兩足步行機器人綜合設計計算說明書

1、PAGE PAGE 67兩足步行機機器人設計說明書書姓名： 學號：班級： 指導老師： 20012年66月目 錄錄TOC o 1-4 h z u HYPERLINK l _Toc327401329 第1章 問題的提提出 PAGEREF _Toc327401329 h 1 HYPERLINK l _Toc327401330 1.1設計計背景 PAGEREF _Toc327401330 h 1 HYPERLINK l _Toc327401331 1.2課題題的研究意意義與應用用前景 PAGEREF _Toc327401331 h 1 HYPERLINK l _Toc327401332 1.3主要要設

2、計思想想 PAGEREF _Toc327401332 h 2 HYPERLINK l _Toc327401333 第2章 設計要求求與設計數(shù)數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc327401333 h 3 HYPERLINK l _Toc327401334 2.1高度度的設置 PAGEREF _Toc327401334 h 3 HYPERLINK l _Toc327401335 2.2自由由度的設置置 PAGEREF _Toc327401335 h 5 HYPERLINK l _Toc327401336 2.3各關關節(jié)活動范范圍的確定定 PAGEREF _Toc327401336 h 6 HYPERL

3、INK l _Toc327401337 2.3.11髖關節(jié)的的運動 PAGEREF _Toc327401337 h 6 HYPERLINK l _Toc327401338 2.3.22膝關節(jié)的的運動 PAGEREF _Toc327401338 h 6 HYPERLINK l _Toc327401339 2.3.33踝關節(jié)的的運動 PAGEREF _Toc327401339 h 7 HYPERLINK l _Toc327401340 2.4關節(jié)節(jié)驅動方式式的選擇 PAGEREF _Toc327401340 h 7 HYPERLINK l _Toc327401341 第3章 機構選型型設計 PAG

4、EREF _Toc327401341 h 8 HYPERLINK l _Toc327401342 3.1兩足足步行機器器人機構設設計 PAGEREF _Toc327401342 h 8 HYPERLINK l _Toc327401343 3.1.11腿部機構構設計簡圖圖： PAGEREF _Toc327401343 h 8 HYPERLINK l _Toc327401344 3.1.22手臂機構構設計 PAGEREF _Toc327401344 h 13 HYPERLINK l _Toc327401345 3.2設計計方案的評評價與選擇擇 PAGEREF _Toc327401345 h 13

5、HYPERLINK l _Toc327401346 3.2.11 腿部方方案的評價價與選擇 PAGEREF _Toc327401346 h 13 HYPERLINK l _Toc3274013347 3.2.2手臂方方案的評價價與選擇 PAGEREF _Toc327401347 h 15 HYPERLINK l _Toc327401348 第4章 機構尺度度綜合 PAGEREF _Toc327401348 h 15 HYPERLINK l _Toc327401349 4.1凸輪輪的尺寸設設計 PAGEREF _Toc327401349 h 15 HYPERLINK l _Toc32740135

6、0 4.1.11臀部凸輪輪設計 PAGEREF _Toc327401350 h 15 HYPERLINK l _Toc327401351 4.1.22膝關節(jié)凸凸輪設計 PAGEREF _Toc327401351 h 20 HYPERLINK l _Toc327401352 4.2平面面連桿機構構的尺寸設設計 PAGEREF _Toc327401352 h 24 HYPERLINK l _Toc327401353 4.2.11手臂平面面連桿機構構運動規(guī)律律分析 PAGEREF _Toc327401353 h 24 HYPERLINK l _Toc327401354 4.2.22手臂平面面連桿機構

7、構尺寸設計計與計算 PAGEREF _Toc327401354 h 25 HYPERLINK l _Toc327401355 第5章 機構運動動及動力分分析 PAGEREF _Toc327401355 h 27 HYPERLINK l _Toc327401356 5.1動態(tài)態(tài)靜力分析析 PAGEREF _Toc327401356 h 27 HYPERLINK l _Toc327401360 5.2運動動仿真分析析集成28 HYPERLINK l _Toc327401361 5.2.11腳尖分析29 HYPERLINK l _Toc327401362 5.2.22手臂分析 PAGEREF _To

8、c327401362 h 33 HYPERLINK l _Toc327401364 第6章 結論 PAGEREF _Toc327401364 h 36 HYPERLINK l _Toc327401365 6.1兩足足步行機器器人機構特特點 PAGEREF _Toc327401365 h 36 HYPERLINK l _Toc327401366 6.2設計計的主要特特點 PAGEREF _Toc327401366 h 36 HYPERLINK l _Toc327401367 6.3 設設計結果 PAGEREF _Toc327401367 h 37 HYPERLINK l _Toc32740136

9、8 第7章 收獲與體體會 PAGEREF _Toc327401368 h 37 HYPERLINK l _Toc327401369 第8章 致謝 PAGEREF _Toc327401369 h 38 HYPERLINK l _Toc327401370 參考文獻 PAGEREF _Toc327401370 h 38 HYPERLINK l _Toc327401371 附錄1440 HYPERLINK l _Toc327401372 附錄二 PAGEREF _Toc327401372 h 660 HYPERLINK l _Toc327401373 附錄三 PAGEREF _Toc327401373

10、 h 663第1章 問題的提提出1.1設計計背景類人機器人人一直是機機器人領域域的研究熱熱點，是目目前科技發(fā)發(fā)展最活躍躍的領域之之一。當前機器器人的移動動方式主要要是四種，分分別是：輪輪式、履帶帶式、步行行、爬行。世界著名名機器人學學專家、日日本早稻田田大學的加加藤一郎教教授說過：“機器人應應當具有的的最大特征征之一是步步行功能”。這是因因為，步行行有其它移移動方式所所無法比擬擬的優(yōu)越性性。其優(yōu)點點主要表現(xiàn)現(xiàn)在如下兩兩個方面：首先，兩足足步行機器器人具有較較強的越障障能力，相相比輪式和和履帶式更更能通過不不平整、不不規(guī)則的路路面，減少少了移動盲盲區(qū)，擴大大了運動范范圍。其次，兩足足步行機器器人

11、的能耗耗小，與其其他足式機機器人相比比具有體積積小、重量量輕、動作作靈活等特特點，同時時能夠取代代人類從而而將人類從從工作環(huán)境境對人體有有害或者高強度度、長時間間、高重復復性的勞動動中解脫出出來，因而而具有廣闊闊的應用前前景和重要要的研究意意義。雙足行走是是類人機器器人最基本本也是最難難實現(xiàn)的功功能，因此此以實現(xiàn)雙雙足步行為為目標的兩兩足步行機機器人研究究是智能型型類人機器器人研究的的基礎，而實現(xiàn)機器器人的穩(wěn)步步行走更是兩足步步行機器人人研究中的的首要任務務。同時雙足足機器人的的研究對機機器人的機機械結構及及驅動裝置置提出了許許多特殊要要求，將導導致傳統(tǒng)機機械的重大大變革，是是工程上少少有的多

12、自自由度系統(tǒng)統(tǒng)。那么設計這這樣一個純純機構的兩兩足步行機機器人將在在很大程度度上滿足現(xiàn)現(xiàn)代人類發(fā)發(fā)展需求，一一方面可實實現(xiàn)基礎機機械式多自自由度穩(wěn)步步步行，另另一方面降降低能耗、減小體積積、延長使使用壽命， 具有廣泛泛而重要的的意義。1.2課題題的研究意意義與應用用前景目前國內外外對雙足步步行機器人人的研究已已經到了較較成熟的領領域，應用用前景也更更加廣闊，應應用領域主主要有：1為殘疾疾人（下肢肢癱瘓者或或截肢者）提提供室內和和戶外行走走工具。利利用人工假假腿、腿椅椅或步行座座椅盡可能能使殘疾人人恢復正常常行走功能能，減少對對他人的依依賴。2極限環(huán)環(huán)境下代替替人工作業(yè)業(yè)，核電站內內的監(jiān)視和和維

13、護作業(yè)業(yè)，遙控救救災、滅火火，爆炸物物的處置（如如探雷、排排雷等）等等。 3在教育育、藝術和和大眾服務務行業(yè)等領領域都有著著潛在而廣廣闊的應用用前景。娛娛樂機器人人，可作為為人類同伴伴的機器人人是發(fā)展的的新方向，這這將使雙足足機器人逐逐漸走向普普通居民中中。為了更好的的了解人類類的行走機機理，也為為了日后為為下肢癱患患者提供理理想的假肢肢，以及為為方便人類類出行的自自動兩足步步行椅提供供理論基礎礎，本論文文致力于研研究雙足步步行機器人人的行走規(guī)規(guī)律、傳動動機理并用用機械結構構加簡單的的控制來模模擬人類的的行走，并并通過研究究和模擬步步行更好地地分析和探探討步行機機器人。兩足步行機機器人的機機械

14、本體機機構與步態(tài)態(tài)規(guī)劃是實實現(xiàn)機器人人穩(wěn)定行走走的基礎，因因此，以實實現(xiàn)具有基基本行走功功能的兩足足步行機器器人的研究對對于研制節(jié)節(jié)能型、智智能型類人人機器人具具有重要的的理論價值值。 1.3主要要設計思想想雙足步行機機器人具有有多關節(jié)、多驅動器器、多自由由度的特點點，其自由由度的設置置、各關節(jié)節(jié)的活動范范圍直接影影響機器人人外在美觀觀、行走方方式、活動動范圍、建建模方式、步態(tài)態(tài)規(guī)劃以及及控制方案案等。機構設計：設計出模模擬人體步步行的機構構,步行的的復雜程度度直接控制制了機構的的難易程度度,用純機機械的機構構來實現(xiàn)較較難的人體體行走過程程,必然會會有很大的的誤差,但但我們一致致追求機構構的盡

15、量精精確和逼真真,研究自自己行走時時的各個過過程,下圖圖是我們得得出的人行行走時的幾幾個主要過過程:圖1-1 人體步行行主要過程程如上圖所示示,步行主主要有七個個過程,由由左右腿相相互交替邁邁腿,收腿腿,達到向向前走的目目的。第2章 設計要求求與設計數(shù)數(shù)據(jù) 一個兩足足步行機器器人除了滿滿足可向前前行走的基基本要求，還還必須具有有一定的穩(wěn)穩(wěn)定性、方方便性、安安全性。針針對這些性性能要求，進進行了機器器人高度、自由度、各關節(jié)活活動范圍、關節(jié)驅動動方式的選選擇的討論論和設計分分析。2.1高度度的設置兩足步行機機器人的高高度選擇（包包括各部分分高度）對對于步行穩(wěn)穩(wěn)定十分重重要。高度過高，重重心也隨之之

16、過高，穩(wěn)穩(wěn)定性減小??；而如果果高度過低低，人坐在在上面腳會會拖在地上上。為了達達到可推廣廣水平，按按照中華人人民共和國國國家標準準GB/TT53977519983進行行設計，其其中人體基基本測量項項目達577個，就其其類別而言言可分為：高度：即在在人體的上上、下方向向測量的高高度；長度：直線線長度指兩兩測點之間間的直線距距離，曲線線長度指沿沿人體表面面過測點的的曲線圍長長；寬度：測量量頭部、面面部和軀干干部時，寬寬度指在左左、右方向向上對稱的的兩個測點點之間的直直線距離；測量上肢肢時，寬度度指繞骨側側的兩個測測量點之間間的距離；測量下肢肢時，寬度度指脛骨側側和腓骨側側的兩個測測量點之間間的直線

17、距距離；厚度：指人人體前、后后方向上，兩兩個測量點點之間的直直線距離；圍經：指通通過或經過過人體某一一部位上的的測量點圍圍長。目前，國內內在人機工工程方面所所采取的人人體尺寸數(shù)數(shù)據(jù)均來自自“中國成年年人人體尺尺寸”（GB10000088），是是由國家技技術監(jiān)督局局發(fā)行，反反映了我國國不同地區(qū)區(qū)的人體尺尺寸差異。由于數(shù)據(jù)據(jù)本身沒有有提供足夠夠的三維信信息，這就就決定了在在某種意義義上，我們們根據(jù)其建建立的三維維人體模型型只能是一一種簡化的的模型。我我們引用并并參考與機機器人設計計密切關系系的人體數(shù)數(shù)據(jù)。(一) 人人體主要尺尺寸人體主要尺尺寸包括：身高、體體重、上臂臂長、前臂臂長、大腿腿長、小腿腿

18、長共六項項。表2-1列出了了我國成年年人的人體體主要尺寸寸。表2-1 我國成成年人人體體主要尺寸寸百分比數(shù) 年年齡分組測量項目男（1860）女（1855）5 50 900 955 50 900 951.1身高高/mm1583 16778 11754 177751484 15570 16440 165991.2體重重/kg48 59 770 75542 522 63 711.3上臂臂長/mmm289 3133 3333 3338262 2884 3033 33021.4前臂臂長/mmm216 2377 2253 2558193 2133 229 22341.5大腿腿長/mmm428 4655 4

19、496 5005402 4388 467 47761.6小腿腿長/mmm338 3699 3396 4003313 3444 370 3775 (二) 人人體水平尺尺寸人體水平尺尺寸包括：胸厚、肩肩寬、最大大肩寬、臀臀寬和坐姿姿臀寬。表2-2 我國成成年人的人人體水平尺尺寸年齡分組百分位數(shù)測量項目男（1860）女（1855）5 550 90 9955 50 900 952.1胸厚厚/mm186 2122 2237 2455 170 1999 2230 23992.2肩寬寬/mm344 3755 3397 4033320 3511 3371 37772.3最大大肩寬/mmm398 4311 44

20、60 4699363 3977 4428 43882.4臀寬寬/mm282 3066 3327 3344290 3177 3340 34662.5坐姿姿臀寬/mmm285 3211 3347 3555310 3444 3374 3822這是以某種種人體尺寸寸極限作為為設計參數(shù)數(shù)的設計原原則：設計計的最大尺尺寸參考選選擇人體尺尺寸的低百百分位，設設計的最小小尺寸參考考選擇人體體尺寸的高高百分位；受人體伸伸及度限制制的尺寸應應該根據(jù)低低百分位確確定，受人人體屈曲限限制的尺寸寸應該根據(jù)據(jù)高百分位位確定。由以上參考考資料確定定其機器人人的尺寸：正常的成年年人身高大大概在1770cm到到190ccm之間

21、，其其下肢高度度大概1000cm到到120ccm間，踝踝關節(jié)到地地面、膝關關節(jié)到踝關關節(jié)、髖關關節(jié)到膝關關節(jié)的距離離分別大約約是5cmm、40550cm、50660cm。兩足步行機機器人的高高度選擇（包包括各部分分高度）對對于步行穩(wěn)穩(wěn)定十分重重要。高度過高，重重心也隨之之過高，穩(wěn)穩(wěn)定性減小??；而如果果高度過低低，如果設設計的是步步行椅，人人坐在上面面腳會拖在在地上。參參考上述人人體身高數(shù)數(shù)據(jù)，以及及現(xiàn)有兩足足步行機器器人，確定定兩足步行行機器人的的總高度（距距地面）為為180cm左右右，其中大大腿和小腿腿分別為550和400cm，踝關關節(jié)高度為為15cmm。2.2自由由度的設置置 兩足足步行機

22、器器人應盡可可能模仿人人類雙腿可可以完成的的動作，而而這其中的的一個重點點就是如何何設置機器器人的自由由度。人的的下肢是一一個復雜的的運動系統(tǒng)統(tǒng)，依靠下下肢二百多多對肌肉、三十多塊塊骨骼，能能夠完成十十分復雜的的協(xié)調動作作。人所能能實現(xiàn)的動動作是包括括靈長類動動物在內的的兩足類行行走動物中中最完美的的。在長期期進化過程程中，人體體的關節(jié)已已經至臻完完美，結構構簡單而又又相當靈活活。美國CClemsson 大大學鄭元芳芳博士曾經經撰文分析析兩足步行行機器人腿腿部的自由由度配置問問題，他認認為兩足步步行機器人人能完成步步行所需的的自由度每每條腿最少少為4 個，而而如果要達達到類似人人類步行的的程度

23、則每每條腿需要要8 個，即即髖關節(jié)33 個、膝膝關節(jié)1 個、踝關關節(jié)3 個、腳腳部1 個（類類似腳趾）。但是，目目前絕大多多數(shù)以有的的兩足步行行機器人都都采用的是是6 自由度度的設計，如如哈爾濱工工業(yè)大學的的HIT-III、國防科技技大學的“先行者”、本田公公司的ASSIMO 和HRP 以及前文文所述豐田田公司的ii-fooot。絕大多數(shù)步步行機器人人采用122自由度設設計。這類類機器人髖髖關節(jié)具有有3 個自由由度，膝關關節(jié)具有11 個自由由度，踝關關節(jié)具有22 個自由由度，可以以實現(xiàn)前向向運動和側側向運動。而且由于于髖關節(jié)具具有旋轉自自由度，所所以這類機機器人可以以轉彎。這這類機器人人可以在

24、水水平地面和和傾斜地面面行走，可可以實現(xiàn)上上下樓梯以以及轉彎、后退等動動作。這類類機器人和和人類的兩兩腿已經十十分類似。如圖2-2所示：圖2-1 具有12個自由由度的兩足足步行機器器人 鑒鑒于純機構構確定122個自由度度的兩足步步行機器人人有難度，我我們初步決決定采用66自由度的的步行機器器人。另外，加上上手臂的甩甩動動作，賦賦予肩部一一個pittch方向向的運動自自由度，因因此總共是是8自由度度的步行機機器人。2.3各關關節(jié)活動范范圍的確定定兩足步行機機器人的目目的是模仿仿人類步行行運動，因因此兩足步步行機器人人各關節(jié)的的運動范圍圍應該和人人類基本相相同。在設設計兩足步步行之前，應應先確定人

25、人體下肢各各關節(jié)的活活動范圍。2.3.11髖關節(jié)的的運動人體的髖關關節(jié)是由髖髖骨的髖臼臼和股骨的的股骨頭構構成，類似似于球關節(jié)節(jié)，共有三三個轉動軸軸，三個轉轉動自由度度。本設計僅限限于平地步步行，故初初步設定為為一個轉動動自由度，即即大腿的抬抬升和下降降。2.3.22膝關節(jié)的的運動人體的膝關關節(jié)是由股股骨的內外外側髖的關關節(jié)面和脛脛骨的內外外側踝的上上關節(jié)面既既髖骨的后后關節(jié)面構構成的。膝膝關節(jié)僅有有一個轉動動軸，具有有一個轉動動自度，即即大腿和小小腿的連接接部分膝蓋蓋控制的屈屈伸動作。2.3.33踝關節(jié)的的運動人體的踝關關節(jié)其實是是足關節(jié)的的一個組成成部分，近近似一個球球關節(jié)，具具有三個轉轉

26、動軸，三三個轉動自自由度。同同理，我們們僅僅只考考慮平地步步行的狀態(tài)態(tài)，設定踝踝關節(jié)只有有一個轉動動自由度，即即適應地面面時的轉動動動作。兩足步行機機器人各關關節(jié)活動范范圍和人體體不完全相相同。這主主要是由于于以電機作作為驅動的的機器人關關節(jié)的靈活活性要比人人類的關節(jié)節(jié)差很多，因因此兩足步步行機器人人的關節(jié)活活動范圍要要比人體略略大。參考考已有的一一些兩足步步行機器人人關節(jié)運動動范圍，確確定兩足步步行機器人人各關節(jié)的的運動范圍圍如表2-3、2-4 所示。表2-3 人體各關關節(jié)運動范范圍髖關節(jié)Yaw-45到到45Roll-45到到20Pitchh-125到15膝關節(jié)Pitchh0到1330踝關節(jié)

27、Pitchh-45到到20Roll-20到到30表2-4 兩足步行行機器人各各關節(jié)運動動范圍關節(jié)活動范圍髖關節(jié)-100到40膝關節(jié)0到500踝關節(jié)-20到到35肩關節(jié)0到3002.4關節(jié)節(jié)驅動方式式的選擇 目目前機器人人關節(jié)的驅驅動方式主主要有氣動動、液動和和伺服電機機。驅動部部件在兩足足步行椅機機器人中的的作用相當當于人體的的肌肉，如如果把連桿桿以及關節(jié)節(jié)想象成機器器人的骨骼骼，那么驅驅動器就起起到了肌肉肉的作用。 兩足步行行機器人各各個關節(jié)都都是轉動副副，主要是是實現(xiàn)相對對回轉或者者擺動。而而大多數(shù)電電機正是實實現(xiàn)旋轉運運動的。故故初步確定定采用電機機提供原動動力，靠機機械機構傳傳遞動力。

28、第3章 機構選型型設計3.1兩足足步行機器器人機構設設計3.1.11腿部機構設設計簡圖： 方案一: 滑塊連動動機構此方案的特特點是小腿腿的伸縮轉轉動是由大大腿控制的的，區(qū)別方方案一的是是小腿大腿腿沒有分開開控制，由由連動控制制，另一特特點是大腿腿的伸縮又又是由大腿腿的轉動角角度控制的的，如下圖圖：圖3-1 機器人人大小腿聯(lián)聯(lián)動控制圖3-2 臀部和和大腿連接接部分圖3-3 機器人人膝關節(jié)機機構簡圖圖中F框表表示機器人人的臀部，GG框表示大大腿，鉸鏈鏈A固結在在F上，用用以連接大大腿和臀部部，鉸鏈CC和D固結結在G上，滑滑塊B軸心心固結在FF上，當大大腿繞A點點逆時針轉轉動時（即即大腿往前前伸），

29、CBH變變大，此時時滑塊B下下滑，又由由于BE桿桿的作用，使使得點E逆逆時針轉動動，那么桿桿EDF也也繞點D轉轉動，此時時F繞點DD順時針轉轉動，由處的球形形鉸可以控控制桿(即小腿)繞點逆逆時針轉動動，實現(xiàn)小小腿的往前前伸。方案二：采采用凸輪機機構利用凸輪的的運動規(guī)律律，設計凸凸輪輪廓曲曲線來較準準確的控制制機構的運運動路線，此此方案分別別對大腿和和小腿的不不同運動特特點采用不不同的凸輪輪輪廓曲線線，使運動動更形象逼逼真，而凸凸輪又靠電電機來帶動動，用這種種方法來實實現(xiàn)機器人人的行走。以下幾圖圖為此方案案的機構簡簡圖：圖3-4 機器人人單邊腿部部的機構簡簡圖該圖即為機機器人單邊邊腿部的機機構簡

30、圖，分分別用了22個凸輪機機構，4個個滑塊機構構，9個活活動構件，111個低副副，2個高高副和2個個虛約束。圖3-5 機器人人臀部機構構上圖方框表表示機器人人臀部部分分，凸輪轉轉動中心、橫向滑桿桿和兩個機機架都固定定在臀部上上，B處圓圓是與凸輪輪相切的圓圓柱，用來來控制橫向向滑塊的前前進和后退退，A桿是是大腿的簡簡圖，一端端插在B處處的一個滑滑塊上，同同時與C處處的鉸鏈相相接，用以以固定大腿腿和臀部的的連接，另另一端連接接小腿部分分，如下圖圖：圖3-6 機器人膝膝關節(jié)的機機構簡圖上圖即為大大腿和小腿腿連接部分分，即膝關關節(jié)部分，橫橫桿G焊接接在大腿AA桿上，用用以固定凸凸輪和虛線線處的橫向向滑

31、桿，EE桿為小腿腿簡圖，F(xiàn)F處的鉸鏈鏈用以連接接小腿和大大腿，使小小腿能繞大大腿旋轉，EE桿一端與與滑塊連接接用以控制制小腿的轉轉動角度，另另一端連接接腳掌，如如下圖：圖3-7 機器人人的腳掌機機構簡圖 3.1.22手臂機構設設計由于手臂的的運動過程程很簡單，也也不是我們們的主要研研究對象，因因此我們僅僅設計出一一種合適的的方案，用用以配合腿腿部的機構構進行仿真真，因此手手臂機構簡簡圖如下：圖3-8 手臂平面面連桿機構構簡圖圖中AD桿桿即為機器器人手臂，滑滑塊B的滑滑槽設置在在機器人臀臀部，滑塊塊B的移動動靠臀部處處的大凸輪輪帶動，從從而使得點點E繞點AA轉動，即即手臂繞點點A轉動，實實現(xiàn)了手

32、臂臂和腿部運運動的同時時性，并且且不會出現(xiàn)現(xiàn)同手同腳腳的情況，使使得機器人人的步行更更加逼真。3.2設計計方案的評評價與選擇擇 3.2.1 腿部部方案的評評價與選擇擇 方方案一的設設計思路就就是想讓小小腿由大腿腿控制，產產生連動的的效果，因因此方案一一充分運用用連桿和滑滑塊機構，將將大腿的轉轉動角度轉轉化為控制制小腿的主主要參數(shù)，角角度越大小小腿彎曲程程度越大，即即實現(xiàn)了大大腿和小腿腿的連動，并并將小腿的的主控參數(shù)數(shù)巧妙的設設置成了角角度的變化化。其中的的一大特點點是利用了了一個球形形鉸鏈，能能夠同時控控制小腿的的前伸和后后退。 但但方案一的的一大缺點點就是運動動太受限制制，角度只只有增加和和

33、減少，從從而小腿只只有前伸和和后退，關關鍵是角度度和小腿都都是同時對對應的運動動，不能達達到一些復復雜的過程程（如圖33-9），造成行行走很格式式僵硬化，不不夠貼切現(xiàn)現(xiàn)實人們的的步行特點點，對比圖圖如下：圖3-9 方案一行行走特點方案二考慮慮了方案一一的弊端，對對各種機構構進行了理理論分析，決決定用凸輪輪結構來控控制大小腿腿的運動情情況。由于于方案一的的經驗，大大小腿的連連動必然會會導致機器器人行走的的僵硬化，不不夠真實，因因此就分別別采用2個個凸輪來對對大小腿進進行控制，由由于凸輪的的運動規(guī)律律特性，可可以利用凸凸輪的推程程、遠修止止過程、回回程、以及及近休止過過程與機器器人腿部的的各個過程

34、程向對應，比比如控制小小腿時，可可以將控制制小腿的凸凸輪遠休止止角與大腿腿和小腿同同時回退的的過程相對對應，這樣樣使得另一一只腿部伸伸出時這邊邊的腿部保保持直線，如如此往復，就就達到了機機器人的往往前行走，如如下圖：圖3-100 方案二行行走特點通過對方案案一二的綜綜合分析還還考慮，建建立了綜合合評價指標標如下：表3-1 機器人機機構設計方方案評價體體系評價項目得分等級評價尺度目標完成情情況F1完全實現(xiàn)功功能要求基本實現(xiàn)功功能要求部分實現(xiàn)功功能要求不能實現(xiàn)功功能要求10520行走穩(wěn)定程程度F2非常穩(wěn)定基本穩(wěn)定不穩(wěn)定但不不影響行走走不穩(wěn)定完全全不能行走走10520逼真程度FF3很逼真比較逼真不太

35、逼真完全看不懂懂10520復雜程度FF4簡單不復雜一般復雜復雜10520機構可調性性能F5方便可調一般可調不可調1050對以上方案案打分如下下：表3-2 機器人人機構設計計方案評價價結果方案F1F2F3F4F5評價總分方案一5225519方案二1010521037從評分標準準來看，我我們選擇了了方案二用用以控制腿腿部的運動動。3.2.22手臂方案案的評價與與選擇如前面所說說，由于手手臂的運動動過程很簡簡單，也不不是我們的的主要研究究對象，因因此我們僅僅設計出一一種合適的的方案，用用以配合腿腿部的機構構進行仿真真，此方案案如前文所所示。第4章 機構尺度度綜合4.1凸輪輪的尺寸設設計4.1.11臀

36、部凸輪輪設計(一) 臀臀部凸輪從從動件運動動規(guī)律分析析凸輪機構采采用的是偏偏心距為00的對心從從動件凸輪輪機構,主主要利用了了凸輪的推推程、遠休休止過程和和回程三個個過程。 推推程采用正正弦加速度度運動規(guī)律律，即 （）推程角定為為90度，那那么=900，即 （）由于大腿需需要在抬高高的同時小小腿伸展過過程中保持持不動，所所以大腿需需要在空中中停留數(shù)秒秒，故采用用了大腿凸凸輪的的遠遠休止過程程，此時 （）遠休止角定定為90度度；在另一只腳腳往前行的的同時，這這條抬高的的腿也相對對在往后退退，所以對對凸輪的回回程采用等等減速運動動規(guī)律，即即 ()回程角取為為180度度。表4-1 臀部凸輪從從動件運

37、動動規(guī)律設計計表凸輪轉角從動件運動動規(guī)律凸輪運動方方程凸輪末位置置0到90度度正弦加速度度運動規(guī)律律90到1880度停頓180到3360度等減速運動動規(guī)律(二) 臀臀部凸輪輪輪廓曲線設設計圖4-1 凸輪輪輪廓曲線參參數(shù)方程的的建立由上圖幾何何關系可以以寫出：又由于凸輪輪是逆時針針轉的，所所以有：由此可得：由于從動件件為滾子從從動件，分別代入的方方程，則可可得到滾子子中心B（，）運動軌跡曲線為：時： 時：時： 由于從動件件為滾子從從動件,故故基圓半徑徑是從動件件運動過程程中滾子中中心到凸輪輪轉動中心心的最小距距離。由于于機構設計計大小所限限，故取，其其中滾子半半徑為1.5。經計計算，推程程h取5

38、.4。則代代入以上各各式可得：時： 時：時：設凸輪輪廓廓曲線上點點C（，）和滾子子中心B（，）在凸輪過點C處的法線上，則有關系： （為滾滾子半徑）利用以上關關系可以求求得實際輪輪廓曲線上上點C的坐坐標為：接著往下計計算代入上式得得：時，時，時，4.1.22膝關節(jié)凸凸輪設計(一) 膝膝關節(jié)凸輪輪從動件運運動規(guī)律分分析該凸輪機構構同樣采用用的是偏心心距為0的的對心從動動件凸輪機機構,主要要利用了凸凸輪的推程程、回程和和近休止過過程三個過過程。 推推程采用等等速運動規(guī)規(guī)律，即 （）推程角定為為90度，那那么=900，即： （）此過程及為為小腿的彎彎曲過程；當小腿彎曲曲一定程度度后需要及及時伸展著著地

39、，以便便另一只腳腳的運動，故故小腿彎曲曲后凸輪應應立即回程程，回程角角定為900度，故，所以回程程采用等加加速運動規(guī)規(guī)律，即： （）當腳著地后后，另一只只腳開始往往前走，所所以這只腳腳就相對往往后走，但但此時小腿腿相對大腿腿是不轉動動的，只有有大腿往后后移，所以以此時小腿腿應該保持持原狀，因因此凸輪應應該處于近近休止狀態(tài)態(tài)，取近休休止角為1180度，此此時：表4.2 膝關節(jié)節(jié)凸輪從動動件運動規(guī)規(guī)律設計表表凸輪轉角從動件運動動規(guī)律凸輪運動方方程凸輪末位置置0到90度度等速運動規(guī)規(guī)律90到1880度等加速運動動規(guī)律180到3360度停頓(二) 膝膝關節(jié)凸輪輪輪廓曲線線設計方法同4.1.1.2中凸輪

40、輪設計方法法，由于從從動件為滾滾子從動件件，分別代代入的方程程，則可得得到滾子中中心B（，）運動軌軌跡曲線為為：時：時：時：由于從動件件為滾子從從動件,故故基圓半徑徑是從動件件運動過程程中滾子中中心到凸輪輪轉動中心心的最小距距離。由于于機構設計計大小所限限，故取，其其中滾子半半徑為1.5。經計計算，推程程h取4。則代入入以上各式式可得：時： 時：時：設凸輪輪廓廓曲線上點點C（，）和滾子子中心B（，）在凸輪過點C處的法線上，則有關系： （為滾滾子半徑）利用以上關關系可以求求得實際輪輪廓曲線上上點C的坐坐標為：接著往下計計算，代入上式得得：時， 時，時：4.2平面面連桿機構構的尺寸設計4.2.11

41、手臂平面面連桿機構構運動規(guī)律律分析 兩足步步行機器人人的手臂采采用以臀部部的凸輪帶帶動滑塊移移動，滑塊塊帶動平面面連桿機構構產生“手臂”的5聯(lián)動動的方法與與兩腿的動動作協(xié)調。手臂的平平面連桿機機構如下圖圖所示。圖4-2 手臂平面面連桿機構構圖 根據(jù)據(jù)第二章設設計要求與與設計數(shù)據(jù)據(jù)，成年男男性上臂長長約為3330mm，不不妨設ADD=3300mm。同同時A點為為機器人的的肩部，建建立以如圖圖為平面的的XY坐標標，那么設設A(0,0)。機器人的的肩部A點點與B點水水平距離大大約為機器器人的上身身長，設為為600mmm。 當機機器人臀部部凸輪轉動動時，B點點的滑塊左左右滑動，根根據(jù)上一節(jié)節(jié)的計算結結

42、果，滑動動距離為55.4mmm?，F(xiàn)在確確定B點在在凸輪回程程結束點、推程中某某一點、遠遠休止點的的三個坐標標分別是，其中。所對對應的ADD的轉動角角度為。為上臂處處于第一位位置（即自自然垂下）時時的肩膀轉轉角，為上上臂抬高到到上限位置置時的肩膀膀轉角。具具體如下圖圖所示：圖4-3 手臂平平面連桿機機構運動規(guī)規(guī)律 圖中,。4.2.22手臂平面面連桿機構構尺寸設計計與計算 從圖圖中容易看看出，因為為EAD是是繞固定點點A轉動的的一個剛體體，AD的的轉動角直直接等于AAE的轉動動角。根據(jù)據(jù)所要實現(xiàn)現(xiàn)的精確位位置可以寫寫出從第一一精確位置置到第二和和第三精確確位置的位位移矩陣和和。 =由于點E是是該剛

43、體上上的點，由由剛體的位位移矩陣方方程有： 同時，點EE又是連架架桿BE上上的點，連連架桿BEE的運動形形式是繞點點B轉動，且且B點水平平往復移動動。點E到到點B的距距離應保持持不變，有有運動約束束方程：代入上式中中，可得到到2個含有有兩未知數(shù)數(shù)的設計方程，這這樣的方程程組能夠解解出唯一解解。設計要求實實現(xiàn)的連桿桿精確位置置如下表所所示，則可可進行如下下的數(shù)值計計算：表4-3 設計要要求實現(xiàn)的的連桿精確確位置0-6002.7-6005.4-600因為假設了了，則設計計方程可以以整理關于于變量的如如下的線性性方程組： 代入表4-1中和的值化簡線性性方程組，可可以得到：解之得：，桿長 第5章 機構

44、運動動及動力分析析5.1動態(tài)態(tài)靜力分析析以大腿機構構為例，進進行機構的的動態(tài)靜力力分析：大腿受力分分析：（如如圖5-11所示）圖5-1 大腿BAAGF桿受受力分析（2）小腿腿受力分析析：（如圖圖5-2所所示）圖5-1 小腿EFFH桿受力力分析5.2運動動仿真分析析集成 課課程設計要要求所有的的零部件的的造型都在在soliidworrks中完完成，并在在其中進行行相應的機機構設置及及仿真設置置，然后對對設置好的的機構進行行運動學及及動力學求求解，并分分析求解結結果。圖5-1 導入模型型，加載力力矩，進行行仿真設置置如圖，進行行相應的機機構設置及及仿真設置置，下面以以手臂肩部部的轉動為為例，對機機

45、器人的肩肩部加載ZZ方向的力力矩。下圖圖描述了在在機構運動動過程中構構件力矩動態(tài)變變化的情況況。圖5-2 Z方向向力矩幅值值對機器人的的四個電機機進行設置置并仿真運運動。取腳尖一點點代表腳部部運動。5.2.11腳尖分析腳尖位移分分析 圖5-1腳尖X方方向位移分分量可以從圖中中看出腳尖尖位移大致致符合勻速速運動，即即位移隨時時間的推移移而呈直線線上升，即即等速運動動，符合設設計要求，人人正常行走走時即為勻勻速運動，此此結果說明明這種方案案的設計是是可行的。圖5-2腳尖Y方方向位移分分量腳尖速度分分析 圖5-3腳尖XY方向速速度分量圖5-4腳尖X方向速度度分量由于腳部有有前伸和后后縮兩個主主要動作

46、，所所以速度線線圖有正負負兩種速度度，收腿時時出現(xiàn)了一一個小峰值值，可能是是由于大腿腿和小腿共共同運動時時間差導致致的。圖5-5 腳尖Y方向速度度分量Y方向也出出現(xiàn)了正負負速度，是是由于腳部部的抬高和和放低兩個個過程。腳尖加速度度分析 圖5-6腳尖X方方向加速度度分量加速度大致致圍繞在一一個恒定值值，隨著時時間的推移移，出現(xiàn)了了波動，是是由于振動動的不斷加加強導致。圖5-7 腳尖Y方方向加速度度分量5.2.11手臂分析 手臂位移分分析圖5-8手臂X方方向位移分分量圖5-9手臂Y方方向位移分分量由以上兩圖圖可以看出出手臂的擺擺動基本符符合勻速運運動，與腳腳部的伸縮縮相互配合合，達到人人行走的狀狀

47、態(tài)，手腳腳相互交替替擺動。手臂速度分分析 圖5-100手臂XXY方向速速度分量圖5-111手臂XX方向速度度分量圖5-122手臂YY方向速度度分量手臂加速度度分析 圖5-133手臂XX方向加速速度分量圖5-144手臂YY方向加速速度分量第6章 結論6.1兩足足步行機器器人機構特特點本次設計中中我們利用了凸輪的運運動規(guī)律，設設計了凸輪輪輪廓曲線線來較準確確地控制機機構的運動動路線，大大致達到了了人體步行行動作的連連貫性和穩(wěn)穩(wěn)定性標準準。并且分別對對大腿和小小腿的不同同運動特點點采用不同同的凸輪輪輪廓曲線，使使運動更形形象逼真，而而凸輪又靠靠電機來帶帶動，以這這種方法來來實現(xiàn)機器器人的行走走。6.

48、2設計計的主要特特點此次設計對對兩足步行行機器人的的設計及空空間運動步步態(tài)規(guī)劃開開展研究，具具有一定的啟發(fā)發(fā)性和應用用價值。機機構設計的的主要特點點如下。一、純機械械機構、步行穩(wěn)定定、動作流暢暢在總結多種種兩足步行行機器人腿部部構型的優(yōu)優(yōu)缺點基礎礎上，提出出一種能夠夠利用純機機械構件實實現(xiàn)行走的的機構，該該機構巧妙妙地將凸輪輪傳動引入入到平面連連桿機構中中，有效地地克服一般般機器人存存在的行走走不穩(wěn)定、動作僵硬硬等缺點，還還具有結構構簡單緊湊湊、驅動力力矩大、運運動平穩(wěn)等等優(yōu)點。應應用這種腿腿部機構模模塊設計了了可以帶動動手臂甩動動的8自由由度空間兩兩足步行機機器人，使使該機器人人具有良好好的

49、整體性性能。二、小功率率電機驅動動、節(jié)能降耗耗、安全環(huán)保保該兩足步行行機器人采采用電機驅驅動控制，在在模擬控制制的約400mm/ss的平均行行走速度下下，假設機機器人重量量為50kkg，經過過估算可知知每一個電電機的功率率不到300w，充分分證明機器器人的確完完成了節(jié)能能降耗、安安全環(huán)保的的改進。三、兼并機機構的高效效合理與外外觀的協(xié)調調美觀基于仿生學學和人體工工程學，注注重了結合合機器人機機構的高效效合理和外外觀的協(xié)調調美觀，在在設計中詳詳細考慮到到將一些傳傳動軸隱藏藏到機器人人的胸膛和和臀部中，使使組建完成成的機器人人不僅傳動動精度高、動作流暢暢，而且具具有結構優(yōu)優(yōu)良、外形形自然、步步行行

50、為類類人等特點點。凸輪方案與與滑塊方案案對比，其其最主要的的缺點是大大小腿有各各自的凸輪輪和電機帶帶動，使得得自由度增增多，不便便于初始調調節(jié)。關于于方案的優(yōu)優(yōu)劣對比，前前文已經詳詳細談到，這這里不再贅贅述。另外，機器器人的研制制堪稱一個個國家科技技發(fā)展水平平的衡量標標準之一，我我們的設計計固然存在在著許多的的缺點。首首先是機器器人的重心心移動問題題，在我們們的論文討討論中基本本忽略了，然然而這卻是是一個十分分重要和基基本的問題題。然后關關于機器人人的傳感控控制部分，這這在電氣和和計算機專專業(yè)的碩士士論文中非非常常見，更更是構型分分析和性能能要求的重重點，但遺遺憾的是本本論文并未未涉足。其其三

51、，由于于知識水平平的欠缺，我我們沒有對對機器人的的步態(tài)規(guī)劃劃和運動理理論分析及及優(yōu)化方面面進行研究究。6.3 設設計結果 從三維仿真真效果看，設設計的兩足足步行機器器人行走穩(wěn)穩(wěn)定自然、動作連貫貫流暢，大大小腿的抬抬動和放低低動作達到到了準確位位置的要求求，手臂的的甩動符合合常人行走走的特征，角角度亦完全全正確，基基本實現(xiàn)了了設計目標標和要求。從運動學仿仿真的結果果看，位移移曲線相當當光滑并且且隨時間的的推移而呈呈直線上升升，即等速速運動，符符合設計要要求，人正正常行走時時即為勻速速運動，此此結果說明明這種方案案的設計是是可行的；速度曲線線由于腳步步的位置變變化而有正正負之分，收腿時出現(xiàn)了一個小

52、峰值，可能是由于大腿和小腿共同運動時間差導致的。Y方向也出現(xiàn)了正負速度，是由于腳部的抬高和放低兩個過程，總體較為穩(wěn)定；加速度曲線大致恒定，隨時間推移出現(xiàn)了小的波動，是由振動的不斷加強導致的。第7章 收獲與體體會首先,對機機械原理這這門課程有有了更深入入的了解。平時只停停留在一個個初等的感感性認識水水平,沒有有真正的理理解透所學學的具體原原理該如何何應用的問問題,但在在自己做設設計過程中中老在問為為什么,如如何解決,通過這樣樣的想法，使使自己對自自己所學的的理論有了了深入的理理解.在設設計過程中中,如何才才能把所學學的理論運運用到實際際中,這才才是我們學學以所獲,學以致用用的真正宗宗旨,這也也是

53、當我們們從這個專專業(yè)畢業(yè)后后所必需具具有的能力力,這也更更是從學到到時間的過過程,才能能為自己在在以后的工工作中游刃刃有余,才才能為機械械工業(yè)的發(fā)發(fā)展盡綿薄薄之力.其次對所學學的專業(yè)課課產生了很很大的興趣趣，對專業(yè)業(yè)軟件的運運用更加熟熟練。在做做設計的過過程中,發(fā)發(fā)現(xiàn)機械的的很多東西西滲透在我我們生活的的方方面面面,小到鐘鐘表,大到到航天器。這也給自自己很大的的學習范圍圍和任務，更更給了自己己很大的發(fā)發(fā)展空間和和興趣的培培養(yǎng)。在設設計機構和和動畫模擬擬以及運動動模擬分析析的過程中中，不斷地地操作如AAutoCCAD、SSOLIDDWORKKS、ADDAMS這這些機械設設計專業(yè)軟軟件，不僅僅鞏固

54、了機機構簡圖、運動原理理的知識，而而且讓我們們在短短的的時間里快快速地學會會了新的制制圖軟件，觸觸摸了高端端的機械設設計工具，為為畢業(yè)以后后的機械行行業(yè)繼續(xù)深深造提供了了必要的軟軟件基礎。最后對團隊隊的合作有有了更深的的體會。每每個人不可可能方方面面面都會，這這就需要團團隊組員各各自發(fā)揮自自己的優(yōu)點點，說出各各自的想法法，取長補補短，這樣樣才能從別別人身上學學到自己所所缺的能力力和品質，在在現(xiàn)代的企企業(yè)合作中中，團隊合合作精神是是很重要的的，各個產產品的開發(fā)發(fā)都需要很很多人傾注注心血，這這樣才能使使企業(yè)有長長遠的發(fā)展展。設計過過程中我主主要負責文文獻資料的的查找與整整理，方案案評價和選選擇，傳

55、動設計計與計算，設計說明明書的編寫寫，PPTT制作。黃黃凱主要負負責方案設設計，三維維建模，運運動仿真，凸凸輪設計與與校核，動動力學仿真真結果的分分析。機構構尺寸共同同設計完成成。這門課程的的結束是我我們這學期期學習的終終點，但卻卻是我們再再學習、再再創(chuàng)造的開開端，學海海無涯，天天外有天，我我們將繼續(xù)續(xù)加強對機機械綜合設設計這門學學科的學習習和研究，以以更飽滿的的熱情投入入到今后的的學習生活活中，做不不斷探索，勇勇于創(chuàng)新的的西南交大大機械學子子。第8章 致謝本次課程設設計原本是是設計一個個兩足步行行椅，然后后得到了何何朝明老師師的建議和和悉心指導導，最后完成成了這個行行走機器人人，在此對對他表

56、示衷心心地感謝。參考文獻Yusukke S et aal. DDesiggn off a bbatteery-ppowerred mmultii-purrposee bippedall loccomottor wwith parralleel meechannismA. procceediings of tthe 22002 IEEEE/RSJJ Intternaationnal CConfeerencce onn Inteelliggent Roboots aand SSysteems C. Laussannee, Swwitzeerlannd: 22002. 26558-26663.郭清.

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60、:20-228附錄1建模過程：（一）大腿腿的建模 （二）小小腿建模（三）腳掌掌建模（四）大手手臂的建模模（五）臀部部的建模（六）上身身建模（七）曲柄柄及各部件件建模（八） 凸凸輪通過SSOLIDDWORKKS使用參參數(shù)自動生生成。生成的大小小凸輪如下下。 （九）裝配配與組建工工作。（十）給凸凸輪裝以驅驅動馬達（十一）模模擬環(huán)境下下進行動力力學仿真附錄二附錄錄三 一、兩足步步行機器人人的研究現(xiàn)現(xiàn)狀 機器器人是現(xiàn)代代科學技術術發(fā)展的必必然產物，人人類發(fā)明機機器人的目目的就是設設法用機器器人代替人人類從事某某種工作或或服務人類類。雙足機器人人的研制開開始于上世世紀70年年代末，由由于國內外外許多學者