毕业设计（论文）-两足行走机器人臂部结构部分设计（全套图纸）.pdf

本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 23 页 1 绪论绪论 1.1 引言引言 机器人是一种典型的机电一体化产品，仿人型机器人是机器人研究领域的热点。 研究仿人型机器人需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等诸 多学科知识，同时其自身的发展也促进了这些学科的发展。双足步行机器人是仿人型 机器人的一种。 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 1959 年，世界上诞生了第一台工业机器人，开创了机器人发展的新纪元。随着科 学技术的发展，仿人型机器人的研究与应用迅猛发展。世界著名机器人专家、日本早 稻田大学的加藤一郎教授说过： “机器人应当具有的最大特征之一是步行功能” 。其中 双足行走是步行方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。伟大的发明家爱迪生 也曾说过这样一句话： “上帝创造人类，两条腿是最美妙的杰作” 。双足步行系统具有 非常丰富的动力学特性，对步行的环境要求很低，既能在平地上行走，也能在非结构 性的复杂地面上行走，对环境有很好的适应性。步行功能的具备为扩大机器人的应用 领域开辟了无限广阔的前景。 研究双足步行机器人的原因和目的，主要有以下几个方面：希望研制出双足步行 机构，使它们能在许多结构和非结构环境中行走，以代替人进行作业或延伸和扩大人 类的活动领域； 希望更多得了解和掌握人类得步行特性， 并利用这些特性为人类服务， 例如：人造假肢。双足步行系统具有丰富的动力学特性，在这方面的研究可以拓宽力 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 23 页 学及机器人的研究方向；双足步行机器人可以作为一种智能机器人在人工智能中发挥 重要的作用。 科幻小说和电影作品中，人们将像人一样行走、思考、行为的机器人作为机器人 研究的最高境界。科学工作者也一直将实现类人行为的机器人作为工作的最高目标去 追求。步行机器人特别是双足步行机器人的研究是整个类人机器人研究的前奏，是实 现类人机器人的必不可少的一个环节。在具有许多优点的步行机器人中，由于双足步 行机器人体积较小，所以他们对环境有最好的适应性。这种机器人除结构较简单外， 在静、动态稳定步行方面，都是最困难的，但这种困难并不是不能克服。实用的双足 步行机器人由两条腿和平台（腰部）组成。腿的作用是为平台提供移动能力，而平台 的作用则是提供一个基础，以便安装机械手、CCD 摄像机、机载计算机控制系统和电 池等。显然，这种带机械手的双足步行机器人外形上更像人，能非常灵活地从事较多 的工作。但是，对于这种双足步行机器人来说，平台的稳定性对于有效地控制机械手 末端操作器的位置和姿态是至关重要的，而两条腿的步态又对平台的稳定性起决定作 用。因此，如何规划好腿的步态，协调地控制两条腿的运动以保持平台及整个双足步 行机器人的稳定就成为一个主要问题。双足步行机器人可以是很复杂的系统，当然也 可以是构造简单的系统。 1.2 机器人的发展及技术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 ConsolidatedContr01 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哈尔滨工程大学硕十学位论文。 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 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 23 页 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。 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。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。 1.3 双足步行机器人研究概况双足步行机器人研究概况 1.3.1 国外研究现状分析 最早系统地研究人类和动物运动原理的是Muybridge，他发明了电影用的独特摄 像机，即一组电动式触发照相机，并在1877年成功地拍摄了许多四足动物步行和奔跑 的连续照片。后来这种采用摄像机的方法又被Demeny用来研究人类的步行运动。从本 世纪30年代到50年代，苏联的Bernstein从生物动力学的角度也对人类和动物的步行 机理进行深入的研究，并就步行运动作了非常形象化的描述。 真正全面、系统地开展两足步行机器人的研究是始于本世纪60年代迄今，不仅 形成了两足步行机器人一整套较为完善的理论体系，而且在一些国家，如日本、美国 和苏联等都已研制成功了能静态或动态步行的两足步行机器人样机。这一部分，我们 主要介绍队60年代到1985年这一时期，在两足步行机器人领域所取得的最重要进展。 在60年代和70年代，对步行机器人控制理论的研究产生了3种非常重要的控制方 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 4 页 共 23 页 法，即有限状态控制、模型参考控制和算法控制。这3种控制方法对各种类型的步行 机器人都是适用的。有限状态控制是由南斯拉夫的Tomovic在1961年提出来的 ，模型 参考控制是由美国的Farnsworth在1975年提出来的，而算法控制则是由南斯拉夫米哈 依罗鲍宾研究所著名的机器人学专家Vukobratovic博士在1969年至1972年问提出来 的。这3种控制方法之间有一定的内在联系。有限状态控制实质上是一种采样化的模 型参考控制，而算法控制则是一种居中的情况 1。 在两足步行机器人的发展史上，Vukobratovic博士是一个非常突出的人物。他在 整个70年代就两足步行机器人的理论研究和假肢的设计发表了很多有影响的论文。他 提出了用欧拉角描述两足步行系统的通用数学模型；指出了由于步行系统的动态性能 和控制性能的特殊性，用一般控制理论不能满意地解决人工实现步行的问题，并相应 地提出了算法控制的概念；研究了类人型两足步行系统在单脚和双脚支撑期机构的特 点，并建立了从运动副组合到关节力矩计算等各项运算的KINPAIR算法，分析了类人 型两足步行系统的姿态稳定性，并提出了相应的姿态控制算法；对类人型两足步行系 统进行了能量分析和频率分析此外，他还与合作者一起为截瘫病人和小儿麻痹症患 者设计了一系列半动力型和动力型辅助行走装置 。特别重要的是，他和Stepanenko 博士一起在1972年提出了“零力矩点ZMP”的概念ZMP概念的提出对两足步行机器人控 制产生了非常重要的影响，为有效地控制两足步行机器人的运动开辟了一条崭新的途 径 2。 在步态研究方面， 苏联的Bessonov和Umnov定义了 “最优步态” ， Kugushev和Jaro- shevskij定义了自由步态。这两种步态不仅适应于两足而且也适应于多足步行机器 人。其中，自由步态是相对于规则步态而言的。如果地面非常粗糙不平，那么步行机 器人在行走时，下一步脚应放在什么地方，就不能根据固定的步序来考虑，而是应该 象登山运动员那样走一步看一步， 通过某一优化准则来确定， 这就是所谓的自由步态。 在两足步行机器人的稳定性研究方面，美国的Hemami等人曾提出将两足步行系统 的稳定性和控制的简化模型看作是一个倒立振子(倒摆)，从而可以将两足步行的前进 运动解释为使振子直立移动的问题。此外，从减小控制的复杂性考虑，Hemami等人还 曾就两足步行机器人的“降阶模型”问题进行了研究。 在步行模式这方面的研究中，日本加藤一郎教授及其合作者1980年提出了“准动 态步行的概念 ，这是一种介于静态步行和动态步行之间的步行方式。它既具有静态 步行的特点又具有动态步行的特点，其步速要比静态步行快，而实现起来又不象动态 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 5 页 共 23 页 步行那样困难。 最早采用最优理论来研究类人型两足步行系统是美国的Chow和Jacobson。他们在 1971年发表的论文中， 具有约束条件的力学模型和性能最优准则作为两足步行优化 问题的核心，而以一种简化模型作为研究对象。但最后，他们仅是以局部耗能最少为 基础得出了一个优化结果。 前面我们曾指出Vukobratovic也对类人型两足步行系统进行了能量分析，但他仅 限于导出各关节及整个步行系统的功率随时间的变化关系，并没有过多地涉及能耗最 优这个问题但在他的研究中，Vukobratovic得出了一个有用的结论，即步行姿态越 平滑，类人型两足步行系统所消耗的功率就越少。 下面介绍一下样机研制方面的主要情况。早在50年代中期，美国通用电气公司就 制造了一台名为“Hardiman”的步行车，但当时的驱动和伺服控制技术显然还不足以 使Hardiman进入实用化阶段。 1986年至1971年间，牛津大学的Witt等人曾制造和完善了一个两足步行机器人。 当时他们的主要目的是为瘫痪者和下肢残疾者设计实用的辅助行走装置。这个机器人 在平地上走得非常好，步速为0.28ms，功率消耗约4瓦 。 1972年，日本早稻田大学的加藤一郎教授及其合作者设计的Wabot(前身为WL-5) 是迄今为止最上象的一个两足步行机器人，它除有两条腿之外，还具有许多其它拟人 的特征Wabot首次步行是在1973年，它具有一定的自律性，能完成低速度的静态稳定 步行。 后来，加藤他们又制造了一系列两足步行机器人，这些机器人一般都是液压驱动 的，每条腿上一般具有5个自由度，典型的步长和步行周期分别是15厘米和l5秒，并 且它们都能实现静态和准动态步行。特别值得一提的是，这些科学家在1984年成功地 使他们研制的WL-lORD两足步行机器人实现了动态步行，步幅为43.18厘米，步速达到 1.3步每秒。WL-10RD机器人重84公斤，在其本体上安装了一台Z8002微型计算机，用 来控制它的步行运动。 在80年代初，东京大学的Miura和Shimoyama研制了5种类型的两足步行机器人， 它们依次被命名为BIPER-1。所有这些机器人都不能保持静态稳定，但在适当的控制 作用下都能实现动态步行。BIPER-1和BIPER-2其能侧行；BIPER-3是一个高跷型机器 人，脚与地面以点状接触，它既能侧行，也能前进、后退；BIPER-4的两条腿具有与 人完全相同的自由度；而BIPER-5则与BIPER-3相似，但BIPER-5的所有仪器如计算 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 6 页 共 23 页 机等，都安装在其本体上。 1982年，东京理工学院的Funabashi等人设计了一个名为MEG-2的两足步行机器 人，在该机器人的连杆机构上安装有重力和惯性力补偿装置。在1985年的实验中，该 机器人实现了高速步行。 此外，日本还有很多科学家和技术人员在8O年代也研制了一些两足步行机器人。 其中有的采用最优调节器和数字控制理论来控制两足步行机器人的运动，有的用形状 记忆合金作为关节驱动器，而有的则是研究轨迹产生算法或试将神经网络理论用于步 行机器人运动控制。在1985年以前，样机的研制主要是日本的科学家做出了突出的贡 献。 1.3.2 国内研究现状分析 国内双足步行机器人的研制工作起步较晚，我国是从 20 世纪 80 年代开始双足步 行机器人领域的研究和应用的。1986 年，我国开展了“七五”机器人攻关计划，1987 年，我国的“863”高技术计划将机器人方面的研究开发列入其中。目前我国从事机 器人研究与应用开发的单位主要是高校和有关科研院所等。最初我国进行机器人技术 研究的主要目的是跟踪国际先进的机器人技术，随后取得了一定的成就。 哈尔滨工业大学自 1986 年开始研究双足步行机器人，先研制成功静态步行双足 机器人 HIT-I，高 110cm，重 70kg，有 10 个自由度，实现平地上的前进、左右侧行 以及上下楼梯的运动，步幅 45cm，步速为 10 秒/步，后来又相继研制成功了 HIT-II 和 HIT-III，重 42kg，高 103cm，有 12 个自由度，实现了步长 24cm，步速 2.3 步每 秒的步行。目前正在研制的 HI 下 IV 机器人，全身可有 52 个自由度，其在运动速度 和平衡性方面都优于前三型行走机器人 37。 国防科技大学在 1988 年春成功地研制了一台平面型 6 自由度的双足机器人 KDW-1，它能前进、后退和上下楼梯，最大步幅为 40cm，步速为 4 步每秒，1989 年又 研制出空间型 KDW-II，有 10 个自由度，高 69cm，重 13kg 实现进退、上下台阶的静 态稳定步行以及左右的准动态步行。1990 年在 KDW-II 的平台上增加两个垂直关节， 发展成 KDW-III， 有 12 个自由度， 具备了转弯功能， 实现了实验室环境的全方位行走。 1995 年实现动态行走， 步速 0.8 步每秒， 步长为 20cm22cm， 最大斜坡角度达 13 度。 2000 年底在 KDW-III 的基础上研制成功我国首台仿人形机器人“先行者” ，动态步行， 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 7 页 共 23 页 可在小偏差、不确定的环境行走，周期达每秒两步，高 1.4m，重 20kg，有头、眼、 脖、身躯、双臂、双足，且具备一定的语言功能 813。 上海交通大学于 1999 年研制的仿人形机器人 SFHR，腿部和手臂分别有 12 和 10 个自由度，身体上有 2 个自由度。共有 24 个自由度，实现了周期 3.8s，步长 10cm 的步行运动。机器人本体上装有 2 个单轴陀螺和一个三轴倾斜计，用于检测机器人的 姿态信息，并配备了富士通公司的主动视觉系统，是研究通用机器人学、多传感器集 成以及控制算法良好的实验平台。 北京理工大学在归国博士黄强教授的带领下，高起点地进行仿人形机器人研究， 于 2002 年 12 月通过验收的仿人形机器人 BHR-l，高 158cm，重 76kg，32 个自由度， 步幅 0.33m，步速每小时 1 公里。能够根据自身力觉、平衡觉等感知机器人自身的平 衡状态和地面高度的变化，实现未知地面的稳定行走和太极拳表演，使中国成为继日 本之后，第二个研制出无外接电缆行走，集感知、控制、驱动、电源和机构于一体的 高水平仿人形机器人国家。 此外，清华大学正在研制仿人形机器人 THBIP-I，高 1.7m，重 130kg，32 个自由 度，在清华大学 985 计划的支持下，项目也在不断取得进展。南京航空航天大学曾研 制了一台 8 自由度空间型双足步行机器人，实现静态步行功能 13,14。 本课题源于“第一届全国大学生机械创新设计大赛”中两足行走机器人。目前， 机器人大多以轮子的形式实现行走功能阶段。真正模仿人类用腿走路的机器人还不 多，虽有一些六足、四足机器人涌现，但是两足机器人还是凤毛麟角。我们这个课题， 探索设计仅靠巧妙的机械装置和简单的控制系统就能实现模拟人类行走的机器人。其 分功能有：交替迈腿、摇头、摆大臂、摆小臂。 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 8 页 共 23 页 2 双足机器人本体结构设计双足机器人本体结构设计 2.1 引言引言 两足步行机器人是研究两足步行的实验对象，不同的两足步行机器人在自由度、 驱动方式、重量、高度、结构特征等方面都存在很大的差异。机器人的结构不同，其 控制方式也有所区别。为了对两足步行机器人进行深入的研究，使其实现预定的步行 功能，必须对其机构有深入的了解和认识。 2.2 双足机器人的结构分析双足机器人的结构分析 两足步行机器人是对人类自身的模仿，但是人类总共有上肢 52 对，下肢 62 对， 背部 112 对，胸部 52 对，腰部 8 对，颈部 16 对，头部 25 对之多的肌肉。从目前的 科学发展情况来看，要控制具有 400 个双作用式促进器的多变量系统是不可能的，因 此，在设计步行机械时，人们只考虑移动的基本功能。例如，只考虑在平地或者具有 已知障碍物的情况下的步行 15。 郑元芳博士从仿生学的角度对类人机器人的腿部自由度配置进行了深入的研究， 得出关节扭矩最小条件下两足步行机器人的自由度配置。他认为髋部和踝部设两个自 由度，可使机器人在不平地面上站立，髋部再加一个扭转自由度，可改变行走方向， 踝关节处加一个旋转自由度可使脚板在不规则表面上落地，这样机器人的腿部需要有 72 个自由度(髋关节 3 个，膝关节 1 个，踝关节 3 个)。 但是，无论现在的两足步行机器人还是拟人机器人都还只能在规则路面上行走， 所以各研究机构都选择了 62 个自由度(髋关节 3 个，膝关节 1 个，踝关节 2 个)， 如:哈尔滨工业大学的 HIT-III、国防科技大的“先行者” 、本田公司的 ASIMO 和索尼 公司的 SDR 和 QRIO。 具有 62 个自由度的机器人的机械结构和控制都特别的复杂。按照在能完成研 究目标的情况下， 自由度最少的设计原则， 在过去的四十年中， 为了不同的研究目标， 人们设计了许多具有不同自由度的两足步行机器人，按照行走过程中的稳定方式，两 足步行机器人一般分为三类: （1）静态机器人，这类步行机器人的 COM(Cenier of Mass)始终处于支撑哈尔滨 工程大学硕士学位论文多边形(单脚支撑期为支撑脚的轮廓线，双脚支撑期为两只脚 的外边沿所围成的凸多边形)内，所以只能实现静态行走。 （2） 动态机器人， 这类步行机器人有踝关节， 依靠踝关节来保证它的 ZMP 点(Zero 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 9 页 共 23 页 Momeni Cenier)始终处于支撑多边形内，所以可以实现静态行走和动态行走。 （3）完全动态机器人，这类步行机器人的踝关节没有驱动，甚至没有踝关节。 所以， 支撑多边形在单脚支撑期缩小成一个点， 在双脚支撑期缩小为一条线段， 所以， 这类机器人不能保持静态平衡，只能实现动态行走。 下面，我们按照自由度数从少到多的原则，参考曾经成功实现的两足步行机器人 模型，分析不同结构的两足步行机器人的特点。为了计算机器人的自由度，我们将采 用以下原则： 假设机器人固定于一端， 考虑单脚支撑机器人开链结构情况下的自由度。 同时就机器人双脚支撑闭链结构情况下的冗余自由度进行分析。自由度数最少的两足 步行机器人只有一个自由度，如图 2.1 所示。 图 2.1 这类机器人没有躯干，两条腿直接铰链在一起。这类机器人理论上只有一 个自由度，实际上，为了防止摆动腿摆动时和地面干涉，这两条腿都必须是可以伸缩 的。加上这两个平移自由度，这个机器人实际上有 3 个自由度。它的运动学模型是平 面的，没有侧向运动，在径向平面内的运动象一个两脚圆规。在双脚支撑期，没有冗 余自由度。这类两足步行机器人不能保持静态平衡，属于完全动态机器人，在仅受重 力作用时，可以在斜面上行走。 图 2.1 一个自由度的两足步行机器人 图 2.2 表示的是有四个自由度的两足步行机器人的结构。这类机器人由一个躯干 和两条变结构的腿组成。这个机器人的运动学模型也是平面的，没有侧向运动，为了 防止侧向倾倒，两只固定在小腿上的脚在和径向面垂直的方向上排列。径向面内的运 动包括 5 个连杆(躯干和两条变结构的腿)和 4 个自由度。这类机器人属于完全动态机 器人，它可以在水平面上沿直线行走几步，然后就会因为摆动腿着地时的冲击过大而 跌倒。 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 10 页 共 23 页 图 2.2 四个自由度的两足步行机器人 图 2.3 表示的是具有八个自由度的两足步行机器人。这类机器人由一个躯干和两 条腿组成，髋关节和膝关节各有一个前向自由度，踝关节有一个前向自由度和一个侧 向旋转自由度。它在侧向面的运动是一个倒立摆模型，像一个只有踝关节一个自由度 的刚体， 这个侧向关节使它可以侧向平衡。 在径向面的运动包括 7 个连杆和 6 个关节。 这类机器人可以在水平地面和斜坡上行走，并且可以上下楼梯。但是由于只有踝关节 处的一个侧向关节，所以对侧向关节驱动电机的性能和控制精度都要求较高，往往会 侧向倾倒。 图 2.3 八个自由度的两足步行机器人 真正实现拟人行走的机器人是具有十二个自由度的两足步行机器人，如图 2.4 所 示，这类机器人艘关节有 3 个自由度，膝关节有 1 个自由度，踝关节有 2 个自由度。 在侧向面内的运动包括 5 个连杆和 4 个自由度，在径向面内的运动包括 7 个连杆和 6 个自由度。由于髋关节有绕竖直轴转动的自由度，所以这类机器人可以转弯。在双足 支撑期，这类步行机器人具有 6 个冗余自由度。这类两足机器人属于动态机器人，可 以在普通的平整地面(塑料瓷砖、铺砌地面或者草地)上和平整的斜坡上行走，还可以 上下楼梯，侧向行走，后退和转弯。并且这类机器人可以方便地在上体增加胳膊和头 颈，已经为研究者广泛接受。 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 11 页 共 23 页 图 2.4 具有十二个自由度的两足步行机器人 通过上面的分析，可以看出，两足步行机器人是从完全动态机器人发展到动态机 器人的。大部分两足步行机器人在双脚支撑期都可以顺利地将重心从一只脚转移到另 一只脚。但是，相对地，在单足支撑期有许多问题，不管机器人结构怎么样，都受到 摆动腿着地时的巨大的冲击， 从而无法保证侧向的平衡， 尤其是没有膝关节的机器人。 解决摆动腿着地时的冲击是两足步行机器人研究的一个重要的课题。 2.3 双足机器人的自由度配置双足机器人的自由度配置 综上所述，我们设计了一个取名(X-W-Robot)即 XWR 型的双足步行机器人模型， 如图 2.6 所示。 显著的结构特征就是采用多关节型结构。 行走机构能实现平地前后行、 爬斜坡等功能。动力源采用舵机直接驱动，这样不但可以实现结构紧凑、传动精度高 以及大大增加关节所能达到的最大角度，而且驱动源全为电机，便于集中控制和程序 化控制。 图 2.6 双足步行机器人模型 图 2.6 模仿人类，肩关节三个自由度，前向和侧向自由度，一般不考虑转动的自 由度。肘关节两个自由度前向和侧向自由度，腕关节一个自由度。踝关节有两个自由 度，前向和侧向自由度:膝关节只有一个前向自由度，髋关节处要模拟人类髋关节行 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 12 页 共 23 页 为理论上要求有三个正交的自由度，但在机器人直线前进时只需要正交的前向和侧向 自由度，同样不考虑。关节编号如表 2.1 所示。 表 2.1 机器人关节编号 关节标号 对应关节 运动范围 关节标号 对应关节 运动范围 1 左踝关节侧向 3030 2 左踝关节前向 3030 3 左膝关节 9010 4 左髋关节前向 3080 5 左髋关节侧向 3030 6 左腿转弯关节 6060 7 右腿转弯关节 6060 8 右髋关节侧向 3030 9 右髋关节前向 3080 10 右膝关节 9010 11 右踝关节前向 300 12 右踝关节侧向 3030 双足步行机器人的一个主要问题就是双足动态步行的固有不稳定性。为了使其稳 定行走并能够做灵活的仿人动作，机器人本体设计和行走步态规划都很重要。在进行 机器人本体设计时需要着重考虑的问题有关节驱动力矩的限制，主要机构的刚度，摆 动腿着地时冲击载荷对机器人本体可能带来的损坏，杆件间连接，机体重量、材料以 及易于操作维修等等。 依据仿生学原理，肢体的设计长度要尽量与人的肢体长度比例相近，为了提高行 走稳定性，将机器人的两足设计得较大。为了简化运动学和动力学计算，踝关节和髋 关节处采用双关节交叉结构，减弱了关节藕合程度及非线性，可以近似认为前向平面 与侧向平面内的运动是解藕的。 材料的选取要本着重量轻，高刚度的原则。机器人本体主体材料选用铝合金，这 种材料重量轻、硬度高。 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 13 页 共 23 页 2.4 驱动方式的选择和舵机工作原理驱动方式的选择和舵机工作原理 2.4.1 驱动方式的选择驱动方式的选择 驱动器用于驱动机构本体各关节的运动功率。目前驱动方式主要有气动、液压和 伺服电机。驱动器在双足步行机器人中的作用就相当于人体的肌肉，如果把连杆以及 关节想象为机器人的骨骼，那么驱动器就起到肌肉的作用，它通过移动或转动连杆来 改变机器人的构型。驱动器必须有足够的功率对负载加速或者减速。同时，驱动器本 身要精确、灵敏、轻便、经济、使用方便可靠且易于维护。 目前己经有很多种驱动器，常用的有以下几种: (1)电动机:舵机、伺服电机、步进电机、直接驱动电机； (2)液压驱动器； (3)气压驱动器； (4)形状记忆合金驱动器； (5)磁致伸缩驱动器等。 液压驱动是由高精度的刚体和活塞一起完成的。活塞和刚体采用滑动配合，压力 油从液压缸的一端进入，把活塞推向液压缸的另一端，调节液压缸内部活塞两端的液 体压力和进入液压缸的油量即可控制活塞的运动。以前在大型的工业机器人系统中， 液压系统使用非常普遍，它具有驱动力矩大，功率重量比较高，工作平稳可靠，系统 响应速度快以及传动中的力、速度、易于实现自动控制等特点;但是也存在成本高、 重量大、工艺复杂以及可能发生泄漏甚至高温爆炸等缺点，同时因其固有的笨重性， 不宜用作双足步行机器人的驱动器。 气动具有成本低、控制简单的特点。气动装置在原理上和液压系统非常相似，它 以压缩空气为气源驱动气缸做直线或旋转运动，并用人工或电磁阀哈尔滨工程大学硕 士学位论文进行控制。气动调节阀的制造精度要求没有液压元件高，易于高速控制， 无污染，但由于位置控制困难，只能用于 1/2 自由度(受限的关节，被限定为几个可 能的值)的开关类型关节，实现插入、点位搬运等简单操作，并且其工作稳定性差， 压缩空气需要除水。液压驱动与气压驱动不能实现自带能源，更直接决定了其难于应 用到双足步行机器人系统中。 步行机器人各个关节都是旋转副。在廉价的计算机问世之前，控制旋转运动的主 要困难是计算量大，所以当时认为采用直线驱动方式比较好。今天，电机驱动和控制 的费用已经大大降低，大功率晶体管己经广泛使用，只需要采用几个晶体管就可以驱 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 14 页 共 23 页 动一台大功率伺服电机。同样，微型计算机的价格也越来越便宜，计算机费用在机器 人总费用中所占的比例大大降低。甚至在每个关节或自由度中都采用一个微处理器。 基于上述分析可以看出，电机驱动具有成本低、精度高、易于控制、可靠且维修方便 等特点，是最常用的机器人驱动器。 直接驱动电动机，形状一记忆合金等驱动器目前还处于研究和开发阶段，在不远 的将来会变得非常有用。本双足步行机器人采用舵机直接驱动。舵机是一种最早应用 在航模运动中的动力装置，它的控制信号是一个脉宽调制信号，所以很方便和数字系 统进行接口。只要能产生标准的控制信号的数字设备都可以用来控制舵机，比如 PLC、 单片机等。而且舵机体积紧凑，便于安装，输出力矩大，稳定性好，控制简单，所以 舵机己经广泛地应用于机器人领域。 2.4.2 舵机的工作原理 机器人的动力来源都是舵机，机器人控制系统主要控制的对象就是舵机，对舵机 必须有一个清华粗的认识，舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断 变化并具有保持力矩的控制系统。舵机的工作原理是：控制电路板接受来自信号线的 控制信号，控制电动机转动，电动机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。多 级的输出轴和位置反馈电位器是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位器，电 位器将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决 定电动机的转动方向和速度，从而达到目标停止。 控制信号由接受机的通道进入信号调制芯片，获得只留偏置电压。它内部有一个 基准电路，产生周期为 20ms，宽度为 1.5ms 的基准信号，将获得的直流偏置电压与电 位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电动机驱动芯片，决 定电动机的正反转。当电动机转读一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得 电压差为 0，电动机停止转动。舵机结构由如下组成。 (1)电动机：为舵机提供动力。 (2)减速箱：将电动机的高转速降低，并获得打的转矩。 (3)电位器：为系统提供输出轴的反馈。 (4)电子控制板: 用来分析控制信号和反馈位置直接的关系，控制电动机正传、 反转还是停机。 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 15 页 共 23 页 3 双足行走机器人的双足行走机器人的 3D 图图 3.1 总体结构总体结构 PRO/E 图及实物图图及实物图 双足行走机器人由 42 个铝合金材质的零件，17 台舵机，145 个螺母螺栓，若干 导线，和 AVR 控制板等组成，理论高约 385mm，宽约 242mm。 自由度从广义上来说就是在某一方向上能够旋转或移动。它是机器人性能中的一 个重要的参数，和舵机联系在一起。一般来说，有多少个舵机就有多少个自由度。在 设计机器人的机械结构时，要考虑到机器人的仿人特点。在每个关节处都要设立自由 度，那样才能完成类似人的动作。 头部仅一个自由度，转动的自由度。肩关节三个自由度，前向和侧向自由度，不 考虑转动的自由度。肘关节两个自由度前向和侧向自由度，腕关节一个自由度。踝关 节有两个自由度，前向和侧向自由度:膝关节只有一个前向自由度，髋关节处要模拟 人类髋关节行为理论上要求有三个正交的自由度，但在机器人直线前进时只需要正交 的前向和侧向自由度，同样不考虑。模型和实物见图 3.1、3.2 和 3.3 所示。 (a) 双足行走机器人正面 PRO/E 图 (b) 双足行走机器人正面实物图 图 3.1 双足行走机器人正面 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 16 页 共 23 页 (a) 双足行走机器人反面 PRO/E 图 (b) 双足行走机器人反面实物图 图 3.2 双足行走机器人反面 图 3.3 双足行走机器人侧面 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 17 页 共 23 页 3.2 臂部结构臂部结构 PRO/E 及实物图及实物图 双足行走机器人臂部由 6 个零件， 2 台舵机和若干螺钉导线组成， 理论长约 175mm， 高约 50mm。 上肢有 6 个自由度，分别是肩部两个自由度和肘部一个自由度。肩部两个自由度 分别控制胳膊前后旋转和上下摆动，肘部一个自由度控制上下摆动。 安装前将舵机初始的角度设定在 90，这样有利于上肢有摆动的余地。因此舵机 最大角度是 180。当把安装角度设定在 90时，与配件相配合不会放生干涉，可以 顺利的完成简单的甩大臂和甩小臂等动作。见图 3.4 所示。 (a) 双足行走机器人臂部 PRO/E 图 (b) 双足行走机器人臂部实物图 图 3.4 双足行走机器人臂部图 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 18 页 共 23 页 3.3 部分零件部分零件 PRO/E 图及实物图图及实物图 “辉盛”MG945 舵机。如图 3.5 所示。 图 3.5 舵机 此零件为铝制，长 55mm，宽 50mm，高 16mm。主要用于连接两个舵机，中间 2 个 孔用于连接图 3.7 所示零件盒舵机。相对的 3 个孔是用来连接舵机的轴，其中单个孔 是连接舵机轴，2 个孔用来连接齿轮。如图 3.6 所示。 (a) 双足行走机器人臂部零件 PRO/E 图 (b) 双足行走机器人臂部零件实物图 图 3.6 臂部零件 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 19 页 共 23 页 此零件为铝制，长 62mm，宽 20mm，高 32mm。如图 3.7 所示。主要用于固定舵机， 如图 3.7（b）所示。用 4 个螺栓使舵机紧紧的固定在此零件上。然后通过上面的零件 和 2 个螺栓把图 3.7 所示的两个舵机连接在一起，组成了臂部的主体部分。 (a) 双足行走机器人臂部零件 PRO/E 图 (b) 双足行走机器人臂部零件实物图 图 3.7 臂部零件图 手部零件如图 3.8 所示。 图 3.8 手 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 20 页 共 23 页 4 双足行走机器人的制作双足行走机器人的制作 4.1