两足行走机器人行走部分的设计.doc

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本科毕业设计说明书（论文）第页共页

目录

1绪论 1

1.1引言 1

1.2机器人的发展及技术 1

1.3两足机器人的优点及国内外研究概况 2

1.4本课题的主要工作 7

2双足机器人本体结构设计分析 8

2.1引言 8

2.2两足机器人的结构分析 8

2.3机器人设计思路 9

2.4机器人设计方案 10

2.5驱动方式的选择 12

3双足机器人的具体制作 13

3.1双足机器人的材料选择 13

3.2双足机器人的零件加工 13

3.3两足机器人的组装 16

3.4两足机器人相关数据 19

3.5两足机器人总体尺寸 19

3.6舵机具体参数 19

4课题总结 20

结束语 21

致谢 22

参考文献 23

本科毕业设计说明书（论文）第21页共23页

1绪论

1.1引言

目前，机器人已形成一个不同技术层次、应用于多种环境的“庞大”家族，从天上到地下，从陆地到海洋到处都可以看到机器人的身影。

世界著名机器人专家，日本早稻田大学的加藤一郎教授曾经指出“机器人应当具有的最大的特征之一是步行功能”。

步行机器人的研究涉及到多门学科的交叉融合，如仿生学、机构学、控制理论与工程学、电子工程学、计算机科学及传感器信息融合等。

仿人形机器人正成为机器人研究中的一个热点，其研究水平，在一定程度上代表了一个国家的高科技发展水平和综合实力。

研究仿人形双足步行机器人，除了具有重要的学术意义，还有现实的应用价值。

1.2机器人的发展及技术

1.2.1机器人的发展

20世纪40年代，伴随着遥控操纵器和数控制造技术的出现，关于机器人技术的研究开始出现。

60年代美国的ConsolidatedControl公司研制出第一台机器人样机，并成立了Unimation公司，定型生产了Unimate机器人。

20世纪70年代以来，工业机器人产业蓬勃兴起，机器人技术逐渐发展为专门学科。

1970年，第一次国际机器人会议在美国举行。

经过几十年的发展，数百种不同结构、不同控制系统、不同用途的机器人已进入了实用化阶段。

目前，尽管关于机器人的定义还未统一，但一般认为机器人的发展按照从低级到高级经历了三代。

第一代机器人，主要指只能以“示教-再现”方式工作的机器人，其只能依靠人们给定的程序，重复进行各种操作。

目前的各类工业机器人大都属于第一代机器人。

第二代机器人是具有一定传感器反馈功能的机器人，其能获取作业环境、操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，机器人按照己编好的程序做出一定推理，对动作进行反馈控制，表现出低级的智能。

当前，对第二代机器人的研究着重于实际应用与普及推广上。

第三代机器人是指具有环境感知能力，并能做出自主决策的自治机器人。

它具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维，判断决策，在作业环境中可独立行动。

第三代机器人又称为智能机器人，并己成为机器人学科的研究重点，但目前还处于实验室探索阶段[1]。

机器人技术己成为当前科技研究和应用的焦点与重心，并逐渐在工农业生产和国防建设等方面发挥巨大作用。

可以预见到，机器人将在21世纪人类社会生产和生活中扮演更加重要的角色。

1.2.2机器人技术

机器人学是一门发展迅速的且具有高度综合性的前沿学科，该学科涉及领域广泛，集中了机械工程、电气与电子工程、计算机工程、自动控制工程、生物科学以及人工智能等多种学科的最新科研成果，代表了机电一体化的最新成就[2]。

机器人充分体现了人和机器的各自特长，它比传统机器具有更大的灵活性和更广泛的应用范围。

机器人的出现和应用是人类生产和社会进步的需要，是科学技术发展和生产工具进化的必然。

目前，机器人及其自动化成套装备己成为国内外备受重视的高新技术应用领域，与此同时它正以惊人的速度向海洋、航空、航天、军事、农业、服务、娱乐等各个领域渗透。

目前，虽然机器人的能力还是非常有限的，但是它正在迅速发展。

随着各学科的发展和社会需要的发展，机器人技术出现了许多新的发展方向和趋势，如网络机器人技术、虚拟机器人技术、协作机器人技术、微型机器人技术和双足步行机器人技术等。

人们普遍认为，机器人技术将成为紧随计算机技术及网络技术之后的又一次重大的技术革命，它很可能将世界推向科学技术的新时代[3]。

1.3两足机器人的优点及国内外研究概况

1.3.1双足机器人的优点

首先，双足步行的移动方式在地面不平整或其它恶劣条件下（如充满障碍物）比其他方式要灵活得多，具有更好的机动性。

研究仿人形双足步行机器人，以代替人类在核电站、太空、海底及其它危害人类身心健康的复杂极端环境中工作，将大大拓展人类的活动空间。

其次，双足步行机器人的步行系统是一个内在的不稳定系统，其动力学特性非常复杂，具有多变量、强耦合、非线性和变结构的特点。

因此，它是控制理论和控制工程领域的一个极好的研究对象，开展双足步行技术的研究，必然推动控制理论的发展和控制技术的进步。

再次，步行是人类的一种基本活动能力，但有相当数量的人因为疾病或意外事故失去了这种能力，双足步行技术的发展会促进动力型假肢的研制，将有可能解决截瘫病人和小儿麻痹症患者的行走问题，为康复医学做出贡献。

对机器人双足动态行走机理的深入研究也使我们更深刻地理解人类活动的内在本质，有助于生物医学工程和体育运动科学的发展。

1.3.2双足机器人的步态特点及研究意义

步态规划是双足机器人失衡检测与控制的基础及预备性工作，也是双足步行机器人的一项重要内容。

所谓的步态，是指在步行过程中，步行本体的身体各部位在时序和空间上的一种协调关系；步态规划就是给出机器人各关节位置与时间的关系，是双足步行机器人研制中的一项关键技术，也是难点之一。

步态规划的好坏将直接影响到双足步行机器人的行走稳定性、美观性以及各关节所需驱动力矩的大小等多个方面，已经成为双足步行机器人领域的研究热点。

基于上述原因，本课题拟进行双足机器人步行稳定性研究，研制具有高度稳定性的双足步行机器人平台，为进一步的行走机器人失衡检测及控制技术研制奠定基础。

1.3.3国外研究概况

双足机器人的研制开始于上世纪60年代末，虽然只有四十多年的历史。

然而，两足机器人的研究工作进展迅速，国内外许多学者正从事于这一领域的研究，如今已成为机器人技术领域的主要研究方向之一。

步行的稳定性是两足机器人的难点和关键，南斯拉夫学者MemoirVakobrativitch于1969年提出的ZMP（ZeroMomentPoint）理论较好地解决了动态步行稳定性判断问题。

ZMP点，即零力矩点，是双足机器人所受重力、惯性力及地面反力三者合力矢的延长线与地面的交点。

双足机器人一只脚着地时，ZMP点必须落在脚掌的范围内；双脚着地时，则位于两只脚掌形成的凸多边形内。

在ZMP点，机器人所受的侧向力和力矩都为零。

1971年，英国人I·Kato试制了“Wap3”，最大步幅15mm，周期45s。

1971年至1986年间，英国牛津大学的Wit等人制造并完善了一个两足步行机器人，该机器人能在平地上行走良好，步速达到0.23m/s[4]。

加拿大的Tad·McGee主要研究被动式两足机器人，即在无任何外界输入的情况下，靠重力和惯性力实现步行运动。

1989年，他建立了平面型的两足步行机构，两腿为直杆机构，没有膝关节，每条腿各由一个小电机来控制腿的伸缩，无任何主动控制和能量供给，具有简单二级针摆特征，放在斜坡上，可依靠重力，实现动态步行。

法国BIP2000计划是由法国demecaniquedesSolodersdePoiters实验室和INRIA机构合作的一个项目。

其目的是建立一套可以适应未知条件行走的两足机器人系统，设计了一个具有15个自由度的双足步行机器人（只有躯干和腿）。

现代机器人发展最迅速的是有“机器人王国”之称的日本。

其中最具有代表性的研究机构有:

加藤实验室、日本早稻田大学、日本东京大学、日本东京理工学院、日本机械学院、松下电工、本田公司和索尼公司等。

日本早稻田大学的加藤一郎教授于1968年率先展开了双足步行机器人的研制工作，并先后研制出WAP系列样机。

1969年研制出WAP-1平面自由度步行机器人，该机器人具有六个自由度，每条腿有髋、膝、踝三个关节；关节处使用人造橡胶肌肉，通过充气、排气引起肌肉收缩，肌肉的收缩牵引关节转动从而实现步行。

1971年，研制出WAP-3型双足机器人，仍采用人工肌肉，具有11个自由度，能在平地、斜坡和阶梯上行走；该机器人重13Okg，高0.9m，实现步幅15cm，每步45s的静步行；同年又研制出WL-5双足步行机器人，该机器人采用液压驱动，具有11个自由度，下肢作三维运动，上躯体左右摆动以实现双足机器人重心的左右移动。

1973年，在WAP-5的基础上配置机械手及人工视觉、听觉等装置组成自主式机器人WAROT-1。

1980年，推出WL-9DR双足机器人，该机器人采用预先设计步行方式的程序控制方法，通过对步行运动的分析及重复实验设计步态轨迹，用设计出的步态控制机器人的步行运动，该机器人采用了以单脚支撑期为静态，双脚切换期为动态的准动态步行方案，实现了步幅45cm，每步9s的准动态步行。

1984年，研制出采用踝关节力矩控制的WL-10DR双足机器人，增加了踝关节力矩控制，将一个步行周期分为单脚支撑期和转换期。

1986年，又成功研制了WL-12（R）双足机器人，该机器人通过躯体运动来补偿下肢的任意运动，实现了步行周期1.3s，步幅30cm的平地动态步行。

日本东京大学的JouhouSystemKougaka实验室研制了H5、H6型仿人型双足步行机器人。

该机器人总共有30个自由度，其中在H5型的步态规划设计中充分考虑了动态平衡条件，采用遗传算法来实现上体的补偿运动以补偿ZMP轨迹的跟踪，上体运动的轨迹用三次样条插值来实现。

在H5双足机器人的头部安装有两个CCD彩色摄像头，可以定位前面的物体并能够在CCD的协助下用7自由度的手来抓取的目的。

日本机械学院的S·Kajita等针对一台具有4台前向驱动电机且全部安装在机器人的上体的五连杆平面型双足步行机器人MeltranⅠ，研究其动态行走的控制方法。

他根据机器人机构质量几乎完全集中在上体的事实，为使双足步行机器人实现稳定、周期性的动态行走，对机器人上体采用了约束控制方法，提出了一种理想的线性倒立摆模型。

同时又提出了机构轨道能量守恒的概念，来求解各个关节运动轨迹及输入力矩，实现了在已知不平整地面上的稳定动态步行。

1996年他们又在此样机的基础上加载了超声波视觉传感器以实现实时提供地面信息的功能。

将视觉传感器系统与针对线性倒立摆所提出的控制模式相结合构成自适应步态控制系统，使MeltranⅡ成功地实现了在未知路面上的动态行走。

代表双足步行机器人和拟人机器人研究最高水平的是本田公司和索尼公司。

他们代表了当今两足步行机器人和拟人型机器人发展的最高水平。

本田公司从1986年至今己经推出了P系列1，2，3型机器人。

并且于2000年11月20日，推出了新型双足步行机器人“ASIMO（AdvancedStepinInnovativeMobility）”，“ASIMO”和“P3”相比，实现了小型轻量化，使其更容易适应人类的生活空间，通过提高双脚步行技术使其更接近人类的步行方式。

双脚步行技术方面采用了新开发“I-WALK（IntelligentReal-timeFlexibleWalk）”。

I-WALK是在过去的步行技术的基础上组合了新的“预测运动控制功能”，它可以实时预测以后的动作，并且据此事先移动重心来改变步调。

过去由于不能进行预测运动控制，当从直行改为转弯时，必须先停止直行动作后才可以转弯。

索尼公司于2000年11月21日在四足娱乐机器人AIBO的基础上推出了人