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1、作者：黄兴生，涂瑞，梅丹旭，鄢廷安，张开国 论文题目：仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构设计机械创新设计课程设计 2015-2016第 2 学期 题 目： 仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构设计 小组成员： 班 级： 指导教师： 成 绩： 日期：2016 年 6 月 目录摘 要第一章绪 论11.1.前言11.2.二足仿生机器人的概念11.3课题来源21.4设计目的21.5技术要求21.6设计意义31.7设计范围41.8国内外的发展状况和存在的问题41.8.1.国外发展状况41.8.2.国内发展状况81.8.3.存在的问题101.9.具体设计101.9.1.设计指导思想101.9.2.应解决的主要问
2、题101.9.3.本设计采用的研究计算方法101.9.4.技术路线10第二章仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构步态规划122.1引言122.2仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构的步行概念122.3步行过程设定132.4 双足机器人步态稳定性分析152.4.1 步行稳定性判据152.4.2零力矩点定义162.4.3稳定步态的条件172.4.4小结182.5 双足机器人步态规划192.5.1 引言192.5.2 双足机器人步行过程分析192.5.3 髋关节规划202.5.4 髋关节轨迹对ZMP的影响21第三章二足机器人的机构分析233.1四连杆机构的设计233.1.1设计参数233.2 二足机器人主体
3、设计243.2.1腿部的设计243.2.2大腿253.2.3小腿253.2.4脚263.2.5其他辅助连杆26第四章总结274.1.设计小结274.2设计感受274.3课程设计见解27参考文献28谢 辞30摘 要人类社会的发展，各种各样的机器人正渐渐的走进我们的视野，有很多的地方都用到了机器人，在机器人的领域里越来越多的人开始爱好上了机器人。能更好的适应环境和地形是仿生机器人的优点，很多人的工作可以由机器人代替完成，科学价值和实际应用价值是很重要的。类人机器人一直是机器人领域的研究热点，是目前科技发展最活跃的领域之一。它汇集了机械、 电子、通讯、自动控制、仿生等诸多学科最新的研究成果，代表了机
4、电一体化的最高成就，反映了 一个国家智能化和自动化研究的水平。双足行走是类人机器人最基本也是最难实现的功能，因而以实现双足步行为目标的两足步行机器人研究是智能型类人机器人研究的基础。本文以实现仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构为研究目标，对实现此功能的相关技术展开了研究。主要分析了人类行走动作，在自由度配置、步态规划以及稳定性分析的基础上对仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构进行了设计。关键词：仿人二足爬楼梯行走机构，步态规划，机构设计，四杆机构，CATIA第一章 绪 论1.1. 前言步行机器人已经被广泛应用于各个领域，且二足机器人的动作近似人类，更能于现今的工作环境相配合。一般二足机器人可步行于高
5、危险性的工作环境，跨越障碍物，上下楼梯，能补足人类体能的限制，可用于探测、救灾、搬运、服务等行业，或代替肢体残障者的双脚等。此兼具高灵活性及工作稳定的两大特点，在有危险及枯燥频繁的任务环境中扮演不可或缺的角色。此次主要研究目标是二足机器人爬楼梯机构的设计，以及对它的步态的规划。1.2. 二足仿生机器人的概念现阶段，机器人的研究应用领域不断拓宽，其中仿人机器人的 研究和应用受到普遍的关机器人的研究应用领域不断拓宽，其中仿人机器人的 研究和应用受到普遍的关注，并成为智能机器人领域中最活跃的研究热点之一。仿人二足机器人爬楼梯的设计变营运而生。 研究与人类外观特征类似，具有人类智能，灵活性，并能够与人
6、交流，不断适应环境的仿人机器人一直是人类的梦想之一。仿人机器人的研究在很多方面已经取得了突破，如关键的机械单元，基本行走能力，整体运动，动态视觉等，但是离我们理想中的要求还相去甚远，还需要在更为具体的某些行动进行研究，仿人二足机器人爬楼梯设计奖机器人的行动具体到爬楼梯动作上，可以更加适合人类的生活和工作环境，代替人类完成各种作业，可以在很多方面拓展人类的能力，如图所示图1.1 仿生二足机器人1.3课题来源本课题来源于机械创新设计课程的研究课题。之前我们学习了有关机械原理的基本概念，基本理论，以及相关的计算方法，老师带领我们深入浅出的学习了机械方面的知识，使我们了解包括机构结构分析，运动分析，力
7、分析以及动力学分析，对于常用的机构，例如，连杆机构，凸轮机构，齿轮机构的等也有了深入的认知。在王老师开设的机械创新设计课程上我们选择了这个课题，来将学习到的知识付诸于实践。1.4设计目的本设计主要是利用机械原理相关知识合理设计机械腿的相关尺寸及机构来实现爬楼梯的功能。1.5技术要求1.电机的选择和控制原理；2.运动学的分析和仿真；3.连杆机构，传动机构的设计；4.稳定性，重心转移。1.6设计意义双足机器人是一种非常典型的仿人机器人，国外早在60年代末就开始了双足机器人的研究开发。1968年，美国通用公司试制了一台名为“Rig”的操纵型双足机器人，揭开了双足机器人研究的序幕。随着双足机器人在各个
8、领域的应用日趋广泛，各个国家在该领域相继投入巨资开展研究。自20世纪90年代开始，双足机器人的研究已从模仿人类腿部行走发展到全方位拟人阶段，相继诞生了P3，ASIMO等机器人。步行是人类最基本的行为方式，双足机器人具备人类的基本结构，具有类人的步行能力。双足步行机器人在外形上具有人类特征，适合用于人类生活的环境，为人们提供方便，因此具有广阔的市场前景。双足机器人与其他多足机器人相比具有体积较小、重量轻、动作灵活、迅速，而且更接近于人类步行的特点，因此它们对环境有最好的适应性，在日常生活中更具有广泛的应用前景。步行运动是双足机器人实现基本类人动作的关键，可以为仿人机器人的机构设计、优化提供理论指
9、导和技术支持。对双足机器人步态规划进行研究，规划合理的步态并控制机器人稳定的跟踪步态实现稳定的步行运动成为双足机器人技术研究的重点。稳定的步态是双足机器人实现行走功能的基础有了稳定的步态才能显现它的灵活性和更强的适应能力，也才能使机器人其他的很多功能得以实现。另外，技术发展的角度看，步态规划研究会对传统的机械机构、传动方式和控制方法产生一定影响，从而促进仿生学及其他领域的相关研究与应用，可以更多的了解和掌握人类的步行特征，并为人类的服务，如人造假肢。1.7设计范围 一直以来移动型机器人的运动方式大体上包括，轮式，履带式，足式等。履带式爬楼梯的装置原理类似于履带装甲运兵车，原理较为简单，技术也比
10、较成熟，而且传动效率比较高，行走重心波动很小，运动平稳。但是这类装置重量大，运动不够灵活，爬楼梯时在楼梯边缘会造成巨大的压力，对楼梯有一定的损坏，转弯不方便等问题，有很大的限制。轮组式，轮组式爬楼梯装置按轮组中使用小轮的个数可分为两轮式，三轮式，以及四轮式。单轮组式结构稳定性较差，在爬楼梯中需要有人协助才能实现。而双轮组式虽然能实现自主爬楼，但由于其体积庞大且偏重，影响了她的适用范围。步行式，其爬楼梯的执行机构由铰链杆件机构组成。上楼梯时，先将负重抬高，在向前移动，如此重复这过程。步行式爬楼梯装置模仿人类爬楼的动作，符合本组研究课题，所以采用这个方案。步行式爬楼梯装置爬楼梯时运动平稳，适合不同
11、尺寸的楼梯，较为便捷。但是他对操作的要求很高，设计研究很复杂，运动幅度不大，动作缓慢。1.8国内外的发展状况和存在的问题1.8.1.国外发展状况从上世纪60年代开始。各国学者对两足步行机器人从理论和实践上进行了较长时间的研究工作，在理论研究上得丰硕的成果。 1973年，日本加麟一郎从工程角度研制出世界上第一台真正意义上的仿人形机器人 WABOT-1，可用日语与人交流，实现静态行走，可依据命令移动身体去抓取物体。 1986年美籍华人郯元芳博士研制了美国第一台真正意义上的类人双足步行机器人SO-2，实现平地前进和左右侧行；1987年该机器人实现动态步行，在1990年，SD-2能走斜坡。图1.8.1
12、 HONDA 机器人P1，P2，P3经过11年研究日本HONDA公司于1996年12月成功研制出第一台取足步行机器凡P1，之后相继推出p2、p3，希望机器人“能与人共存、同人协作，不受用途限制，并能完成一些人所不能完成的任务”，如图LI。P-2是世界上首台无缆自主式两足机器人。P-2型机器人通过陀螺仪、加速度传感器及六个脚底压力倍感器把地面的信息传给机器的控制单元进行判断，进而平衡身体。P-2的出现标志着一个崭新的两足机器时代的到来。 2000年i1月12日HONDA公司开发出代表当今双足步行机器人最高研究水平的ASIMO (Advanced Step in Innovative Mobili
13、ty)，如图1.8.2,高120厘米重52千克，菇34个自由 度，采用Honda自行开发的处理器、Vxwocks操作系统驱动元件采用伺服电机Harmonic减速器、 镣氢电池作为动力源，行走速度O到1.6千米小时，步距可调并采用先进的IWALK技术和预测移动控制技术，实时预测下一个移动动作并提前改变重心， 可完成8宇行走和上下台阶动作。图1.8.2 ASIMO机器人2002年12月9日日本川田工业和产业技术综合研究所、安川电机以及清水建设公布了可以 在建筑工埴等与工人共同作业的类人型机器HRP-2。HRP-2的外形尺寸为高154cm质量为 58KG，与真人相仿。全身共有32个自由度，具体为62
14、(腿部)+62 (手臂)+2（腰部）+2（头部）+22（手指）=32，能够很均衡地双足步行。HRP-2手臂有6个自由度(肩3，肘1，腕2)，工作能力根强，机器人可以与工人一起用“手”抓起建筑材料进行搬运。腰部有2个自由度俯仰自由度是专门为俯身工作设置的。大腿固定在臂部两侧外伸的悬臂上，从而腿部的灵活性增加可以做出走“一字步”和两腿交错行走等步行动作。 HRP-2不论仰卧还是俯卧倒地后都可以自行站起，可以在地面爬行进入较小的工作空间，还可以做敲鼓、跳舞等表演。研究人员先请民间艺术家跳舞，用特殊摄像机拍摄后将画面输入电脑，井对手、脚、头、腰等32个部位的动作进行解析，再把解析数据输给HRP-2，最后利用这些数据来控制HRP-2的手脚等关节动作，从而使得HRP-2可以和人一样动作连贯地翩翩起舞。图1.8.3 HRP-2机器人2003年9月日本Sony公司推出SDR-4X是目前最先进的小型两足机器人。SDR-4X身高0.5m,体重5kg，具有38个自由度，能够以0.9kmh的速度行走，并能在行走中转身。该机器人可 根据家中环境的变化调节自身行为不仅可以识路辨人、存储信息，还可跳舞、唱歌，与人类
