個自由度，身體上有2個自由度。共有24個自由度，實現(xiàn)了周期3.8s，步長10cm的步行運(yùn)動。機(jī)器人本體上裝有2個單軸陀螺和一個三軸傾斜計，用于檢測機(jī)器人的姿態(tài)信息，并配備了富士通公司的主動視覺系統(tǒng)，是研究通用機(jī)器人學(xué)、多傳感器集成以及控制算法良好的實驗平臺。 北京理工大學(xué)在歸國博士黃強(qiáng)教授的帶領(lǐng)下，高起點地進(jìn)行仿人形機(jī)器人研究，于2002年12月通過驗收的仿人形機(jī)器人BHR-l，高 158cm，重76kg，32個自由度，步幅0.33m，步速每小時1公里。能夠根據(jù)自身力覺、平衡覺等感知機(jī)器人自身的平衡狀態(tài)和地面高度的變化，實現(xiàn)未知地面的穩(wěn)定行走和太極拳表演，使中國成為繼日本之后，第二個研制出無外接電纜行走，集感知、控制、驅(qū)動、電源和機(jī)構(gòu)于一體的高水平仿人形機(jī)器人國家。 此外，清華大學(xué)正在研制仿人形機(jī)器人THBIP-I，高1.7m，重130kg，32個自由度，在清華大學(xué)985計劃的支持下，項目也在不斷取得進(jìn)展。南京航空航天大學(xué)曾研制了一臺8自由度空間型雙足步行機(jī)器人，實現(xiàn)靜態(tài)步行功能[13,14]。 本課題源于“第一屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽”中兩足行走機(jī)器人。目前，機(jī)器人大多以輪子的形式實現(xiàn)行走功能階段。真正模仿人類用腿走路的機(jī)器人還不多，雖有一些六足、四足機(jī)器人涌現(xiàn)，但是兩足機(jī)器人還是鳳毛麟角。我們這個課題，探索設(shè)計僅靠巧妙的機(jī)械裝置和簡單的控制系統(tǒng)就能實現(xiàn)模擬人類行走的機(jī)器人。其分功能有：交替邁腿、搖頭、擺大臂、擺小臂。 2 雙足機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1 引言 兩足步行機(jī)器人是研究兩足步行的實驗對象，不同的兩足步行機(jī)器人在自由度、驅(qū)動方式、重量、高度、結(jié)構(gòu)特征等方面都存在很大的差異。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)不同，其控制方式也有所區(qū)別。為了對兩足步行機(jī)器人進(jìn)行深入的研究，使其實現(xiàn)預(yù)定的步行功能，必須對其機(jī)構(gòu)有深入的了解和認(rèn)識。 2.2 雙足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析 兩足步行機(jī)器人是對人類自身的模仿，但是人類總共有上肢52對，下肢62對，背部112對，胸部52對，腰部8對，頸部16對，頭部25對之多的肌肉。從目前的科學(xué)發(fā)展情況來看，要控制具有400個雙作用式促進(jìn)器的多變量系統(tǒng)是不可能的，因此，在設(shè)計步行機(jī)械時，人們只考慮移動的基本功能。例如，只考慮在平地或者具有已知障礙物的情況下的步行[15]。 鄭元芳博士從仿生學(xué)的角度對類人機(jī)器人的腿部自由度配置進(jìn)行了深入的研究，得出關(guān)節(jié)扭矩最小條件下兩足步行機(jī)器人的自由度配置。他認(rèn)為髖部和踝部設(shè)兩個自由度，可使機(jī)器人在不平地面上站立，髖部再加一個扭轉(zhuǎn)自由度，可改變行走方向，踝關(guān)節(jié)處加一個旋轉(zhuǎn)自由度可使腳板在不規(guī)則表面上落地，這樣機(jī)器人的腿部需要有7×2個自由度(髖關(guān)節(jié)3個，膝關(guān)節(jié)1個，踝關(guān)節(jié)3個)。 但是，無論現(xiàn)在的兩足步行機(jī)器人還是擬人機(jī)器人都還只能在規(guī)則路面上行走，所以各研究機(jī)構(gòu)都選擇了6×2個自由度(髖關(guān)節(jié)3個，膝關(guān)節(jié)1個，踝關(guān)節(jié)2個)，如:哈爾濱工業(yè)大學(xué)的HIT-III、國防科技大的“先行者”、本田公司的ASIMO和索尼公司的SDR和QRIO。 具有6×2個自由度的機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制都特別的復(fù)雜。按照在能完成研究目標(biāo)的情況下，自由度最少的設(shè)計原則，在過去的四十年中，為了不同的研究目標(biāo)，人們設(shè)計了許多具有不同自由度的兩足步行機(jī)器人，按照行走過程中的穩(wěn)定方式，兩足步行機(jī)器人一般分為三類: （1）靜態(tài)機(jī)器人，這類步行機(jī)器人的COM(Cenier of Mass)始終處于支撐哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文多邊形(單腳支撐期為支撐腳的輪廓線，雙腳支撐期為兩只腳的外邊沿所圍成的凸多邊形)內(nèi)，所以只能實現(xiàn)靜態(tài)行走。 （2）動態(tài)機(jī)器人，這類步行機(jī)器人有踝關(guān)節(jié)，依靠踝關(guān)節(jié)來保證它的ZMP點(Zero Momeni Cenier)始終處于支撐多邊形內(nèi)，所以可以實現(xiàn)靜態(tài)行走和動態(tài)行走。 （3）完全動態(tài)機(jī)器人，這類步行機(jī)器人的踝關(guān)節(jié)沒有驅(qū)動，甚至沒有踝關(guān)節(jié)。所以，支撐多邊形在單腳支撐期縮小成一個點，在雙腳支撐期縮小為一條線段，所以，這類機(jī)器人不能保持靜態(tài)平衡，只能實現(xiàn)動態(tài)行走。 下面，我們按照自由度數(shù)從少到多的原則，參考曾經(jīng)成功實現(xiàn)的兩足步行機(jī)器人模型，分析不同結(jié)構(gòu)的兩足步行機(jī)器人的特點。為了計算機(jī)器人的自由度，我們將采用以下原則：假設(shè)機(jī)器人固定于一端，考慮單腳支撐機(jī)器人開鏈結(jié)構(gòu)情況下的自由度。同時就機(jī)器人雙腳支撐閉鏈結(jié)構(gòu)情況下的冗余自由度進(jìn)行分析。自由度數(shù)最少的兩足步行機(jī)器人只有一個自由度，如圖2.1所示。 圖2.1這類機(jī)器人沒有軀干，兩條腿直接鉸鏈在一起。這類機(jī)器人理論上只有一個自由度，實際上，為了防止擺動腿擺動時和地面干涉，這兩條腿都必須是可以伸縮的。加上這兩個平移自由度，這個機(jī)器人實際上有3個自由度。它的運(yùn)動學(xué)模型是平面的，沒有側(cè)向運(yùn)動，在徑向平面內(nèi)的運(yùn)動象一個兩腳圓規(guī)。在雙腳支撐期，沒有冗余自由度。這類兩足步行機(jī)器人不能保持靜態(tài)平衡，屬于完全動態(tài)機(jī)器人，在僅受重力作用時，可以在斜面上行走。 圖2.1 一個自由度的兩足步行機(jī)器人 圖2.2表示的是有四個自由度的兩足步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。這類機(jī)器人由一個軀干和兩條變結(jié)構(gòu)的腿組成。這個機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型也是平面的，沒有側(cè)向運(yùn)動，為了防止側(cè)向傾倒，兩只固定在小腿上的腳在和徑向面垂直的方向上排列。徑向面內(nèi)的運(yùn)動包括5個連桿(軀干和兩條變結(jié)構(gòu)的腿)和4個自由度。這類機(jī)器人屬于完全動態(tài)機(jī)器人，它可以在水平面上沿直線行走幾步，然后就會因為擺動腿著地時的沖擊過大而跌倒。 圖2.2 四個自由度的兩足步行機(jī)器人 圖2.3表示的是具有八個自由度的兩足步行機(jī)器人。這類機(jī)器人由一個軀干和兩條腿組成，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)各有一個前向自由度，踝關(guān)節(jié)有一個前向自由度和一個側(cè)向旋轉(zhuǎn)自由度。它在側(cè)向面的運(yùn)動是一個倒立擺模型，像一個只有踝關(guān)節(jié)一個自由度的剛體，這個側(cè)向關(guān)節(jié)使它可以側(cè)向平衡。在徑向面的運(yùn)動包括7個連桿和6個關(guān)節(jié)。這類機(jī)器人可以在水平地面和斜坡上行走，并且可以上下樓梯。但是由于只有踝關(guān)節(jié)處的一個側(cè)向關(guān)節(jié)，所以對側(cè)向關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的性能和控制精度都要求較高，往往會側(cè)向傾倒。 圖2.3 八個自由度的兩足步行機(jī)器人 真正實現(xiàn)擬人行走的機(jī)器人是具有十二個自由度的兩足步行機(jī)器人，如圖2.4所示，這類機(jī)器人艘關(guān)節(jié)有3個自由度，膝關(guān)節(jié)有1個自由度，踝關(guān)節(jié)有2個自由度。在側(cè)向面內(nèi)的運(yùn)動包括5個連桿和4個自由度，在徑向面內(nèi)的運(yùn)動包括7個連桿和6個自由度。由于髖關(guān)節(jié)有繞豎直軸轉(zhuǎn)動的自由度，所以這類機(jī)器人可以轉(zhuǎn)彎。在雙足支撐期，這類步行機(jī)器人具有6個冗余自由度。這類兩足機(jī)器人屬于動態(tài)機(jī)器人，可以在普通的平整地面(塑料瓷磚、鋪砌地面或者草地)上和平整的斜坡上行走，還可以上下樓梯，側(cè)向行走，后退和轉(zhuǎn)彎。并且這類機(jī)器人可以方便地在上體增加胳膊和頭頸，已經(jīng)為研究者廣泛接受。 圖2.4 具有十二個自由度的兩足步行機(jī)器人 通過上面的分析，可以看出，兩足步行機(jī)器人是從完全動態(tài)機(jī)器人發(fā)展到動態(tài)機(jī)器人的。大部分兩足步行機(jī)器人在雙腳支撐期都可以順利地將重心從一只腳轉(zhuǎn)移到另一只腳。但是，相對地，在單足支撐期有許多問題，不管機(jī)器人結(jié)構(gòu)怎么樣，都受到擺動腿著地時的巨大的沖擊，從而無法保證側(cè)向的平衡，尤其是沒有膝關(guān)節(jié)的機(jī)器人。解決擺動腿著地時的沖擊是兩足步行機(jī)器人研究的一個重要的課題。 2.3雙足機(jī)器人的自由度配置 綜上所述，我們設(shè)計了一個取名(X-W-Robot)即XWR型的雙足步行機(jī)器人模型，如圖2.6所示。顯著的結(jié)構(gòu)特征就是采用多關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。行走機(jī)構(gòu)能實現(xiàn)平地前后行、爬斜坡等功能。動力源采用舵機(jī)直接驅(qū)動，這樣不但可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、傳動精度高以及大大增加關(guān)節(jié)所能達(dá)到的最大角度，而且驅(qū)動源全為電機(jī)，便于集中控制和程序化控制。 圖2.6 雙足步行機(jī)器人模型 圖2.6模仿人類，肩關(guān)節(jié)三個自由度，前向和側(cè)向自由度，一般不考慮轉(zhuǎn)動的自由度。肘關(guān)節(jié)兩個自由度前向和側(cè)向自由度，腕關(guān)節(jié)一個自由度。踝關(guān)節(jié)有兩個自由度，前向和側(cè)向自由度:膝關(guān)節(jié)只有一個前向自由度，髖關(guān)節(jié)處要模擬人類髖關(guān)節(jié)行為理論上要求有三個正交的自由度，但在機(jī)器人直線前進(jìn)時只需要正交的前向和側(cè)向自由度，同樣不考慮。關(guān)節(jié)編號如表2.1所示。 表2.1 機(jī)器人關(guān)節(jié)編號 關(guān)節(jié)標(biāo)號 對應(yīng)關(guān)節(jié) 運(yùn)動范圍／° 關(guān)節(jié)標(biāo)號 對應(yīng)關(guān)節(jié) 運(yùn)動范圍／° 1 左踝關(guān)節(jié)側(cè)向 －30～30 2 左踝關(guān)節(jié)前向 －30～30 3` 左膝關(guān)節(jié) －90～10 4 左髖關(guān)節(jié)前向 －30～80 5 左髖關(guān)節(jié)側(cè)向 －30～30 6 左腿轉(zhuǎn)彎關(guān)節(jié) －60～60 7 右腿轉(zhuǎn)彎關(guān)節(jié) －60～60 8 右髖關(guān)節(jié)側(cè)向 －30～30 9 右髖關(guān)節(jié)前向 －30～80 10 右膝關(guān)節(jié) －90～10 11 右踝關(guān)節(jié)前向 －30～0 12 右踝關(guān)節(jié)側(cè)向 －30～30 雙足步行機(jī)器人的一個主要問題就是雙足動態(tài)步行的固有不穩(wěn)定性。為了使其穩(wěn)定行走并能夠做靈活的仿人動作，機(jī)器人本體設(shè)計和行走步態(tài)規(guī)劃都很重要。在進(jìn)行機(jī)器人本體設(shè)計時需要著重考慮的問題有關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩的限制，主要機(jī)構(gòu)的剛度，擺動腿著地時沖擊載荷對機(jī)器人本體可能帶來的損壞，桿件間連接，機(jī)體重量、材料以及易于操作維修等等。 依據(jù)仿生學(xué)原理，肢體的設(shè)計長度要盡量與人的肢體長度比例相近，為了提高行走穩(wěn)定性，將機(jī)器人的兩足設(shè)計得較大。為了簡化運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)計算，踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)處采用雙關(guān)節(jié)交叉結(jié)構(gòu)，減弱了關(guān)節(jié)藕合程度及非線性，可以近似認(rèn)為前向平面與側(cè)向平面內(nèi)的運(yùn)動是解藕的。 材料的選取要本著重量輕，高剛度的原則。機(jī)器人本體主體材料選用鋁合金，這種材料重量輕、硬度高。 2.4 驅(qū)動方式的選擇和舵機(jī)工作原理 2.4.1 驅(qū)動方式的選擇 驅(qū)動器用于驅(qū)動機(jī)構(gòu)本體各關(guān)節(jié)的運(yùn)動功率。目前驅(qū)動方式主要有氣動、液壓和伺服電機(jī)。驅(qū)動器在雙足步行機(jī)器人中的作用就相當(dāng)于人體的肌肉，如果把連桿以及關(guān)節(jié)想象為機(jī)器人的骨骼，那么驅(qū)動器就起到肌肉的作用，它通過移動或轉(zhuǎn)動連桿來改變機(jī)器人的構(gòu)型。驅(qū)動器必須有足夠的功率對負(fù)載加速或者減速。同時，驅(qū)動器本身要精確、靈敏、輕便、經(jīng)濟(jì)、使用方便可靠且易于維護(hù)。 目前己經(jīng)有很多種驅(qū)動器，常用的有以下幾種: (1)電動機(jī):舵機(jī)、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、直接驅(qū)動電機(jī)； (2)液壓驅(qū)動器； (3)氣壓驅(qū)動器； (4)形狀記憶合金驅(qū)動器； (5)磁致伸縮驅(qū)動器等。 液壓驅(qū)動是由高精度的剛體和活塞一起完成的?；钊蛣傮w采用滑動配合，壓力油從液壓缸的一端進(jìn)入，把活塞推向液壓缸的另一端，調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)部活塞兩端的液體壓力和進(jìn)入液壓缸的油量即可控制活塞的運(yùn)動。以前在大型的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中，液壓系統(tǒng)使用非常普遍，它具有驅(qū)動力矩大，功率重量比較高，工作平穩(wěn)可靠，系統(tǒng)響應(yīng)速度快以及傳動中的力、速度、易于實現(xiàn)自動控制等特點;但是也存在成本高、重量大、工藝復(fù)雜以及可能發(fā)生泄漏甚至高溫爆炸等缺點，同時因其固有的笨重性，不宜用作雙足步行機(jī)器人的驅(qū)動器。 氣動具有成本低、控制簡單的特點。氣動裝置在原理上和液壓系統(tǒng)非常相似，它以壓縮空氣為氣源驅(qū)動氣缸做直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并用人工或電磁閥哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文進(jìn)行控制。氣動調(diào)節(jié)閥的制造精度要求沒有液壓元件高，易于高速控制，無污染，但由于位置控制困難，只能用于1/2自由度(受限的關(guān)節(jié)，被限定為幾個可能的值)的開關(guān)類型關(guān)節(jié)，實現(xiàn)插入、點位搬運(yùn)等簡單操作，并且其工作穩(wěn)定性差，壓縮空氣需要除水。液壓驅(qū)動與氣壓驅(qū)動不能實現(xiàn)自帶能源，更直接決定了其難于應(yīng)用到雙足步行機(jī)器人系統(tǒng)中。 步行機(jī)器人各個關(guān)節(jié)都是旋轉(zhuǎn)副。在廉價的計算機(jī)問世之前，控制旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的主要困難是計算量大，所以當(dāng)時認(rèn)為采用直線驅(qū)動方式比較好。今天，電機(jī)驅(qū)動和控制的費(fèi)用已經(jīng)大大降低，大功率晶體管己經(jīng)廣泛使用，只需要采用幾個晶體管就可以驅(qū)動一臺大功率伺服電機(jī)。同樣，微型計算機(jī)的價格也越來越便宜，計算機(jī)費(fèi)用在機(jī)器人總費(fèi)用中所占的比例大大降低。甚至在每個關(guān)節(jié)或自由度中都采用一個微處理器?；谏鲜龇治隹梢钥闯?，電機(jī)驅(qū)動具有成本低、精度高、易于控制、可靠且維修方便等特點，是最常用的機(jī)器人驅(qū)動器。 直接驅(qū)動電動機(jī)，形狀一記憶合金等驅(qū)動器目前還處于研究和開發(fā)階段，在不遠(yuǎn)的將來會變得非常有用。本雙足步行機(jī)器人采用舵機(jī)直接驅(qū)動。舵機(jī)是一種最早應(yīng)用在航模運(yùn)動中的動力裝置，它的控制信號是一個脈寬調(diào)制信號，所以很方便和數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行接口。只要能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的控制信號的數(shù)字設(shè)備都可以用來控制舵機(jī)，比如PLC、單片機(jī)等。而且舵機(jī)體積緊湊，便于安裝，輸出力矩大，穩(wěn)定性好，控制簡單，所以舵機(jī)己經(jīng)廣泛地應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域。 2.4.2 舵機(jī)的工作原理 機(jī)器人的動力來源都是舵機(jī)，機(jī)器人控制系統(tǒng)主要控制的對象就是舵機(jī)，對舵機(jī)必須有一個清華粗的認(rèn)識，舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動器，適用于那些需要角度不斷變化并具有保持力矩的控制系統(tǒng)。舵機(jī)的工作原理是：控制電路板接受來自信號線的控制信號，控制電動機(jī)轉(zhuǎn)動，電動機(jī)帶動一系列齒輪組，減速后傳動至輸出舵盤。多級的輸出軸和位置反饋電位器是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動的同時，帶動位置反饋電位器，電位器將輸出一個電壓信號到控制電路板，進(jìn)行反饋，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和速度，從而達(dá)到目標(biāo)停止。 控制信號由接受機(jī)的通道進(jìn)入信號調(diào)制芯片，獲得只留偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電動機(jī)驅(qū)動芯片，決定電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)讀一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動。舵機(jī)結(jié)構(gòu)由如下組成。 (1)電動機(jī)：為舵機(jī)提供動力。 (2)減速箱：將電動機(jī)的高轉(zhuǎn)速降低，并獲得打的轉(zhuǎn)矩。 (3)電位器：為系統(tǒng)提供輸出軸的反饋。 (4)電子控制板: 用來分析控制信號和反饋位置直接的關(guān)系，控制電動機(jī)正傳、反轉(zhuǎn)還是停機(jī)。 3 雙足行走機(jī)器人的3D圖 3.1 總體結(jié)構(gòu)PRO/E圖及實物圖 雙足行走機(jī)器人由42個鋁合金材質(zhì)的零件，17臺舵機(jī)，145個螺母螺栓，若干導(dǎo)線，和AVR控制板等組成，理論高約385mm，寬約242mm。 自由度從廣義上來說就是在某一方向上能夠旋轉(zhuǎn)或移動。它是機(jī)器人性能中的一個重要的參數(shù)，和舵機(jī)聯(lián)系在一起。一般來說，有多少個舵機(jī)就有多少個自由度。在設(shè)計機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)時，要考慮到機(jī)器人的仿人特點。在每個關(guān)節(jié)處都要設(shè)立自由度，那樣才能完成類似人的動作。 頭部僅一個自由度，轉(zhuǎn)動的自由度。肩關(guān)節(jié)三個自由度，前向和側(cè)向自由度，不考慮轉(zhuǎn)動的自由度。肘關(guān)節(jié)兩個自由度前向和側(cè)向自由度，腕關(guān)節(jié)一個自由度。踝關(guān)節(jié)有兩個自由度，前向和側(cè)向自由度:膝關(guān)節(jié)只有一個前向自由度，髖關(guān)節(jié)處要模擬人類髖關(guān)節(jié)行為理論上要求有三個正交的自由度，但在機(jī)器人直線前進(jìn)時只需要正交的前向和側(cè)向自由度，同樣不考慮。模型和實物見圖3.1、3.2和3.3所示。 (a) 雙足行走機(jī)器人正面PRO/E圖 (b) 雙足行走機(jī)器人正面實物圖 圖3.1 雙足行走機(jī)器人正面 (a) 雙足行走機(jī)器人反面PRO/E圖 (b) 雙足行走機(jī)器人反面實物圖 圖3.2 雙足行走機(jī)器人反面 圖3.3 雙足行走機(jī)器人側(cè)面 3.2 臂部結(jié)構(gòu)PRO/E及實物圖 雙足行走機(jī)器人臂部由6個零件，2臺舵機(jī)和若干螺釘導(dǎo)線組成，理論長約175mm，高約50mm。 上肢有6個自由度，分別是肩部兩個自由度和肘部一個自由度。肩部兩個自由度分別控制胳膊前后旋轉(zhuǎn)和上下擺動，肘部一個自由度控制上下擺動。 安裝前將舵機(jī)初始的角度設(shè)定在90°，這樣有利于上肢有擺動的余地。因此舵機(jī)最大角度是180°。當(dāng)把安裝角度設(shè)定在90°時，與配件相配合不會放生干涉，可以順利的完成簡單的甩大臂和甩小臂等動作。見圖3.4所示。 (a) 雙足行走機(jī)器人臂部PRO/E圖 (b) 雙足行走機(jī)器人臂部實物圖 圖3.4 雙足行走機(jī)器人臂部圖 3.3 部分零件PRO/E圖及實物圖 “輝盛”MG945舵機(jī)。如圖3.5所示。 圖3.5 舵機(jī) 此零件為鋁制，長55mm，寬50mm，高16mm。主要用于連接兩個舵機(jī)，中間2個孔用于連接圖3.7所示零件盒舵機(jī)。相對的3個孔是用來連接舵機(jī)的軸，其中單個孔是連接舵機(jī)軸，2個孔用來連接齒輪。如圖3.6所示。 (a) 雙足行走機(jī)器人臂部零件PRO/E圖 (b) 雙足行走機(jī)器人臂部零件實物圖 圖3.6 臂部零件 此零件為鋁制，長62mm，寬20mm，高32mm。如圖3.7所示。主要用于固定舵機(jī)，如圖3.7（b）所示。用4個螺栓使舵機(jī)緊緊的固定在此零件上。然后通過上面的零件和2個螺栓把圖3.7所示的兩個舵機(jī)連接在一起，組成了臂部的主體部分。 (a) 雙足行走機(jī)器人臂部零件PRO/E圖 (b) 雙足行走機(jī)器人臂部零件實物圖 圖3.7 臂部零件圖 手部零件如圖3.8所示。 圖3.8 手 4 雙足行走機(jī)器人的制作 4.1 機(jī)器人舵機(jī)的調(diào)制 為了表現(xiàn)機(jī)器人擬人特性，當(dāng)通電以后要讓機(jī)器人處于立正狀態(tài)也稱作初始位置（Homeposition）。初始位置是機(jī)器人類似于人類，在重力的作用下，正處于能量最低的消耗狀態(tài)。 每個機(jī)器人組裝完畢后，首先調(diào)試出的就是初始位置狀態(tài)。如圖3.1和如圖3.2分別是處于初始位置的正面和側(cè)面圖。 舵機(jī)的初始角度是在安裝時各個舵機(jī)所處的角度。一般的情況下，我們都將舵機(jī)調(diào)節(jié)為90°，這樣便于安裝。安裝時，我有這樣的體會：不讓胳膊處于伸直狀態(tài)，讓它處于垂下狀態(tài)和軀干上的舵機(jī)連接。如果這樣就會發(fā)現(xiàn)，剛安裝的胳膊不能夠舉過頭部，需要重新安裝。因為剛才安裝的兩個舵機(jī)發(fā)生了運(yùn)動干涉，各個舵機(jī)具有耦合關(guān)系，雖然兩個舵機(jī)均處于90°的狀態(tài)，但是安裝以后兩個舵機(jī)的活動空間發(fā)生了變化。 機(jī)器人的初始姿態(tài)是指將各個舵機(jī)連接在一起時機(jī)器人所處的姿態(tài)。在將胳膊和大腿與軀干連接時，舵機(jī)的初始角度都是90°，但是沒有按初始的姿態(tài)安裝，可能就會產(chǎn)生某一個舵機(jī)活動干涉，不能完成類人動作。 4.2 雙足行走機(jī)器人制作的前期工作 前期我們小組認(rèn)真查閱機(jī)器人的資料，我們分析了機(jī)器人所需的材料后，我們買了如下所需的材料。 （1）雙足行走機(jī)器人最主要的零件就是舵機(jī)，我們在南京購買到。如圖4.1所示。 圖4.1 “輝盛”MG945舵機(jī) “輝盛”MG945舵機(jī)參數(shù)如表4.1所示。 表4.1 “輝盛”MG945舵機(jī)參數(shù) 尺寸 重量 速度 扭力 使用電壓 40.8×9.9×37.3mm 56.3g 0.24sec/60度 12kg/cm 4.8V～7.2V （2） 鋁制板是在泰州購買到，長度為1.5m，寬度為0.4m，厚度約為1mm。還有所需若干螺栓螺母。我們還購買了若干工具。如尖嘴鉗、銼刀一套。 （3） 雙足行走機(jī)器人的零件是先畫了簡易的圖紙，去廠里拜訪了工人師傅一起完成了制作，主要是采用了線切割機(jī)進(jìn)行切割，然后在用折彎機(jī)精確做成零件。 4.3 機(jī)器人組裝 機(jī)器人的組織是將17臺舵機(jī)以搭積木的方式搭成人形。機(jī)體大部分是由舵機(jī)組成的，各個舵機(jī)之間是由一些板金件連接而成，組裝順序按如下7步順序。 （1） 用螺釘先將安裝的配件單個組裝。 （2） 用螺釘將配件和舵機(jī)組裝在一起，如圖4.1所示。注意在安裝腳部和臂部舵機(jī)時，首先將舵機(jī)的外殼放在里面，然后將舵機(jī)的數(shù)據(jù)線從配件的側(cè)面方孔穿過。 圖4.1 小臂 （3） 組裝機(jī)器人的兩個上肢，每個上肢有2個舵機(jī)組成，具有2個自由度，如圖4.2所示。安裝前將舵機(jī)初始的角度設(shè)定在90°，這樣有利于上肢有擺動的余地。因此舵機(jī)最大角度是180°。當(dāng)把安裝角度設(shè)定在90°時，與配件相配合不會發(fā)生干涉，能完成一些簡單的甩大臂和甩小臂等動作。 圖4.2 臂部 （4） 組裝機(jī)器人的兩個下肢，每個下肢有4個人舵機(jī)組成，如圖4.3所示。組裝機(jī)器人的軀干，由4個舵機(jī)組成，控制胳膊前后旋轉(zhuǎn)和大腿左右擺動。 圖4.3 腿部 （5） 組裝機(jī)器人的軀干，由4個舵機(jī)組成，具有4個自由度如圖4.3所示。安裝前將舵機(jī)初始的角度設(shè)定在90°，在安裝時，先從一面開始安裝，這樣有利于緊固螺釘。此處由于受到空間的限制，操作比較困難，那么在安裝時一定要注意緊固每個螺釘。 圖4.3 軀干 （6） 安裝機(jī)器人頭。先將上肢兩個舵機(jī)和機(jī)器頭舵機(jī)的數(shù)據(jù)放在好，這樣有利于整體布置數(shù)據(jù)。然后用4個螺釘緊固住。 （7） 組裝成一個整體，分別將上肢與軀干連接在一起。注意安裝時，大腿是處于并攏狀態(tài)，胳膊處于伸直狀態(tài)。 在組裝前，首先要有整體的布局，然后再分步組裝。 組裝好了實物后，此機(jī)器人能簡單的完成向搖頭、前行走、向后行走、甩大臂和甩小臂燈運(yùn)動，但是還不能在有障礙物的地面、不平整的地面上行走走。機(jī)器人在運(yùn)動時機(jī)器人自身的穩(wěn)定性還不怎么好，還需要更好的優(yōu)化結(jié)構(gòu)和選擇更好的材料，使機(jī)器人的穩(wěn)定性更好。 結(jié)束語 兩足機(jī)器人的研制開始于本世紀(jì)60年代末，雖然只有四十多年的歷史。然而，兩足機(jī)器人的研究工作進(jìn)展迅速，國內(nèi)外許多學(xué)者正從事于這一領(lǐng)域的研究，如今已成為機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的主要研究方向之一。 本章首先介紹了兩足行走機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和制作過程，此雙足行走機(jī)器人能簡單的實現(xiàn)前后運(yùn)動，甩大臂，甩小臂等運(yùn)動。 在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)進(jìn)行以下研究: 復(fù)雜運(yùn)動的實現(xiàn):規(guī)劃出仿人機(jī)器人在快速動態(tài)步行中拐彎、乃至跑動和起跳的步態(tài)。轉(zhuǎn)彎動作的步態(tài)規(guī)劃應(yīng)考慮兩個垂直平面的禍合作用，還應(yīng)考慮擺動腳的沖擊。奔跑時，由于擺動腳離地時速度較高，所以帶來的沖擊也比較大，可以考慮采取在腳底板加軟墊以及減小機(jī)器人的質(zhì)心在豎直方向的變化幅度、快慢等措施來減小沖擊。 本文所提出的機(jī)器人可以實現(xiàn)幾個簡單的運(yùn)動，但考慮到時間緊促，還不是很完善。比如結(jié)構(gòu)方面還不是非常堅固和牢靠，有待進(jìn)行更加完善；在用軟件控制時，軟件還不是那么穩(wěn)定，有時會互相干擾；還有在穩(wěn)定性方面還不是做的很好，還需改進(jìn)設(shè)計和零件的進(jìn)一步精確等。在實際制作中，還要根據(jù)實際情況修改己有的理論。 在這3個月來我們小組在知道老師劉老師的指導(dǎo)和幫助下，大家齊心協(xié)力，共同努力，為了同一個目標(biāo)奮斗。在這之間我學(xué)會了在團(tuán)隊里相互合作，使自己得到了鍛煉，我相信會使我受益匪淺。 致 謝 在即將完成畢業(yè)設(shè)計階段的學(xué)習(xí)之際，我首先特別感謝導(dǎo)師劉艷老師1年來對我的無限關(guān)懷和悉心指導(dǎo)。尤其在我最需要幫助的時候，導(dǎo)師給予我方方面面的照顧，使我能夠順利完成學(xué)業(yè)。留言老師嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實的工作作風(fēng)、精益求精的治學(xué)態(tài)度、循循善誘的悉心教導(dǎo)，使我受益非淺、能夠?qū)W有所成;不僅學(xué)到了許多知識，更重要的是學(xué)到了思考問題、解決問題的方法及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度。論文研究工作的完成，不僅是我的辛勞付出，同時也傾注了導(dǎo)師的心血與關(guān)懷。在此向?qū)熈粞岳蠋熤乱灾孕牡母兄x! 同時感謝所有關(guān)心、愛護(hù)、和幫助我的老師、同學(xué)和朋友們，感謝一起共同學(xué)習(xí)組友許峰、黃俊、徐昕晏、吳玉坤對我的幫助。 最后，謹(jǐn)將此文獻(xiàn)給養(yǎng)育我健康成長的父母，感謝他們多年來在生活上、精神上、物質(zhì)上給予我的支持、關(guān)心和鼓勵，謝謝他們的付出和為我所做的一切。 參 考 文 獻(xiàn) [1] 張永學(xué). 雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃及步行控制研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文. 2001. 1～60. 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