兩足步行機(jī)器人綜合設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)

1、PAGE 79PAGE 兩足步行機(jī)器人設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)姓名： 學(xué)號(hào)：班級(jí)： 指導(dǎo)老師： 2012年6月目 錄 TOC o 1-4 h z u HYPERLINK l _Toc327401329 第1章 問(wèn)題的提出 PAGEREF _Toc327401329 h 1 HYPERLINK l _Toc327401330 1.1設(shè)計(jì)背景 PAGEREF _Toc327401330 h 1 HYPERLINK l _Toc327401331 1.2課題的研究意義與應(yīng)用前景 PAGEREF _Toc327401331 h 1 HYPERLINK l _Toc327401332 1.3主要設(shè)計(jì)思想 PAGERE

2、F _Toc327401332 h 2 HYPERLINK l _Toc327401333 第2章 設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc327401333 h 3 HYPERLINK l _Toc327401334 2.1高度的設(shè)置 PAGEREF _Toc327401334 h 3 HYPERLINK l _Toc327401335 2.2自由度的設(shè)置 PAGEREF _Toc327401335 h 5 HYPERLINK l _Toc327401336 2.3各關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍的確定 PAGEREF _Toc327401336 h 6 HYPERLINK l _Toc327401337

3、 2.3.1髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng) PAGEREF _Toc327401337 h 6 HYPERLINK l _Toc327401338 2.3.2膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng) PAGEREF _Toc327401338 h 6 HYPERLINK l _Toc327401339 2.3.3踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng) PAGEREF _Toc327401339 h 7 HYPERLINK l _Toc327401340 2.4關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式的選擇 PAGEREF _Toc327401340 h 7 HYPERLINK l _Toc327401341 第3章 機(jī)構(gòu)選型設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc327401341 h 8 HYPER

4、LINK l _Toc327401342 3.1兩足步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc327401342 h 8 HYPERLINK l _Toc327401343 3.1.1腿部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖： PAGEREF _Toc327401343 h 8 HYPERLINK l _Toc327401344 3.1.2手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc327401344 h 13 HYPERLINK l _Toc327401345 3.2設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)與選擇 PAGEREF _Toc327401345 h 13 HYPERLINK l _Toc327401346 3.2.1 腿部方案的評(píng)價(jià)

5、與選擇 PAGEREF _Toc327401346 h 13 HYPERLINK l _Toc327401347 3.2.2手臂方案的評(píng)價(jià)與選擇 PAGEREF _Toc327401347 h 15 HYPERLINK l _Toc327401348 第4章 機(jī)構(gòu)尺度綜合 PAGEREF _Toc327401348 h 15 HYPERLINK l _Toc327401349 4.1凸輪的尺寸設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc327401349 h 15 HYPERLINK l _Toc327401350 4.1.1臀部凸輪設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc327401350 h 15 HYPERLI

6、NK l _Toc327401351 4.1.2膝關(guān)節(jié)凸輪設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc327401351 h 20 HYPERLINK l _Toc327401352 4.2平面連桿機(jī)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc327401352 h 24 HYPERLINK l _Toc327401353 4.2.1手臂平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析 PAGEREF _Toc327401353 h 24 HYPERLINK l _Toc327401354 4.2.2手臂平面連桿機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)與計(jì)算 PAGEREF _Toc327401354 h 25 HYPERLINK l _Toc327401355

7、第5章 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力分析 PAGEREF _Toc327401355 h 27 HYPERLINK l _Toc327401356 5.1動(dòng)態(tài)靜力分析 PAGEREF _Toc327401356 h 27 HYPERLINK l _Toc327401360 5.2運(yùn)動(dòng)仿真分析集成28 HYPERLINK l _Toc327401361 5.2.1腳尖分析29 HYPERLINK l _Toc327401362 5.2.2手臂分析 PAGEREF _Toc327401362 h 33 HYPERLINK l _Toc327401364 第6章 結(jié)論 PAGEREF _Toc327401364

8、h 36 HYPERLINK l _Toc327401365 6.1兩足步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)特點(diǎn) PAGEREF _Toc327401365 h 36 HYPERLINK l _Toc327401366 6.2設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn) PAGEREF _Toc327401366 h 36 HYPERLINK l _Toc327401367 6.3 設(shè)計(jì)結(jié)果 PAGEREF _Toc327401367 h 37 HYPERLINK l _Toc327401368 第7章 收獲與體會(huì) PAGEREF _Toc327401368 h 37 HYPERLINK l _Toc327401369 第8章 致謝 PAGER

9、EF _Toc327401369 h 38 HYPERLINK l _Toc327401370 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc327401370 h 38 HYPERLINK l _Toc327401371 附錄140 HYPERLINK l _Toc327401372 附錄二 PAGEREF _Toc327401372 h 60 HYPERLINK l _Toc327401373 附錄三 PAGEREF _Toc327401373 h 63第1章 問(wèn)題的提出1.1設(shè)計(jì)背景類(lèi)人機(jī)器人一直是機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，是目前科技發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。當(dāng)前機(jī)器人的移動(dòng)方式主要是四種，分別是：輪式、履

10、帶式、步行、爬行。世界著名機(jī)器人學(xué)專(zhuān)家、日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授說(shuō)過(guò)：“機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有的最大特征之一是步行功能”。這是因?yàn)?，步行有其它移?dòng)方式所無(wú)法比擬的優(yōu)越性。其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在如下兩個(gè)方面：首先，兩足步行機(jī)器人具有較強(qiáng)的越障能力，相比輪式和履帶式更能通過(guò)不平整、不規(guī)則的路面，減少了移動(dòng)盲區(qū)，擴(kuò)大了運(yùn)動(dòng)范圍。其次，兩足步行機(jī)器人的能耗小，與其他足式機(jī)器人相比具有體積小、重量輕、動(dòng)作靈活等特點(diǎn)，同時(shí)能夠取代人類(lèi)從而將人類(lèi)從工作環(huán)境對(duì)人體有害或者高強(qiáng)度、長(zhǎng)時(shí)間、高重復(fù)性的勞動(dòng)中解脫出來(lái)，因而具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的研究意義。雙足行走是類(lèi)人機(jī)器人最基本也是最難實(shí)現(xiàn)的功能，因此以實(shí)現(xiàn)雙足步行為目

11、標(biāo)的兩足步行機(jī)器人研究是智能型類(lèi)人機(jī)器人研究的基礎(chǔ)，而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的穩(wěn)步行走更是兩足步行機(jī)器人研究中的首要任務(wù)。同時(shí)雙足機(jī)器人的研究對(duì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)裝置提出了許多特殊要求，將導(dǎo)致傳統(tǒng)機(jī)械的重大變革，是工程上少有的多自由度系統(tǒng)。那么設(shè)計(jì)這樣一個(gè)純機(jī)構(gòu)的兩足步行機(jī)器人將在很大程度上滿(mǎn)足現(xiàn)代人類(lèi)發(fā)展需求，一方面可實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)機(jī)械式多自由度穩(wěn)步步行，另一方面降低能耗、減小體積、延長(zhǎng)使用壽命， 具有廣泛而重要的意義。1.2課題的研究意義與應(yīng)用前景目前國(guó)內(nèi)外對(duì)雙足步行機(jī)器人的研究已經(jīng)到了較成熟的領(lǐng)域，應(yīng)用前景也更加廣闊，應(yīng)用領(lǐng)域主要有：1為殘疾人（下肢癱瘓者或截肢者）提供室內(nèi)和戶(hù)外行走工具。利用人工假腿

12、、腿椅或步行座椅盡可能使殘疾人恢復(fù)正常行走功能，減少對(duì)他人的依賴(lài)。2極限環(huán)境下代替人工作業(yè)，核電站內(nèi)的監(jiān)視和維護(hù)作業(yè)，遙控救災(zāi)、滅火，爆炸物的處置（如探雷、排雷等）等。 3在教育、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。娛樂(lè)機(jī)器人，可作為人類(lèi)同伴的機(jī)器人是發(fā)展的新方向，這將使雙足機(jī)器人逐漸走向普通居民中。為了更好的了解人類(lèi)的行走機(jī)理，也為了日后為下肢癱患者提供理想的假肢，以及為方便人類(lèi)出行的自動(dòng)兩足步行椅提供理論基礎(chǔ)，本論文致力于研究雙足步行機(jī)器人的行走規(guī)律、傳動(dòng)機(jī)理并用機(jī)械結(jié)構(gòu)加簡(jiǎn)單的控制來(lái)模擬人類(lèi)的行走，并通過(guò)研究和模擬步行更好地分析和探討步行機(jī)器人。兩足步行機(jī)器人的機(jī)械本體機(jī)

13、構(gòu)與步態(tài)規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人穩(wěn)定行走的基礎(chǔ)，因此，以實(shí)現(xiàn)具有基本行走功能的兩足步行機(jī)器人的研究對(duì)于研制節(jié)能型、智能型類(lèi)人機(jī)器人具有重要的理論價(jià)值。 1.3主要設(shè)計(jì)思想雙足步行機(jī)器人具有多關(guān)節(jié)、多驅(qū)動(dòng)器、多自由度的特點(diǎn)，其自由度的設(shè)置、各關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍直接影響機(jī)器人外在美觀、行走方式、活動(dòng)范圍、建模方式、步態(tài)規(guī)劃以及控制方案等。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)出模擬人體步行的機(jī)構(gòu),步行的復(fù)雜程度直接控制了機(jī)構(gòu)的難易程度,用純機(jī)械的機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)較難的人體行走過(guò)程,必然會(huì)有很大的誤差,但我們一致追求機(jī)構(gòu)的盡量精確和逼真,研究自己行走時(shí)的各個(gè)過(guò)程,下圖是我們得出的人行走時(shí)的幾個(gè)主要過(guò)程:圖1-1 人體步行主要過(guò)程如上圖所示,

14、步行主要有七個(gè)過(guò)程,由左右腿相互交替邁腿,收腿,達(dá)到向前走的目的。第2章 設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù) 一個(gè)兩足步行機(jī)器人除了滿(mǎn)足可向前行走的基本要求，還必須具有一定的穩(wěn)定性、方便性、安全性。針對(duì)這些性能要求，進(jìn)行了機(jī)器人高度、自由度、各關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式的選擇的討論和設(shè)計(jì)分析。2.1高度的設(shè)置兩足步行機(jī)器人的高度選擇（包括各部分高度）對(duì)于步行穩(wěn)定十分重要。高度過(guò)高，重心也隨之過(guò)高，穩(wěn)定性減小；而如果高度過(guò)低，人坐在上面腳會(huì)拖在地上。為了達(dá)到可推廣水平，按照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T539751983進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中人體基本測(cè)量項(xiàng)目達(dá)57個(gè)，就其類(lèi)別而言可分為：高度：即在人體的上、下方向測(cè)量的

15、高度；長(zhǎng)度：直線長(zhǎng)度指兩測(cè)點(diǎn)之間的直線距離，曲線長(zhǎng)度指沿人體表面過(guò)測(cè)點(diǎn)的曲線圍長(zhǎng)；寬度：測(cè)量頭部、面部和軀干部時(shí)，寬度指在左、右方向上對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的直線距離；測(cè)量上肢時(shí)，寬度指繞骨側(cè)的兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的距離；測(cè)量下肢時(shí)，寬度指脛骨側(cè)和腓骨側(cè)的兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的直線距離；厚度：指人體前、后方向上，兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的直線距離；圍經(jīng)：指通過(guò)或經(jīng)過(guò)人體某一部位上的測(cè)量點(diǎn)圍長(zhǎng)。目前，國(guó)內(nèi)在人機(jī)工程方面所采取的人體尺寸數(shù)據(jù)均來(lái)自“中國(guó)成年人人體尺寸”（GB1000088），是由國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)行，反映了我國(guó)不同地區(qū)的人體尺寸差異。由于數(shù)據(jù)本身沒(méi)有提供足夠的三維信息，這就決定了在某種意義上，我們根據(jù)其建立的

16、三維人體模型只能是一種簡(jiǎn)化的模型。我們引用并參考與機(jī)器人設(shè)計(jì)密切關(guān)系的人體數(shù)據(jù)。(一) 人體主要尺寸人體主要尺寸包括：身高、體重、上臂長(zhǎng)、前臂長(zhǎng)、大腿長(zhǎng)、小腿長(zhǎng)共六項(xiàng)。表2-1列出了我國(guó)成年人的人體主要尺寸。表2-1 我國(guó)成年人人體主要尺寸百分比數(shù) 年齡分組測(cè)量項(xiàng)目男（1860）女（1855）5 50 90 955 50 90 951.1身高/mm1583 1678 1754 17751484 1570 1640 16591.2體重/kg48 59 70 7542 52 63 711.3上臂長(zhǎng)/mm289 313 333 338262 284 303 3021.4前臂長(zhǎng)/mm216 237 2

17、53 258193 213 229 2341.5大腿長(zhǎng)/mm428 465 496 505402 438 467 4761.6小腿長(zhǎng)/mm338 369 396 403313 344 370 375 (二) 人體水平尺寸人體水平尺寸包括：胸厚、肩寬、最大肩寬、臀寬和坐姿臀寬。表2-2 我國(guó)成年人的人體水平尺寸年齡分組百分位數(shù)測(cè)量項(xiàng)目男（1860）女（1855）5 50 90 955 50 90 952.1胸厚/mm186 212 237 245 170 199 230 2392.2肩寬/mm344 375 397 403320 351 371 3772.3最大肩寬/mm398 431 460

18、469363 397 428 4382.4臀寬/mm282 306 327 334290 317 340 3462.5坐姿臀寬/mm285 321 347 355310 344 374 382這是以某種人體尺寸極限作為設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)計(jì)原則：設(shè)計(jì)的最大尺寸參考選擇人體尺寸的低百分位，設(shè)計(jì)的最小尺寸參考選擇人體尺寸的高百分位；受人體伸及度限制的尺寸應(yīng)該根據(jù)低百分位確定，受人體屈曲限制的尺寸應(yīng)該根據(jù)高百分位確定。由以上參考資料確定其機(jī)器人的尺寸：正常的成年人身高大概在170cm到190cm之間，其下肢高度大概100cm到120cm間，踝關(guān)節(jié)到地面、膝關(guān)節(jié)到踝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)到膝關(guān)節(jié)的距離分別大約是5cm、

19、4050cm、5060cm。兩足步行機(jī)器人的高度選擇（包括各部分高度）對(duì)于步行穩(wěn)定十分重要。高度過(guò)高，重心也隨之過(guò)高，穩(wěn)定性減?。欢绻叨冗^(guò)低，如果設(shè)計(jì)的是步行椅，人坐在上面腳會(huì)拖在地上。參考上述人體身高數(shù)據(jù)，以及現(xiàn)有兩足步行機(jī)器人，確定兩足步行機(jī)器人的總高度（距地面）為180cm左右，其中大腿和小腿分別為50和40cm，踝關(guān)節(jié)高度為15cm。2.2自由度的設(shè)置 兩足步行機(jī)器人應(yīng)盡可能模仿人類(lèi)雙腿可以完成的動(dòng)作，而這其中的一個(gè)重點(diǎn)就是如何設(shè)置機(jī)器人的自由度。人的下肢是一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，依靠下肢二百多對(duì)肌肉、三十多塊骨骼，能夠完成十分復(fù)雜的協(xié)調(diào)動(dòng)作。人所能實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作是包括靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物在內(nèi)的兩足

20、類(lèi)行走動(dòng)物中最完美的。在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中，人體的關(guān)節(jié)已經(jīng)至臻完美，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而又相當(dāng)靈活。美國(guó)Clemson 大學(xué)鄭元芳博士曾經(jīng)撰文分析兩足步行機(jī)器人腿部的自由度配置問(wèn)題，他認(rèn)為兩足步行機(jī)器人能完成步行所需的自由度每條腿最少為4 個(gè)，而如果要達(dá)到類(lèi)似人類(lèi)步行的程度則每條腿需要8 個(gè)，即髖關(guān)節(jié)3 個(gè)、膝關(guān)節(jié)1 個(gè)、踝關(guān)節(jié)3 個(gè)、腳部1 個(gè)（類(lèi)似腳趾）。但是，目前絕大多數(shù)以有的兩足步行機(jī)器人都采用的是6 自由度的設(shè)計(jì)，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)的HIT-III、國(guó)防科技大學(xué)的“先行者”、本田公司的ASIMO 和HRP 以及前文所述豐田公司的i-foot。絕大多數(shù)步行機(jī)器人采用12自由度設(shè)計(jì)。這類(lèi)機(jī)器人髖關(guān)節(jié)具有

21、3 個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)具有1 個(gè)自由度，踝關(guān)節(jié)具有2 個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)前向運(yùn)動(dòng)和側(cè)向運(yùn)動(dòng)。而且由于髖關(guān)節(jié)具有旋轉(zhuǎn)自由度，所以這類(lèi)機(jī)器人可以轉(zhuǎn)彎。這類(lèi)機(jī)器人可以在水平地面和傾斜地面行走，可以實(shí)現(xiàn)上下樓梯以及轉(zhuǎn)彎、后退等動(dòng)作。這類(lèi)機(jī)器人和人類(lèi)的兩腿已經(jīng)十分類(lèi)似。如圖2-2所示：圖2-1 具有12個(gè)自由度的兩足步行機(jī)器人 鑒于純機(jī)構(gòu)確定12個(gè)自由度的兩足步行機(jī)器人有難度，我們初步?jīng)Q定采用6自由度的步行機(jī)器人。另外，加上手臂的甩動(dòng)動(dòng)作，賦予肩部一個(gè)pitch方向的運(yùn)動(dòng)自由度，因此總共是8自由度的步行機(jī)器人。2.3各關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍的確定兩足步行機(jī)器人的目的是模仿人類(lèi)步行運(yùn)動(dòng)，因此兩足步行機(jī)器人各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)

22、范圍應(yīng)該和人類(lèi)基本相同。在設(shè)計(jì)兩足步行之前，應(yīng)先確定人體下肢各關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍。2.3.1髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)人體的髖關(guān)節(jié)是由髖骨的髖臼和股骨的股骨頭構(gòu)成，類(lèi)似于球關(guān)節(jié)，共有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。本設(shè)計(jì)僅限于平地步行，故初步設(shè)定為一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，即大腿的抬升和下降。2.3.2膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)人體的膝關(guān)節(jié)是由股骨的內(nèi)外側(cè)髖的關(guān)節(jié)面和脛骨的內(nèi)外側(cè)踝的上關(guān)節(jié)面既髖骨的后關(guān)節(jié)面構(gòu)成的。膝關(guān)節(jié)僅有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自度，即大腿和小腿的連接部分膝蓋控制的屈伸動(dòng)作。2.3.3踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)人體的踝關(guān)節(jié)其實(shí)是足關(guān)節(jié)的一個(gè)組成部分，近似一個(gè)球關(guān)節(jié)，具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。同理，我們僅僅只考慮平地步行的狀態(tài)，

23、設(shè)定踝關(guān)節(jié)只有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，即適應(yīng)地面時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作。兩足步行機(jī)器人各關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍和人體不完全相同。這主要是由于以電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人關(guān)節(jié)的靈活性要比人類(lèi)的關(guān)節(jié)差很多，因此兩足步行機(jī)器人的關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍要比人體略大。參考已有的一些兩足步行機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍，確定兩足步行機(jī)器人各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍如表2-3、2-4 所示。表2-3 人體各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍髖關(guān)節(jié)Yaw-45到45Roll-45到20Pitch-125到15膝關(guān)節(jié)Pitch0到130踝關(guān)節(jié)Pitch-45到20Roll-20到30表2-4 兩足步行機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍髖關(guān)節(jié)-100到40膝關(guān)節(jié)0到50踝關(guān)節(jié)-20到35肩關(guān)節(jié)0到3

24、02.4關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式的選擇 目前機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式主要有氣動(dòng)、液動(dòng)和伺服電機(jī)。驅(qū)動(dòng)部件在兩足步行椅機(jī)器人中的作用相當(dāng)于人體的肌肉，如果把連桿以及關(guān)節(jié)想象成機(jī)器人的骨骼，那么驅(qū)動(dòng)器就起到了肌肉的作用。 兩足步行機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)都是轉(zhuǎn)動(dòng)副，主要是實(shí)現(xiàn)相對(duì)回轉(zhuǎn)或者擺動(dòng)。而大多數(shù)電機(jī)正是實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的。故初步確定采用電機(jī)提供原動(dòng)力，靠機(jī)械機(jī)構(gòu)傳遞動(dòng)力。第3章 機(jī)構(gòu)選型設(shè)計(jì)3.1兩足步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1.1腿部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖： 方案一: 滑塊連動(dòng)機(jī)構(gòu)此方案的特點(diǎn)是小腿的伸縮轉(zhuǎn)動(dòng)是由大腿控制的，區(qū)別方案一的是小腿大腿沒(méi)有分開(kāi)控制，由連動(dòng)控制，另一特點(diǎn)是大腿的伸縮又是由大腿的轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制的，如下圖：圖3-

25、1 機(jī)器人大小腿聯(lián)動(dòng)控制圖3-2 臀部和大腿連接部分圖3-3 機(jī)器人膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖中F框表示機(jī)器人的臀部，G框表示大腿，鉸鏈A固結(jié)在F上，用以連接大腿和臀部，鉸鏈C和D固結(jié)在G上，滑塊B軸心固結(jié)在F上，當(dāng)大腿繞A點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)（即大腿往前伸），CBH變大，此時(shí)滑塊B下滑，又由于BE桿的作用，使得點(diǎn)E逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，那么桿EDF也繞點(diǎn)D轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)F繞點(diǎn)D順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，由處的球形鉸可以控制桿(即小腿)繞點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)小腿的往前伸。方案二：采用凸輪機(jī)構(gòu)利用凸輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線來(lái)較準(zhǔn)確的控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)路線，此方案分別對(duì)大腿和小腿的不同運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)采用不同的凸輪輪廓曲線，使運(yùn)動(dòng)更形象逼真，而凸輪

26、又靠電機(jī)來(lái)帶動(dòng)，用這種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走。以下幾圖為此方案的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖：圖3-4 機(jī)器人單邊腿部的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖該圖即為機(jī)器人單邊腿部的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，分別用了2個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)，4個(gè)滑塊機(jī)構(gòu)，9個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，11個(gè)低副，2個(gè)高副和2個(gè)虛約束。圖3-5 機(jī)器人臀部機(jī)構(gòu)上圖方框表示機(jī)器人臀部部分，凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心、橫向滑桿和兩個(gè)機(jī)架都固定在臀部上，B處圓是與凸輪相切的圓柱，用來(lái)控制橫向滑塊的前進(jìn)和后退，A桿是大腿的簡(jiǎn)圖，一端插在B處的一個(gè)滑塊上，同時(shí)與C處的鉸鏈相接，用以固定大腿和臀部的連接，另一端連接小腿部分，如下圖：圖3-6 機(jī)器人膝關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖上圖即為大腿和小腿連接部分，即膝關(guān)節(jié)部分，橫桿G焊接在大腿A桿上，

27、用以固定凸輪和虛線處的橫向滑桿，E桿為小腿簡(jiǎn)圖，F(xiàn)處的鉸鏈用以連接小腿和大腿，使小腿能繞大腿旋轉(zhuǎn)，E桿一端與滑塊連接用以控制小腿的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，另一端連接腳掌，如下圖：圖3-7 機(jī)器人的腳掌機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 3.1.2手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)由于手臂的運(yùn)動(dòng)過(guò)程很簡(jiǎn)單，也不是我們的主要研究對(duì)象，因此我們僅設(shè)計(jì)出一種合適的方案，用以配合腿部的機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，因此手臂機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下：圖3-8 手臂平面連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖中AD桿即為機(jī)器人手臂，滑塊B的滑槽設(shè)置在機(jī)器人臀部，滑塊B的移動(dòng)靠臀部處的大凸輪帶動(dòng)，從而使得點(diǎn)E繞點(diǎn)A轉(zhuǎn)動(dòng)，即手臂繞點(diǎn)A轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了手臂和腿部運(yùn)動(dòng)的同時(shí)性，并且不會(huì)出現(xiàn)同手同腳的情況，使得機(jī)器人的步行更加逼真。3

28、.2設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)與選擇 3.2.1 腿部方案的評(píng)價(jià)與選擇 方案一的設(shè)計(jì)思路就是想讓小腿由大腿控制，產(chǎn)生連動(dòng)的效果，因此方案一充分運(yùn)用連桿和滑塊機(jī)構(gòu)，將大腿的轉(zhuǎn)動(dòng)角度轉(zhuǎn)化為控制小腿的主要參數(shù)，角度越大小腿彎曲程度越大，即實(shí)現(xiàn)了大腿和小腿的連動(dòng)，并將小腿的主控參數(shù)巧妙的設(shè)置成了角度的變化。其中的一大特點(diǎn)是利用了一個(gè)球形鉸鏈，能夠同時(shí)控制小腿的前伸和后退。 但方案一的一大缺點(diǎn)就是運(yùn)動(dòng)太受限制，角度只有增加和減少，從而小腿只有前伸和后退，關(guān)鍵是角度和小腿都是同時(shí)對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，不能達(dá)到一些復(fù)雜的過(guò)程（如圖3-9），造成行走很格式僵硬化，不夠貼切現(xiàn)實(shí)人們的步行特點(diǎn)，對(duì)比圖如下：圖3-9 方案一行走特點(diǎn)方案

29、二考慮了方案一的弊端，對(duì)各種機(jī)構(gòu)進(jìn)行了理論分析，決定用凸輪結(jié)構(gòu)來(lái)控制大小腿的運(yùn)動(dòng)情況。由于方案一的經(jīng)驗(yàn)，大小腿的連動(dòng)必然會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人行走的僵硬化，不夠真實(shí)，因此就分別采用2個(gè)凸輪來(lái)對(duì)大小腿進(jìn)行控制，由于凸輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性，可以利用凸輪的推程、遠(yuǎn)修止過(guò)程、回程、以及近休止過(guò)程與機(jī)器人腿部的各個(gè)過(guò)程向?qū)?yīng)，比如控制小腿時(shí)，可以將控制小腿的凸輪遠(yuǎn)休止角與大腿和小腿同時(shí)回退的過(guò)程相對(duì)應(yīng)，這樣使得另一只腿部伸出時(shí)這邊的腿部保持直線，如此往復(fù)，就達(dá)到了機(jī)器人的往前行走，如下圖：圖3-10 方案二行走特點(diǎn)通過(guò)對(duì)方案一二的綜合分析還考慮，建立了綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)如下：表3-1 機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)體系評(píng)價(jià)項(xiàng)目得分

30、等級(jí)評(píng)價(jià)尺度目標(biāo)完成情況F1完全實(shí)現(xiàn)功能要求基本實(shí)現(xiàn)功能要求部分實(shí)現(xiàn)功能要求不能實(shí)現(xiàn)功能要求10520行走穩(wěn)定程度F2非常穩(wěn)定基本穩(wěn)定不穩(wěn)定但不影響行走不穩(wěn)定完全不能行走10520逼真程度F3很逼真比較逼真不太逼真完全看不懂10520復(fù)雜程度F4簡(jiǎn)單不復(fù)雜一般復(fù)雜復(fù)雜10520機(jī)構(gòu)可調(diào)性能F5方便可調(diào)一般可調(diào)不可調(diào)1050對(duì)以上方案打分如下：表3-2 機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)結(jié)果方案F1F2F3F4F5評(píng)價(jià)總分方案一5225519方案二1010521037從評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，我們選擇了方案二用以控制腿部的運(yùn)動(dòng)。3.2.2手臂方案的評(píng)價(jià)與選擇如前面所說(shuō)，由于手臂的運(yùn)動(dòng)過(guò)程很簡(jiǎn)單，也不是我們的主要研究對(duì)

31、象，因此我們僅設(shè)計(jì)出一種合適的方案，用以配合腿部的機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，此方案如前文所示。第4章 機(jī)構(gòu)尺度綜合4.1凸輪的尺寸設(shè)計(jì)4.1.1臀部凸輪設(shè)計(jì)(一) 臀部凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析凸輪機(jī)構(gòu)采用的是偏心距為0的對(duì)心從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu),主要利用了凸輪的推程、遠(yuǎn)休止過(guò)程和回程三個(gè)過(guò)程。 推程采用正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即 （）推程角定為90度，那么=90，即 （）由于大腿需要在抬高的同時(shí)小腿伸展過(guò)程中保持不動(dòng)，所以大腿需要在空中停留數(shù)秒，故采用了大腿凸輪的的遠(yuǎn)休止過(guò)程，此時(shí) （）遠(yuǎn)休止角定為90度；在另一只腳往前行的同時(shí)，這條抬高的腿也相對(duì)在往后退，所以對(duì)凸輪的回程采用等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即 ()回程角取為180

32、度。表4-1 臀部凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)表凸輪轉(zhuǎn)角從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律凸輪運(yùn)動(dòng)方程凸輪末位置0到90度正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律90到180度停頓180到360度等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律(二) 臀部凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)圖4-1 凸輪輪廓曲線參數(shù)方程的建立由上圖幾何關(guān)系可以寫(xiě)出：又由于凸輪是逆時(shí)針轉(zhuǎn)的，所以有：由此可得：由于從動(dòng)件為滾子從動(dòng)件，分別代入的方程，則可得到滾子中心B（，）運(yùn)動(dòng)軌跡曲線為：時(shí)： 時(shí)：時(shí)： 由于從動(dòng)件為滾子從動(dòng)件,故基圓半徑是從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)過(guò)程中滾子中心到凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心的最小距離。由于機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)大小所限，故取，其中滾子半徑為1.5。經(jīng)計(jì)算，推程h取5.4。則代入以上各式可得：時(shí)： 時(shí)：時(shí)：設(shè)凸輪輪廓曲線上點(diǎn)

33、C（，）和滾子中心B（，）在凸輪過(guò)點(diǎn)C處的法線上，則有關(guān)系： （為滾子半徑）利用以上關(guān)系可以求得實(shí)際輪廓曲線上點(diǎn)C的坐標(biāo)為：接著往下計(jì)算代入上式得：時(shí)，時(shí)，時(shí)，4.1.2膝關(guān)節(jié)凸輪設(shè)計(jì)(一) 膝關(guān)節(jié)凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析該凸輪機(jī)構(gòu)同樣采用的是偏心距為0的對(duì)心從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu),主要利用了凸輪的推程、回程和近休止過(guò)程三個(gè)過(guò)程。 推程采用等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即 （）推程角定為90度，那么=90，即： （）此過(guò)程及為小腿的彎曲過(guò)程；當(dāng)小腿彎曲一定程度后需要及時(shí)伸展著地，以便另一只腳的運(yùn)動(dòng)，故小腿彎曲后凸輪應(yīng)立即回程，回程角定為90度，故，所以回程采用等加速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即： （）當(dāng)腳著地后，另一只腳開(kāi)始往前走，所

34、以這只腳就相對(duì)往后走，但此時(shí)小腿相對(duì)大腿是不轉(zhuǎn)動(dòng)的，只有大腿往后移，所以此時(shí)小腿應(yīng)該保持原狀，因此凸輪應(yīng)該處于近休止?fàn)顟B(tài)，取近休止角為180度，此時(shí)：表4.2 膝關(guān)節(jié)凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)表凸輪轉(zhuǎn)角從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律凸輪運(yùn)動(dòng)方程凸輪末位置0到90度等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律90到180度等加速運(yùn)動(dòng)規(guī)律180到360度停頓(二) 膝關(guān)節(jié)凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)方法同4.1.1.2中凸輪設(shè)計(jì)方法，由于從動(dòng)件為滾子從動(dòng)件，分別代入的方程，則可得到滾子中心B（，）運(yùn)動(dòng)軌跡曲線為：時(shí)：時(shí)：時(shí)：由于從動(dòng)件為滾子從動(dòng)件,故基圓半徑是從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)過(guò)程中滾子中心到凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心的最小距離。由于機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)大小所限，故取，其中滾子半徑為1.5。經(jīng)

35、計(jì)算，推程h取4。則代入以上各式可得：時(shí)： 時(shí)：時(shí)：設(shè)凸輪輪廓曲線上點(diǎn)C（，）和滾子中心B（，）在凸輪過(guò)點(diǎn)C處的法線上，則有關(guān)系： （為滾子半徑）利用以上關(guān)系可以求得實(shí)際輪廓曲線上點(diǎn)C的坐標(biāo)為：接著往下計(jì)算，代入上式得：時(shí)， 時(shí)，時(shí)：4.2平面連桿機(jī)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)4.2.1手臂平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析 兩足步行機(jī)器人的手臂采用以臀部的凸輪帶動(dòng)滑塊移動(dòng)，滑塊帶動(dòng)平面連桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生“手臂”的5聯(lián)動(dòng)的方法與兩腿的動(dòng)作協(xié)調(diào)。手臂的平面連桿機(jī)構(gòu)如下圖所示。圖4-2 手臂平面連桿機(jī)構(gòu)圖 根據(jù)第二章設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，成年男性上臂長(zhǎng)約為330mm，不妨設(shè)AD=330mm。同時(shí)A點(diǎn)為機(jī)器人的肩部，建立以如圖為平面

36、的XY坐標(biāo)，那么設(shè)A(0,0)。機(jī)器人的肩部A點(diǎn)與B點(diǎn)水平距離大約為機(jī)器人的上身長(zhǎng)，設(shè)為600mm。 當(dāng)機(jī)器人臀部凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，B點(diǎn)的滑塊左右滑動(dòng)，根據(jù)上一節(jié)的計(jì)算結(jié)果，滑動(dòng)距離為5.4mm?，F(xiàn)在確定B點(diǎn)在凸輪回程結(jié)束點(diǎn)、推程中某一點(diǎn)、遠(yuǎn)休止點(diǎn)的三個(gè)坐標(biāo)分別是，其中。所對(duì)應(yīng)的AD的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為。為上臂處于第一位置（即自然垂下）時(shí)的肩膀轉(zhuǎn)角，為上臂抬高到上限位置時(shí)的肩膀轉(zhuǎn)角。具體如下圖所示：圖4-3 手臂平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律 圖中,。4.2.2手臂平面連桿機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)與計(jì)算 從圖中容易看出，因?yàn)镋AD是繞固定點(diǎn)A轉(zhuǎn)動(dòng)的一個(gè)剛體，AD的轉(zhuǎn)動(dòng)角直接等于AE的轉(zhuǎn)動(dòng)角。根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的精確位置可以寫(xiě)出從第一精

37、確位置到第二和第三精確位置的位移矩陣和。 =由于點(diǎn)E是該剛體上的點(diǎn)，由剛體的位移矩陣方程有： 同時(shí)，點(diǎn)E又是連架桿BE上的點(diǎn)，連架桿BE的運(yùn)動(dòng)形式是繞點(diǎn)B轉(zhuǎn)動(dòng)，且B點(diǎn)水平往復(fù)移動(dòng)。點(diǎn)E到點(diǎn)B的距離應(yīng)保持不變，有運(yùn)動(dòng)約束方程：代入上式中，可得到2個(gè)含有兩未知數(shù)的設(shè)計(jì)方程，這樣的方程組能夠解出唯一解。設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)的連桿精確位置如下表所示，則可進(jìn)行如下的數(shù)值計(jì)算：表4-3 設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)的連桿精確位置0-6002.7-6005.4-600因?yàn)榧僭O(shè)了，則設(shè)計(jì)方程可以整理關(guān)于變量的如下的線性方程組： 代入表4-1中和的值化簡(jiǎn)線性方程組，可以得到：解之得：，桿長(zhǎng) 第5章 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力分析5.1動(dòng)態(tài)靜力分析

38、以大腿機(jī)構(gòu)為例，進(jìn)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析：大腿受力分析：（如圖5-1所示）圖5-1 大腿BAGF桿受力分析（2）小腿受力分析：（如圖5-2所示）圖5-1 小腿EFH桿受力分析5.2運(yùn)動(dòng)仿真分析集成 課程設(shè)計(jì)要求所有的零部件的造型都在solidworks中完成，并在其中進(jìn)行相應(yīng)的機(jī)構(gòu)設(shè)置及仿真設(shè)置，然后對(duì)設(shè)置好的機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)求解，并分析求解結(jié)果。圖5-1 導(dǎo)入模型，加載力矩，進(jìn)行仿真設(shè)置如圖，進(jìn)行相應(yīng)的機(jī)構(gòu)設(shè)置及仿真設(shè)置，下面以手臂肩部的轉(zhuǎn)動(dòng)為例，對(duì)機(jī)器人的肩部加載Z方向的力矩。下圖描述了在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中構(gòu)件力矩動(dòng)態(tài)變化的情況。圖5-2 Z方向力矩幅值對(duì)機(jī)器人的四個(gè)電機(jī)進(jìn)行設(shè)置并仿真運(yùn)動(dòng)

39、。取腳尖一點(diǎn)代表腳部運(yùn)動(dòng)。5.2.1腳尖分析腳尖位移分析 圖5-1腳尖X方向位移分量可以從圖中看出腳尖位移大致符合勻速運(yùn)動(dòng)，即位移隨時(shí)間的推移而呈直線上升，即等速運(yùn)動(dòng)，符合設(shè)計(jì)要求，人正常行走時(shí)即為勻速運(yùn)動(dòng)，此結(jié)果說(shuō)明這種方案的設(shè)計(jì)是可行的。圖5-2腳尖Y方向位移分量腳尖速度分析 圖5-3腳尖XY方向速度分量圖5-4腳尖X方向速度分量由于腳部有前伸和后縮兩個(gè)主要?jiǎng)幼?，所以速度線圖有正負(fù)兩種速度，收腿時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)小峰值，可能是由于大腿和小腿共同運(yùn)動(dòng)時(shí)間差導(dǎo)致的。圖5-5 腳尖Y方向速度分量Y方向也出現(xiàn)了正負(fù)速度，是由于腳部的抬高和放低兩個(gè)過(guò)程。腳尖加速度分析 圖5-6腳尖X方向加速度分量加速度大

40、致圍繞在一個(gè)恒定值，隨著時(shí)間的推移，出現(xiàn)了波動(dòng)，是由于振動(dòng)的不斷加強(qiáng)導(dǎo)致。圖5-7 腳尖Y方向加速度分量5.2.1手臂分析 手臂位移分析圖5-8手臂X方向位移分量圖5-9手臂Y方向位移分量由以上兩圖可以看出手臂的擺動(dòng)基本符合勻速運(yùn)動(dòng)，與腳部的伸縮相互配合，達(dá)到人行走的狀態(tài)，手腳相互交替擺動(dòng)。手臂速度分析 圖5-10手臂XY方向速度分量圖5-11手臂X方向速度分量圖5-12手臂Y方向速度分量手臂加速度分析 圖5-13手臂X方向加速度分量圖5-14手臂Y方向加速度分量第6章 結(jié)論6.1兩足步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)特點(diǎn)本次設(shè)計(jì)中我們利用了凸輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)了凸輪輪廓曲線來(lái)較準(zhǔn)確地控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)路線，大致達(dá)到

41、了人體步行動(dòng)作的連貫性和穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)。并且分別對(duì)大腿和小腿的不同運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)采用不同的凸輪輪廓曲線，使運(yùn)動(dòng)更形象逼真，而凸輪又靠電機(jī)來(lái)帶動(dòng)，以這種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走。6.2設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)此次設(shè)計(jì)對(duì)兩足步行機(jī)器人的設(shè)計(jì)及空間運(yùn)動(dòng)步態(tài)規(guī)劃開(kāi)展研究，具有一定的啟發(fā)性和應(yīng)用價(jià)值。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)如下。一、純機(jī)械機(jī)構(gòu)、步行穩(wěn)定、動(dòng)作流暢在總結(jié)多種兩足步行機(jī)器人腿部構(gòu)型的優(yōu)缺點(diǎn)基礎(chǔ)上，提出一種能夠利用純機(jī)械構(gòu)件實(shí)現(xiàn)行走的機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)巧妙地將凸輪傳動(dòng)引入到平面連桿機(jī)構(gòu)中，有效地克服一般機(jī)器人存在的行走不穩(wěn)定、動(dòng)作僵硬等缺點(diǎn)，還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、驅(qū)動(dòng)力矩大、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用這種腿部機(jī)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)了可以帶動(dòng)手

42、臂甩動(dòng)的8自由度空間兩足步行機(jī)器人，使該機(jī)器人具有良好的整體性能。二、小功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)、節(jié)能降耗、安全環(huán)保該兩足步行機(jī)器人采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，在模擬控制的約40mm/s的平均行走速度下，假設(shè)機(jī)器人重量為50kg，經(jīng)過(guò)估算可知每一個(gè)電機(jī)的功率不到30w，充分證明機(jī)器人的確完成了節(jié)能降耗、安全環(huán)保的改進(jìn)。三、兼并機(jī)構(gòu)的高效合理與外觀的協(xié)調(diào)美觀基于仿生學(xué)和人體工程學(xué)，注重了結(jié)合機(jī)器人機(jī)構(gòu)的高效合理和外觀的協(xié)調(diào)美觀，在設(shè)計(jì)中詳細(xì)考慮到將一些傳動(dòng)軸隱藏到機(jī)器人的胸膛和臀部中，使組建完成的機(jī)器人不僅傳動(dòng)精度高、動(dòng)作流暢，而且具有結(jié)構(gòu)優(yōu)良、外形自然、步行行為類(lèi)人等特點(diǎn)。凸輪方案與滑塊方案對(duì)比，其最主要的缺點(diǎn)是大

43、小腿有各自的凸輪和電機(jī)帶動(dòng)，使得自由度增多，不便于初始調(diào)節(jié)。關(guān)于方案的優(yōu)劣對(duì)比，前文已經(jīng)詳細(xì)談到，這里不再贅述。另外，機(jī)器人的研制堪稱(chēng)一個(gè)國(guó)家科技發(fā)展水平的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一，我們的設(shè)計(jì)固然存在著許多的缺點(diǎn)。首先是機(jī)器人的重心移動(dòng)問(wèn)題，在我們的論文討論中基本忽略了，然而這卻是一個(gè)十分重要和基本的問(wèn)題。然后關(guān)于機(jī)器人的傳感控制部分，這在電氣和計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的碩士論文中非常常見(jiàn)，更是構(gòu)型分析和性能要求的重點(diǎn)，但遺憾的是本論文并未涉足。其三，由于知識(shí)水平的欠缺，我們沒(méi)有對(duì)機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)理論分析及優(yōu)化方面進(jìn)行研究。6.3 設(shè)計(jì)結(jié)果 從三維仿真效果看，設(shè)計(jì)的兩足步行機(jī)器人行走穩(wěn)定自然、動(dòng)作連貫流暢，大小腿

44、的抬動(dòng)和放低動(dòng)作達(dá)到了準(zhǔn)確位置的要求，手臂的甩動(dòng)符合常人行走的特征，角度亦完全正確，基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求。從運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的結(jié)果看，位移曲線相當(dāng)光滑并且隨時(shí)間的推移而呈直線上升，即等速運(yùn)動(dòng)，符合設(shè)計(jì)要求，人正常行走時(shí)即為勻速運(yùn)動(dòng)，此結(jié)果說(shuō)明這種方案的設(shè)計(jì)是可行的；速度曲線由于腳步的位置變化而有正負(fù)之分，收腿時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)小峰值，可能是由于大腿和小腿共同運(yùn)動(dòng)時(shí)間差導(dǎo)致的。Y方向也出現(xiàn)了正負(fù)速度，是由于腳部的抬高和放低兩個(gè)過(guò)程，總體較為穩(wěn)定；加速度曲線大致恒定，隨時(shí)間推移出現(xiàn)了小的波動(dòng)，是由振動(dòng)的不斷加強(qiáng)導(dǎo)致的。第7章 收獲與體會(huì)首先,對(duì)機(jī)械原理這門(mén)課程有了更深入的了解。平時(shí)只停留在一個(gè)初等的感性認(rèn)

45、識(shí)水平,沒(méi)有真正的理解透所學(xué)的具體原理該如何應(yīng)用的問(wèn)題,但在自己做設(shè)計(jì)過(guò)程中老在問(wèn)為什么,如何解決,通過(guò)這樣的想法，使自己對(duì)自己所學(xué)的理論有了深入的理解.在設(shè)計(jì)過(guò)程中,如何才能把所學(xué)的理論運(yùn)用到實(shí)際中,這才是我們學(xué)以所獲,學(xué)以致用的真正宗旨,這也是當(dāng)我們從這個(gè)專(zhuān)業(yè)畢業(yè)后所必需具有的能力,這也更是從學(xué)到時(shí)間的過(guò)程,才能為自己在以后的工作中游刃有余,才能為機(jī)械工業(yè)的發(fā)展盡綿薄之力.其次對(duì)所學(xué)的專(zhuān)業(yè)課產(chǎn)生了很大的興趣，對(duì)專(zhuān)業(yè)軟件的運(yùn)用更加熟練。在做設(shè)計(jì)的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)機(jī)械的很多東西滲透在我們生活的方方面面,小到鐘表,大到航天器。這也給自己很大的學(xué)習(xí)范圍和任務(wù)，更給了自己很大的發(fā)展空間和興趣的培養(yǎng)。在設(shè)

46、計(jì)機(jī)構(gòu)和動(dòng)畫(huà)模擬以及運(yùn)動(dòng)模擬分析的過(guò)程中，不斷地操作如AutoCAD、SOLIDWORKS、ADAMS這些機(jī)械設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)軟件，不僅鞏固了機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖、運(yùn)動(dòng)原理的知識(shí)，而且讓我們?cè)诙潭痰臅r(shí)間里快速地學(xué)會(huì)了新的制圖軟件，觸摸了高端的機(jī)械設(shè)計(jì)工具，為畢業(yè)以后的機(jī)械行業(yè)繼續(xù)深造提供了必要的軟件基礎(chǔ)。最后對(duì)團(tuán)隊(duì)的合作有了更深的體會(huì)。每個(gè)人不可能方方面面都會(huì)，這就需要團(tuán)隊(duì)組員各自發(fā)揮自己的優(yōu)點(diǎn)，說(shuō)出各自的想法，取長(zhǎng)補(bǔ)短，這樣才能從別人身上學(xué)到自己所缺的能力和品質(zhì)，在現(xiàn)代的企業(yè)合作中，團(tuán)隊(duì)合作精神是很重要的，各個(gè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)都需要很多人傾注心血，這樣才能使企業(yè)有長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展。設(shè)計(jì)過(guò)程中我主要負(fù)責(zé)文獻(xiàn)資料的查找與整理，

47、方案評(píng)價(jià)和選擇，傳動(dòng)設(shè)計(jì)與計(jì)算，設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的編寫(xiě)，PPT制作。黃凱主要負(fù)責(zé)方案設(shè)計(jì)，三維建模，運(yùn)動(dòng)仿真，凸輪設(shè)計(jì)與校核，動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果的分析。機(jī)構(gòu)尺寸共同設(shè)計(jì)完成。這門(mén)課程的結(jié)束是我們這學(xué)期學(xué)習(xí)的終點(diǎn)，但卻是我們?cè)賹W(xué)習(xí)、再創(chuàng)造的開(kāi)端，學(xué)海無(wú)涯，天外有天，我們將繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)機(jī)械綜合設(shè)計(jì)這門(mén)學(xué)科的學(xué)習(xí)和研究，以更飽滿(mǎn)的熱情投入到今后的學(xué)習(xí)生活中，做不斷探索，勇于創(chuàng)新的西南交大機(jī)械學(xué)子。第8章 致謝本次課程設(shè)計(jì)原本是設(shè)計(jì)一個(gè)兩足步行椅，然后得到了何朝明老師的建議和悉心指導(dǎo)，最后完成了這個(gè)行走機(jī)器人，在此對(duì)他表示衷心地感謝。參考文獻(xiàn)Yusuke S et al. Design of a battery-

48、powered multi-purpose bipedal locomotor with parallel mechanismA. proceedings of the 2002 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems C. Lausanne, Switzerland: 2002. 2658-2663.郭清.教學(xué)雙足行走機(jī)器人的研究D.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2008.陳禮順.空間超冗余度機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究D.成都:西南交通大學(xué)，2009.8宋繼祥等.兩足步行機(jī)器人的靜態(tài)平衡分析J.煤礦機(jī)

49、械,2007,(28):72-74李紅兵.兩足步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及步態(tài)規(guī)劃研究D.南京:東南大學(xué),2009. 5梁靜強(qiáng).雙足步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真D.南昌航空大學(xué),2007.6Shuuji Kajita and Kazuo TANI. Experiment Study of Based Dynamic Walking in the Linear Pendulum ModeJ. Proceeding of the 1995 IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2885-2889.GONG Tao, CAI Z

50、-i x ing.Parallel evolutionary computing and 3-tier load balance of remote mining robotJ. Trans. Nonferrous Met. Soc. China,2003,(13):948-952Q Huang ,S Kajita et al. A High Stability, Smooth walking Patern for a BipedRobot. Proceeding of ICRA99,65-71.LIU Changhuan etc.Biped Robot with Triangle Confi

51、gurationJ. CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING,2012,(25):20-28附錄1建模過(guò)程：（一）大腿的建模 （二）小腿建模（三）腳掌建模（四）大手臂的建模（五）臀部的建模（六）上身建模（七）曲柄及各部件建模（八） 凸輪通過(guò)SOLIDWORKS使用參數(shù)自動(dòng)生成。生成的大小凸輪如下。 （九）裝配與組建工作。（十）給凸輪裝以驅(qū)動(dòng)馬達(dá)（十一）模擬環(huán)境下進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真附錄二附錄三 一、兩足步行機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 機(jī)器人是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然產(chǎn)物，人類(lèi)發(fā)明機(jī)器人的目的就是設(shè)法用機(jī)器人代替人類(lèi)從事某種工作或服務(wù)人類(lèi)。雙足機(jī)器人的研制開(kāi)始于上世紀(jì)7

52、0年代末，由于國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都從事于這一領(lǐng)域的研究工作，使得雙足機(jī)器人的研究工作進(jìn)展迅速，如今已經(jīng)成為機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的主要研究方向之一。從發(fā)展到現(xiàn)在，所經(jīng)歷的時(shí)間雖然不長(zhǎng)，可是在各國(guó)研究人員的致力研究下，已取得了不少成果，也裝配出了不少樣機(jī)。雙足行走機(jī)器人可以按照自由度、機(jī)構(gòu)類(lèi)型、控制方式等的不同來(lái)進(jìn)行分類(lèi)。雙足行走機(jī)器人按照步行機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目的多少可分為多自由度步行機(jī)器人和少自由度步行機(jī)器人。少于7個(gè)自由度的為少自由度步行機(jī)器人，其它為多自由度步行機(jī)器人。多自由度步行機(jī)器人由于機(jī)構(gòu)自由構(gòu)件多，因而動(dòng)作空間大、靈活性好、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、變速較為方便。但由于動(dòng)力源較多，因而體積大、重量較重、控制

53、比較復(fù)雜、控制精度要求高、成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、研制難度大。而少自由度步行機(jī)器人卻具有與之恰好相反的優(yōu)缺點(diǎn)。但少自由度步行機(jī)器人也可以應(yīng)工作環(huán)境要求在其上增加自由度，對(duì)系統(tǒng)作相應(yīng)改變，這是一個(gè)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從低級(jí)到高級(jí)的過(guò)程，從而達(dá)到滿(mǎn)足實(shí)用的要求。另外在一定的工作環(huán)境中，少自由度步行機(jī)器人同樣能完成一定的預(yù)期工作，而且能發(fā)揮它體積小、重量輕、價(jià)格低的優(yōu)勢(shì)、對(duì)于使用要求在一定的空間范圍內(nèi)的用戶(hù)具有很大的吸引力。所以無(wú)論從長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展的觀點(diǎn)還是從目前的現(xiàn)實(shí)可行性出發(fā)，開(kāi)發(fā)少自由度步行機(jī)器人仍是當(dāng)前的發(fā)展方向。目前認(rèn)為比較成熟且廣泛被人們認(rèn)識(shí)的主要有純機(jī)構(gòu)形式、仿生機(jī)構(gòu)形式和控制學(xué)的多關(guān)節(jié)等三種。純機(jī)構(gòu)

54、形式的典型應(yīng)用有東京大學(xué)舟橋彥明教授采用的平面連桿機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是自由度較少，具有少自由度步行機(jī)器人特點(diǎn)；仿生機(jī)構(gòu)形式類(lèi)似于人足的純關(guān)節(jié)形式，其代表有早稻田大學(xué)加藤-fig先生研究的純關(guān)節(jié)雙足機(jī)器人(WL5型)，其特點(diǎn)是仿照人腳形式，通過(guò)各關(guān)節(jié)的聯(lián)合動(dòng)作實(shí)現(xiàn)步行移動(dòng)；控制學(xué)形式如東京大學(xué)的熊則付男先生研究的多自由度雙足機(jī)器人，完全使用控制理論來(lái)實(shí)現(xiàn)。按照應(yīng)用環(huán)境的不同，機(jī)器人可以分為工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人兩大類(lèi)。所謂工業(yè)機(jī)器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。而特種機(jī)器人則是除工業(yè)機(jī)器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類(lèi)的各種先進(jìn)機(jī)器人，包括服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人、軍用機(jī)

55、器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人等。服務(wù)機(jī)器人中專(zhuān)門(mén)有一類(lèi)為殘疾人服務(wù)的機(jī)器人，被稱(chēng)為助殘機(jī)器人。目前有一種雙足步行椅機(jī)器人正是這種助殘機(jī)器人的一種，是在擬人機(jī)器人基礎(chǔ)上，專(zhuān)為下肢殘疾、行動(dòng)不便的殘疾人所設(shè)計(jì)的新型助殘機(jī)器人。二、國(guó)外研究現(xiàn)狀說(shuō)起國(guó)外機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，不得不先提到日本。日本是世界上最早研究雙足步行機(jī)器人的國(guó)家之一。其研究主要集中在大學(xué)和大型公司的研究所。世界上第一臺(tái)仿人步行機(jī)器人就誕生于日本早稻田大學(xué)的加藤一郎實(shí)驗(yàn)室4。早在1967 年，早稻田大學(xué)就研制出的 WL-1結(jié)構(gòu)上模仿了人體的下肢，通過(guò)雙腿模擬實(shí)驗(yàn)研究出行走的基本參數(shù)。接著1969 年的 WL-3通過(guò)電動(dòng)液壓伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)

56、可以基本實(shí)現(xiàn)人的走和坐的動(dòng)作。1971 年又研制出的WL-5進(jìn)一步改進(jìn)，雙腿各具有 5 個(gè)自由度，可以通過(guò)程序控制它行走方向的改變。1973 年早稻田大學(xué)研制的 Wabot-1是第一個(gè)完全按照人的比例研制的，實(shí)現(xiàn)了平地的靜態(tài)行走，直到現(xiàn)在，早稻田大學(xué)的機(jī)器人研究所一致在不斷改進(jìn)其Wabot 系列雙足步行機(jī)器人。之后加藤實(shí)驗(yàn)室的 WL-9DR仍然采用液壓驅(qū)動(dòng)，通過(guò)16 位機(jī)的控制第一次真正實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)動(dòng)態(tài)的擬人行走。1983 年加藤實(shí)驗(yàn)室研制出的 WL-10R是在以前研制的基礎(chǔ)上采用了碳纖維高強(qiáng)度塑料盒盤(pán)式旋轉(zhuǎn)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)向前向后和平面的轉(zhuǎn)彎，實(shí)現(xiàn)了每步周期 1.5 秒，步長(zhǎng) 40cm

57、的平穩(wěn)動(dòng)態(tài)步行。WL-10RD是在前者的基礎(chǔ)上增加了程序控制從而實(shí)現(xiàn)平坦路面 1.3 秒/步，梯路面 2.5 秒/步的行走速度。1986 年 WL12以及其改進(jìn)型WL-12RDIII，在腰部增加了兩個(gè)自由度，通過(guò)控制用軀干的運(yùn)動(dòng)來(lái)平衡下肢的運(yùn)動(dòng),可以實(shí)現(xiàn)在位置路面情況下的行走?；緦?shí)現(xiàn)機(jī)器人下肢的擬人行走的自主控制。東京大學(xué)的一名名叫井上博允的教授的研究小組開(kāi)發(fā)研究的名為“JSK-H7”（圖11）， 使用了 32個(gè)模擬自由度，高145 厘米，體重55 公斤，內(nèi)置2 臺(tái)高性能小型計(jì)算機(jī)，眼睛是2 臺(tái)CCD 照相機(jī)。為了能夠在一定程度上模擬人類(lèi)的行為方式，特別之處在于模擬人的足尖行走，動(dòng)作與人相當(dāng)

58、近似；它能夠辨認(rèn)前方情況，以時(shí)速1 公里的速度步行。 圖 1-1 JSK-H7 圖 1-2 saika-3東北大學(xué)內(nèi)山研究室的saika-3 機(jī)器人（圖1-2），具有30 個(gè)自由度，大小和人相似，但重量卻很輕，并且具有高度的柔軟性，不會(huì)傷害到操作者。日本本田公司從1986 年從事仿人雙足步行機(jī)器人的研究工作，至97 年底已經(jīng)推出了P 系列1, 2, 3 型仿人雙足步行機(jī)器人xiixiii。P2型機(jī)器人（圖1-3）于1996 年12 月推出，使用Ni-Zi 電源供電，而且采用了無(wú)線遙控技術(shù)，使其能夠完成諸如速度達(dá)到3km/h 的動(dòng)態(tài)行走、上下樓梯及推運(yùn)物體等等。P2的問(wèn)世將雙足步行機(jī)器人的研究工

59、作推向了高潮，使本田公司在此領(lǐng)域處于世界絕對(duì)的領(lǐng)先的地位，被稱(chēng)之為當(dāng)今機(jī)器人領(lǐng)域的最大發(fā)明。1997年12 月本田公司又推出了P3型仿人步行機(jī)器人（圖1-4），基本上與P2型相似，只是在重量和高度上有所降低（由原來(lái)的210kg 降為130kg,高度由1800mm 降為1600mm),且使用了新型的鎂材料。他們通過(guò)對(duì)人行走的研究出發(fā)，在P2和P3都使用了大量的傳感器如陀螺儀、重力傳感器、六維力力矩傳感器和視覺(jué)傳感器，基于這些傳感器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)行走。 圖1-3 P2型機(jī)器人 圖1-4 P3型機(jī)器人 圖1-5 本田ASIMO機(jī)器人2000 年11 月本田公司推出新型雙足步行機(jī)器人“ASIMO（Ad

60、vanced Step in Innovative Mobility）”（圖1-5），并演示了ASIMO 的步行情形。在雙腳步行方面， 采用了新開(kāi)發(fā)的技“I-WALK(Intelligent Realtime Flexible Walking)”，可以更加自由地步行。I-WALK 是在過(guò)去的雙腳步行技術(shù)的基礎(chǔ)上組合了新的“預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)控制”功能。它可以實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)以后的動(dòng)作，并且據(jù)以事先移動(dòng)重心改變步行的形式。過(guò)去由于不能進(jìn)行預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)控制，因此當(dāng)從直行改為轉(zhuǎn)彎時(shí)，必須先停止直線動(dòng)作后才可以轉(zhuǎn)彎。而ASIMO 通過(guò)事先預(yù)測(cè)“下面轉(zhuǎn)彎以后重心向外側(cè)傾斜多少”等重心變化，可以使得從直行改為轉(zhuǎn)彎時(shí)的步行動(dòng)作變