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仿人双足机器人机构设计毕业设计论文

仿人双足机器人机构设计

毕业设计中文摘要

仿人双足机器人是机器人研究的前沿领域，是多种科技的结合，代表一个国家的技术水平。

仿人双足机器人最大的特征就是双足步行，因此它的灵活性很高，可以代替人类完成危险作业。

本文回顾了国内外仿人双足机器人的发展历史，在分析人类下肢结构的基础上，确定机器人机构的自由度配置、关节结构及驱动形式。

在inventor环境下进行机构的建模及装配，完成仿人双足机器人机构的设计，最后对仿人双足机器人机构进行运动模拟和强度分析，检验机构的运动性能和强度，进一步优化机构的设计。

关键词：

仿人双足机器人，机构设计，运动模拟，强度分析

毕业设计外文摘要

TitleDesignofhumanoidbipedrobot

Abstract

Humanoidbipedrobotisafrontierfieldofrobotresearch,isthecombinationofscienceandtechnology,thetechnicallevelonbehalfofacountry's.Characteristicsofhumanoidbipedrobotisthebiggestbipedwalking,soitshighflexibility,canreplacehumandodangerouswork.

Thispaperreviewsthedevelopmenthistoryofdomesticandforeignhumanoidbipedrobot,basedonanalysisofhumanlowerlimbstructure,determinetherobotDOFconfiguration,jointstructureanddrivemode.Modelingandassemblymechanismbasedoninventor,completedthedesignofhumanoidbipedrobotmechanism,finallycarriesontheanalysisofmotionsimulationandstrengthofhumanoidbipedrobot,motionperformanceandthestrengthoftheinspectionorganization,andfurtheroptimizethemechanismdesign.

KeywordsHumanoidbipedrobot，mechanismdesign，motionsimulation，strengthanalysis

1绪论

1.1课题研究的意义

随着机器人研究的不断深入，应用领域的不断拓宽，人们把目光更多的集中在仿人双足机器人的研究上[1]。

仿人双足机器人融合了多种学科、高新技术于一身，不仅代表了机器人研究领域的尖端技术，也反映了一个国家的科技水平，因此各个国家都投入巨资开展研究。

正如著名的机器人专家，日本的加藤一朗教授说的那样“步行功能应当是机器人所具备的最大特征之一[2]”。

与其他步行机器人相比仿人双足机器人最主要的特征就是双足步行，双足步行是人类的特有功能，是人腿经过不断进化的结果。

因此双足机器人的步行是机器人步行系统中最复杂、自动化程度最高的，其步行系统主要有以下几个特点：

（1）仿人双足机器人地面适应能力强，步行占地面积小，移动范围大、盲区小，有较高的越障能力，可以实现上下台阶、通过崎岖路面等复杂动作。

（2）仿人双足机器人的能耗低，可以设置独立的能源供给，适应未来能源紧张的形势。

（3）仿人双足机器人应用前景广阔，不仅可以代替人在危险条件下工作，也可以改装成移动平台加装各种设备，扩大加装设备的移动范围。

仿人双足机器人机构在工程应用上是少有的多自由度、高阶、非线性系统，这些无疑对机器人的机械结构和驱动装置提出了新的要求。

仿人双足机器人机构是机器人动力学、运动学及相关控制理论研究的理想平台，力学及控制领域中的理论、方法经常会在对其机构的研究中创新[3]。

不仅如此在研究仿人双足机器人机构的过程中还能对周边的学科—如仿生学、人工智能等产生推动作用，促进其发展。

1.2国内外仿人双足机器人发展现状

1.2.1国外仿人双足机器人研究现状

最早在1968年的英国，Mosher.R试制了一台只有髋和踝两个关节的操作型双足步行机器人“Rig”，操作者依靠力来反馈感觉保持机器平衡，这种主从式的机械装置可以算的上是双足步行机器人的雏形[4]。

与此同时，大洋彼岸的日本早稻田大学也在机器人专家加藤一郎的带领下开始研制双足机器人，1969年WAP-1平面行走步行机诞生，机构形式为串联平面机构，共有6个自由度，每条腿有踝、膝、髋三个关节，关节为人造橡胶肌肉构成，肌肉的收缩通过注气排气实现，而后牵引关节转动实现迈步。

但是由于气体的可压缩性，该机器人行走不稳定。

1971年WAP-2诞生，其机构形式与WAP-1机器人基本相同，共有11个自由度，也是通过人造肌肉的驱动使机器人实现在平地、斜坡和台阶上行走。

该机器人体重为130kg，高为0.9m，可载荷30kg，可以实现步幅为0.15m，每步45s的静态步行[5]。

1973年成功研制出仿人机器人WABOT-1，是一个模仿人类双足行走的机器人，1984年研发出WABOT-2，这是款可以弹琴的机器人；1992年早稻田大学制定出仿人机器人研发计划，于1995年研发出导航机器人Hadaly-1，1997年又研发出双足行走机器人WABIAN[6]，WABIAN-2（左）和WABIAN-RIV（右）机器人如图1.1所示。

图1.1WABIAN系列机器人

日本东京大学制研的H5、H6、H7系列机器人，如图1.2所示，是完全仿人形的，特别是H7型机器人，它高1.5m，重55kg，下肢比一般的双足机器人多了两个足趾关节的自由度，拥有三轴加速度传感器，可以通过脚部配备的六维力传感器识别触地状态，因此它可以模拟人类的足尖行走[7]。

图1.2东京大学仿人机器人系列

川田工业、产业技术综合研究所及川崎重工业联合试制出HRP系列类人机器人，HRP-2是第一个具有人类外形尺寸的机器人，它可以躺下也可以起立，如图1.3所示。

HRP-3机器人为防尘防水构造，在易滑的冰面上，也能以1.5km/h的速度步行。

另外，它还具有腿腕协调控制功能，可进行需要单手支撑、弯下身去才能完成的操作[6]。

图1.3HRP-2机器人

日本本田公司按研制时间先后，把所研制出的仿人双足机器人分别命名为P1、P2、P3。

P2于1996年12月研制成功，是上世纪第一个无缆的双足机器人，高1.8m，重210kg，可以实现独自行走、上下台阶、和推车等复杂动作。

P3是P2的升级版，尺寸由原来的1.8m降为1.6m，体重却减少了近70kg，行动能力大幅提升。

2000年10月ASIMO智能仿人双足机器人诞生，它高1.2m，重52kg，行走速度为0~1.6km/h，驱动方式为伺服电机和谐波减速器，采用I-WALK技术，它可以通过实时预测下一个动作来提前改变身体重心，因此可以自如的行走，进行诸如“8”字行走、上下台阶和弯腰等各项“复杂”动作[8]。

图1.4为P2、P3和ASIMO机器人。

图1.4本田系列机器人

早稻田大学机械工程系研制出的双腿行走机械装置WL-15采用完全并联的腿部结构，如图1.5所示，腿部由三套并联的双缸机构组成，足部由骨盆的六个缸体汇聚而成。

相比传统的双足机器人腿部机构来说，它的执行元件承受的负载要更小，相对负载能力更强。

但是由于WL-15没有膝关节，因此无法完全模拟人类的行走步态。

德国慕尼黑技术大学应用力学实验室研制出的Johnnie双足机器人，如图1.5所示，高1.8m，重40kg，两条腿共12个自由度，通过直流电机来配合轻质齿轮减速器实现驱动[9][10]。

图1.5Johnnie和WL-15机器人

1.2.2国内仿人双足机器人研究现状

与国外相比，我国的仿人双足机器人研究起步较晚，直到20世纪80年代中期才开始仿人双足机器人的研究工作，当时的主要研究单位有国防科技大学和哈尔滨工业大学。

哈尔滨工业大学早在1985年就开始研制双足机器人，截止1995年已经成功研制出HIT-Ⅰ、HIT-Ⅱ、HIT-Ⅲ三个型号。

1995年成研制出HIT-IH机器人，每条腿共有6个自由度，踝关节由两个正交的电机驱动。

2004年6月成功研制出能用脚踢足球的双足类人足球机器人，如图1.6所示。

2000年，中国第一台仿人双足机器人“先行者”在国防科技大学诞生，如图1.6所示，它高1.4m，重20kg，全身共具有17个关节，像人类一样拥有躯体、四肢、头部，并具备一定的语言功能。

腿部为串联机构，通过电机经谐波减速驱动关节，从而实现机器人的动作。

2002年12月由北京理工大学研制的中国第一个真正意义上的仿人机器人BRH通过了验收。

BRH-01高1.58m，重76kg，全身共32自由度，步幅为0.33m，步速为1km/h。

2005年第三代BRH-1“汇童”由北京理工大学和中科院沈阳自动化所合作研制成功，如图1.6所示，它高1.6m，重63kg，突破了仿人机器人的复杂动作设计，腿部为串联结构，每条腿具有6个自由度。

同时它还具有人类的视觉、语音和平衡功能，并且首次在国际上模仿中国传统的太极拳、刀术等复杂动作。

图1.6国内仿人双足机器人

1.2.3仿人双足机器人机构设计概述

根据上面的国内外仿人双足机器人的研究现状中我们可以总结出其机构形式主要有以下几种：

1、多关节串联

为多数仿人双足机器人采用，如HIT-Ⅲ、“先行者”和“汇童”，这类机器人的主要特点是：

（1）串联的机构方式更加形象，由于其机构的位置正解比较容易，使得串联机构在控制上比较成熟，这也是国内大多机器人采用串联机构的原因。

（2）串联机构在机构形式上为多个空间旋转自由度的串联，如图1.7所示，机构形式不够紧凑，因此带来了体积和重量上的问题，进而影响机器人的整体性能。

2、完全并联

最典型的就是由早稻田大学研制的WL-15双足机器人，由于采用完全并联的腿部结构，不仅分散了各个缸体承受的载荷，使得机器人腿部的刚度大，相对的承载能力强，还使得逆解运算更加容易[11]。

这种结构虽然可以实现双足步行，但是由于缺少膝关节，不仅使得机器人的步态无法拟人而且步幅较小，如图1.7所示。

3、串联与并联结合

并联处多为踝关节和髋关节，综合了串联与并联机构的优点，本文采用的正是这种结构。

图1.7腿部结构示意图

从仿人双足机器人的驱动方式上来看，主要有电气驱动，液压驱动和气压驱动。

电气驱动是利用电动机产生力和力矩，直接或经过减速机构去驱动机器人的关节，从而获得机器人的位置、速度、加速度，过程中没有能量转换，效率较高，具有无环境污染、易于控制、运动精度高、成本低等优点，其应用最广，主要代表：

WABIAN-2机器人、H7机器人；液压驱动方式的输出力和功率更大、工作平稳可靠、精度高、易于控制，主要代表：

WL-15机器人；气压驱动采用空气作为介质、易于取得、对环境污染小，能量损失小、反应迅速、工作适应性好，成本低，主要代表：

日本早稻田大学的WAP-1。

1.3本课题研究的主要内容

“仿人双足机器人机构设计”是在分析人体结构的基础上，设计研究一种仿人双足机器人行动机构。

行动机构和人一样有两条大腿、两条小腿和两个足，具有类似人腿功能。

要求其机构具有体积小，重量轻，外形类人，关节功能上实现人体功能，驱动合理，使机构在动作和功能上尽可能的仿人，同时满足稳定性要求，主要工作如下：

1、回顾仿人双足机器人的发展历史，对国内外仿人双足机器人的机构形式、驱动方式、自由度分配、实现功能进行分析对比，确定所要设计的机器人总体结构形式。

2、分析了人体下肢的生理结构，主要对踝关节、膝关节、髋关节等关节进行重点分析，确定了仿人双足机器人机构的自由度配置、机构形式及驱动方案。

3、设计仿人双足机器人的机械结构，在inventor环境下对机器人的零件进行设计、建模、以及整体机构的装配。

4、在inventor环境下利用inventor中的运动仿真模块和应力分析模块，对机构进行运动模拟和强度分析。

2仿人双足机器人机构设计

仿人双足机器人的机构设计是有关仿人双足机器人一切研究的基础和载体，是仿人双足机器人最基本的构成。

仿人双足机器人为了达到拟人的效果，首先要求仿人双足机器人的机构为多自由度机构且自由度分配接近人类腿部的自由度分配。

其次要求所设计的仿人双足机器人机构的外形，各部位的质量比与人类接近。

本章主要是根据人类腿部的生理结构，设计仿人双足机器人机构。

2.1人体下肢分析[12][13]

骨、骨连结和骨骼肌共同组成生物体运动系，它们在神经系统的控制下对人体起着保护、运动和支持的作用[14]。

人体共有二百余块骨骼，骨骼与骨骼之间通过筋腱和软骨连接在一起，构成了人体的骨架。

骨架是一个完整的系统，是人体其他系统的基础，支撑着人类的躯体、保护着人体内部的脏器，既坚固、轻巧又便于运动，如图2.1所示

图2.1人体骨骼构造图

人体的关节是指骨与骨之间有腔隙的骨连结，一般由相接的两骨相对形成，能活动的称为“活动关节”，不能活动的称为“不动关节”，本文这里说的关节都指活动关节。

附于骨骼上的骨骼肌收缩时，牵引骨移动位置，实现关节的运动，其主要运动形式基本上分为3种：

屈和伸、内收（关节靠近身体中线）和外展（关节离开身体中线）、内旋和外旋。

如下肢的踝关节能作屈和伸、内收和外展两组动作，膝关节能做屈和伸、内旋和外旋两组动作，髋关节能做屈和伸、内收和外展、内旋和外旋三组动作，如图2.2所示。

1、2为屈伸运动、3、4为内收外展运动、5、6为内旋外旋运动

图2.2下肢关节运动

由肌肉组织构成的肌肉是人体的动力装置，驱动着全身的关节，按结构和功能可分为平滑肌、心肌和骨骼肌，这里主要介绍骨骼肌。

骨骼肌主要分布于头、颈、躯干和四肢，绝大部分上呈多层分布，并且对称于人体中轴线。

每个关节都有一对作用相反的肌肉：

屈肌和伸肌，如图2.3所示

图2.3肘关节屈肌和伸肌示意图

2.1.1下肢骨骼关节解剖分析

人体下肢关节主要有踝关节、膝关节和髋关节，主要骨骼有足骨、腓骨、胫骨、髌骨、股骨和骨盆。

1、踝关节

胫、腓骨下端的关节面及距骨滑车构成踝关节，特点是：

关节面前宽后窄，关节囊前后松弛，两侧有侧副韧带加强，因此踝关节可以做足背屈、伸运动，也可以在较小范围内外翻转。

如图2.4所示

图2.4踝关节结构运动

2、膝关节

膝关节由股骨内、外侧髁、胫骨内、外侧髁和髌骨组成，两髁下端的关节面接合径骨上端的关节面，中央放置髌骨，形成为膝关节。

膝关节为滑车关节，关节囊坚韧，韧带较多，囊内韧带为前、后交叉韧带，囊外韧带有前方的髌韧带，内侧的胫侧副韧带，外侧的腓侧副韧带等。

主要运动形式为屈伸运动，屈膝时由于侧副韧带松弛，可以稍微旋转，如图2.5所示。

图2.5膝关节构造及运动

3、髋关节

髋关节属于杵臼关节，由股骨头和髋臼相对构成。

髋臼内只有月状面被关节软骨包裹，在髋臼的边缘附着着关节盂，加深关节窝的深度。

髋臼横韧带横架在髋臼切迹上，与切迹围成一孔，有神经和血管等通过。

关节囊很厚而且十分坚韧，上端附着在髋臼的周缘及髋臼横韧带，下端前面附着在转子间线，后面附着在转子间脊内侧。

髋关节四周有韧带加强，主要是髂骨韧带长而坚韧，位于髋关节前面，可限制大腿过度后伸，对维持人体直立有重要意义。

髋关节为多轴性关节，能作屈伸、内收外展、内旋外旋运动，如图2.6所示。

图2.6髋关节构造及运动

2.1.2下肢肌肉解剖分析

下肢肌主要有髋肌、大腿肌和小腿肌。

髋肌按其部分可分为髋内肌群、髋外肌群。

大腿肌可分为前群、内群和后群，分别位于股部的前面、内侧面和后面。

小腿肌也可分为三群：

前群位于骨间膜的前面，后群位于骨间膜的后面，外侧群位于腓骨的外侧面，具体结构如图2.7所示

图2.7下肢肌肉结构图

1、髋肌

髋肌起自躯干骨和骨盆止于股骨，包绕着髋关节的四周，可分为髋内肌群、髋外肌群。

髋内肌群主要是由腰大肌和髂肌组成的髂腰肌。

腰大肌被筋膜鞘包裹，主要作用是使髋关节前屈和旋外。

主要位于臀部的髋外肌群由臀大肌、臀中肌、臀小肌和梨状肌等构成，主要作用是屈伸髋关节。

2、大腿肌

大腿肌分为前群、内群和后群，分别位于股部前面、内侧面和后面。

大腿前侧肌群的缝匠肌呈扁带状，是人体最长的肌，是大腿前侧肌群和内侧肌群外形上的分界线。

股四头肌构成了大腿的前侧体积，是人体中体积最大的肌。

股四头肌特别发达，它的4个头分别为股内侧肌、股中间肌、股外侧肌和股直肌，主要作用伸直小腿和辅助屈大腿。

大腿内侧肌群的作用是使大腿内收、内旋和外旋。

大腿后群肌肉包括股二头肌、半腱肌及半膜肌，主要作用是屈膝、伸髋和微旋小腿。

3、小腿肌肉群

小腿肌肉的数目较少，但肌肉一般都比较粗大，主要作用是维持人体站立和行走。

小腿肌可分为三群：

前群在骨间膜的前面，外侧群在腓骨的外侧面，后群在骨间膜的后面。

前群有胫骨前肌、趾长伸肌和四长伸肌，各肌收缩可使足背屈。

外侧群有腓骨长肌和腓骨短肌，皆起于腓骨外侧，主要作用是使足外翻，支撑足弓。

后群分浅、深两层，共有七块肌肉，分别为腓肠肌、跖肌、比目鱼肌、腘肌、趾长屈肌、胫骨后肌和母长屈肌。

2.2仿人双足机器人总体设计[15]

通过上文中对人体下肢关节和肌肉的分析可以得出：

人体下肢的关节结构复杂，肌肉连接的样式繁多，要使设计出的仿人双足机器人完全的拟人是不可能的。

所以首先应该对人体腿部的关节进行简化，确定简化后的关节自由度，以此来配置仿人双足机器人关节的自由度。

而后参考人体的尺寸和国内外机器人机构，确定仿人双足机器人的总体尺寸、关节机构形式及驱动方式。

最后在inventor环境下对机器人机构进行建模和装配，完成机构的设计。

2.2.1机器人腿部自由度分配

根据上文的人体结构分析可知：

髋关节可以实现屈和伸、内收和外展、内旋和外旋三组动作，可以认为髋关节有3个自由度。

膝关节能做屈和伸、内旋和外旋两组动作，但是内旋、外旋只能在屈膝时完成，并且角度很小，可以忽略不计，认为膝关节只有1个自由度。

踝关节可以实现屈和伸、内收和外展两组动作，认为有两个自由度。

根据国内外仿人双足机器人的研究现状，仿人双足机器人腿部至少需要12个自由度才能满足人类腿部的基本功能，即髋关节3个自由度、膝关节1个自由度、踝关节2个自由度，如图2.8所示。

图2.8机器人腿部自由度配置

2.2.2机器人机构形式设计

根据上文的结论，人体腿部的踝关节有2个自由度，膝关节有1个自由度，髋关节有3个自由度。

根据第一章对国内外仿人双足机器人机构现状的分析，确定本文所设计的仿人双足机器人机构采用串联与并联结合的方式。

总体机构形式为：

踝关节为并联，与膝关节和髋关节串联，髋关节为一个类似踝关节的并联机构与一个旋转机构的串联，如图2.9所示。

图2.9机构总体结构

2.2.3机器人总体尺寸设计

测量项

男（18-60岁）

女（18-60岁）

5%

50%

45%

5%

50%

45%

大腿长度

0.42

0.46

0.5

0.4

0.44

0.48

小腿长度

0.33

0.37

0.4

0.31

0.34

0.38

足宽

0.08

0.1

0.1

0.08

0.09

0.1

对仿人双足机器人的研究正是对人类自身的研究，人体的构造是经过长期的进化而形成的最优结构。

为了使设计的仿人双足机器人在外形及功能上更加接近于人，对人体比例的研究必不可少。

研究人体各部位的比例关系，对仿人双足机器人的设计大有裨益。

通过参考人体结构的比例尺寸，如表2.1所示，确定仿人双足机器人的尺寸如下：

仿人双足机器人的腰宽0.5m，大腿长0.45m，小腿长0.35m，足宽0.12m，足长0.2m。

表2.1人体结构尺寸m

2.3仿人双足机器人关节设计

2.3.1踝关节设计

踝关节为二自由度关节，运动形式为屈伸、内翻外翻。

根据仿人双足机器人总体设计中的自由度分配，踝关节有两个自由度，要求踝关节的机构形式为并联，因此采用虎克铰链来模拟踝关节的二自由度结构，保证踝关节的二自由度运动。

同时采用两根并联的刚性导杆连接足部与小腿，将足部与小腿模拟成两个平台，如图2.10所示。

图2.10踝关节机构简图

根据机构简图可知，刚性导杆与小腿平台的连接为移动副（P），刚性连杆与导杆和足部平台的连接都为球面副（S），小腿平台与足部平台之间的连接为虎克铰链（T），绕X轴和Z轴旋转，可根据以下公式计算机构的自由度

M=d（n-g-1）+

（2-1）

d为机构的阶数，n为构件数，g为运动副数，

为第i个运动副的相对自由度，即

为虎克铰链的相对自由度，

为两个移动副的相对自由度，

为四个球面副的相对自由度。

根据以下公式确定机构的阶数:

（2-2）

为机构公共约束的数目，根据公式（2-1）可知，要计算空间并联机构的自由度，关键在于阶数的确定，而阶数可以通过计算公共约束的数目来得到，可以通过较新的反螺旋理论来确定机构公共约束的数目[11]。

图2.10中的并联机构共有三个分支，第一条分支为虎克铰链，共有两基本副。

其余两分支为两根连杆，每条都由两个球面副和一个移动副组成，共有七个基本副。

第一条分支的螺旋表示为：

$1：

$1：

反螺旋表示为：

$r1：

$r2：

$r3：

$r4：

其余两条分支的螺旋表示为

$1：

$2：

$3：

$4：

$5：

100；0a5b5）$6：

010；a60b6）$7：

001；a7b70）

从上式可以看出其余两条分支反螺旋数目为0，因而对小腿平台没有约束，第一分支对小腿平台有四个约束，分别是沿X、Y、Z轴向的移动、绕Y轴线的转动。

由于分支对小腿平台无公共约束，根据公式（2-1）可得d=6，加上之前对机构的分析可知：

n=6，g=7，

，

，

。

根据公式（2-1）可得：

M=d（n-g-1）+

由于机构中连杆有绕自身旋转的局部自由度，所以整体自由度为2，当小腿的两个导杆作为源动力输入时，源动力的数目等于机构自由度的数目，则可以实现机构运动，即两杆同步移动时实现踝关节的屈伸运动，两杆不同步移动时为踝关节的内翻和外翻运动。

踝关节具体的机构设计为：

踝关节由一个虎克铰链、踝关节连接器和小腿连接器组成，踝关节连接器与足部的两个足耳通过虎克铰链相连。

小腿连接器下端的定位孔与踝关节连接器上端的定位孔通过一个定位螺栓相连，小腿连接器的上端通过四个螺纹孔与小腿相连。

小腿左右两侧各有一个液压缸，负责给踝关节提供动力，液压缸的活塞即为图2.10中的刚性导杆，踝关节机构结构如图2.11所示。

1.足部2.足耳3.踝关节连接器4.定位螺栓5.小腿连接器6.液压缸活塞7.小腿8.小腿液压缸

图2.11踝关节结构图

在inventor环境下对踝关节的各个零件进行三维建模，踝关节各零件如图2.12所示，踝关节装配效果如图2.13所示。

图2.12踝关节零件图

图2.13踝关节装配图

根据图2.13可知，当液压缸进出油液时，油液带动液压缸的活塞运动，由于液压缸下端与足部刚性连杆相连，足部刚性连杆与足