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两足仿人型机器人总体及臂手部结构设计【优秀机器人全套课程毕业设计含10张CAD图纸】

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仿人步行机器人机构设计.pdf---(点击预览)

仿人机器人发展现状及其腰部机构研究.pdf---(点击预览)

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关键词：: 两足仿人型机器人总体整体臂手部结构设计优秀优良全套课程毕业设计 10 cad 图纸

资源描述：

两足仿人型机器人总体及臂手部结构设计

仿人型机器人总体及臂手部结构设计

两足机器人总体及臂手部设计

仿人型机器人总体及臂手部设计

两足仿人型机器人总体及臂手部结构设计【优秀机器人全套课程毕业设计含10张CAD图纸】

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任务书

课题：仿人型机器人总体及臂手部结构设计

一、设计内容

设计一个仿人型机器人。要求该机器人具有类似于人的各主要关节，能够完成步

行和手臂简单舞蹈等基本动作功能。设计的主要内容有：

1．总体设计

　　1）确定机器人的型式；

2）设计机器人的传动方案；

3）确定机器人的总体结构，绘制总装图。

2．臂、手部分机械结构设计

　　1）选择动力源；

2) 主要零件的设计计算；

3）零部件的结构设计，绘制部装图、零件图。

3、机器人臂手部主要结构三维造型设计

　　绘制主要结构的三维造型图。

二、设计依据

1．课题来源：科研课题；

2．产品名称：仿人型机器人；

3．人体高度范围：60~100cm；

4．按人体各部分比例确定各部分尺寸；

5．用最少的自由度实现人类最基本的动作功能；

6．各关节的运动范围尽可能大；

7．批量：本机器人设计、制造一台。

三、设计要求

1．能满足步行要求，保证行走平稳；

2．结构简单，运动可靠，装卸方便，便于维修、调整；

3．尽量使用通用件，以便降低制造成本；

4．各动力部件便于控制；

5．设计图样总量：折合成A0幅面在3张以上；工具要求：应用计算机软件绘图；过

程要求：装配图需提供手工草图；

6．毕业设计说明书按照学校规定的格式规范统一编排、打印，字数不少于1万字；

7．查阅文献资料10篇以上，并有不少于3000汉字的外文资料翻译；

8．到相关单位进行毕业实习，撰写不少于3000字实习报告；

9．撰写开题报告。

四、毕业设计物化成果的具体内容及要求

1、设计成果要求

1）毕业设计说明书 1 份

2）机器人总装图 1 张

3）腰部及以上部装图　　 1 张

4）三维造型图 1 套

5）其它零件图　不少于7张

2、外文资料翻译（英译中）要求

1）外文翻译材料中文字不少于3000字；

2）内容必须与毕业设计课题相关；

3）所选外文资料应是近10年的文章，并标明文章出处。

五、毕业设计（论文）进度计划

起讫日期工作内容备注

3月17日～3月18日布置任务

3月19日～4月1日调查研究，毕业实习

4月2日～4月15日方案论证，总体设计

4月16日～4月30日技术设计（部件设计）

5月8日～5月23日工作设计（零件设计）

5月24日～6月7日撰写毕业设计说明书

6月8日～6月10日毕业设计预答辩

6月11日～6月18日修改资料

6月19日～6月21日评阅材料

6月22日～6月24日毕业答辩

6月25日～6月28日材料整理装袋

六、主要参考文献：

1、龚振邦.机器人机械设计[M].北京:电子工业出版社，1995.

2、马香峰.工业机器人的操作机设计[M].北京：冶金工业出版社，1996.

3、费仁元,张慧慧.机器人机械设计和分析[M].北京：北京工业大学出版社，1998.

4、周伯英.工业机器人设计[M].北京：机械工业出版社，1995.

5、蔡自兴.机器人学[M].北京：清华大学出版社，2000.

6、宗光华,刘海波译.机器人技术手册[M].北京：科学出版社，1996.

7、徐卫良,钱瑞明译.机器人操作的数学导论[M]. 北京：机械工业出版社，1998.

8、孙迪生,王炎.机器人控制技术[M].北京：机械工业出版社，1998.

9、徐灏.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

10、殷际英,何广平.关节型机器人[M].北京:化学工业出版社，2003.

11、叶伟昌.机械工程及自动化简明设计手册[M].北京：机械工业出版社，2001.

仿人型机器人总体及臂手部结构设计

摘要：本文对仿人机器人构型的研究现状进行综述，分析了国内、外现有仿人机器人普遍采用的串联构型的特点；介绍了人体的结构，对关节、肢体构成与运动进行简化，建立人体的简化构型。提出了仿人机器人研究中存在的、需进一步研究的相关问题，针对问题提出了研究重点及未来发展方向。本课题设计的仿人机器人具有9个自由度，包括头部俯仰、肩关节转动与摆动、肘关节摆动和腕关节摆动。机器人关节是机器人的基础部件，其性能的好坏直接影响机器人的性能，本课题设计的仿人机器人关节处，利用步进电机经过一对直齿圆柱齿轮来传递动力，它具有结构简单、紧凑、传动稳定等优点。由于仿人型机器人的运动模型与人体的运动模型是不同的，所以捕获的人体的动作数据不能直接应用于仿人型机器人，需要通过运动学匹配将获取的人体动作数据转化为满足运动学约束的仿人型机器人运动数据。机器人上肢在空中运动，其运动学约束条件只包括关节范围及自由度的数目。该仿人机器人具有类似于人的各主要关节，能够完成步行和手臂简单舞蹈等基本动作功能。

关键词：仿人型机器人；结构设计；三维造型

The Design of Overall and Hand Arm Structure

of Humanoid Robot

Abstract :The current status and development of the mechanismarchitecture of humanoid robots are summarized and the characteristics of the serial architectures used universally in current humanoid robots at home and abroad are analyzed; The structures of human body is simply introduced and joints, the constitution of limbs and its movement are investigated and simplified. The humanoid robots can be applied in the occasion of robots service, popularization of science, entertainment and the research of humanoid robots, especially the biped robots, may be helpful to the intelligent prosthesis development in the future. The topics designed humanoid robot has nine degrees of freedom，including the head pitching，swinging and shoulder rotation，Swing elbow and wrist swinging．Robot joint robot is the basis of components, their performance will have a direct impact on the performance of robots, The topics designed humanoid robot joints，using stepper motor through a spur gear to transfer power, It is simple and compact structure, transmission and stability advantages. The kinematics and dynamics research of a humanoid robot are crucial problem, which must be solved. They affect the walking performance. As the humanoid robot motion model and the human body motion model is different, so capture the movements of human data can not be directly applied to humanoid robots, needs the human body movement data which will gain through the kinematics match to transform for satisfies the kinematics restraint to imitate the human robot movement data. Robot arm in the air campaign, the kinematic constraints only joint scope and the number of degrees of freedom. The humanoid robot is similar to that of the major joints, and walking to complete a simple dance arm basic motor function.

Key words:Humaniod Robot;Structural Design;3D Modeling

1前言1

1.1 仿人机器人的概念1

1.2 课题来源1

1.3 技术要求1

1.4 国内外研究现状及发展状况2

1.4.1 国内研究现状2

1.4.2 国外研究现状2

1.4.3 发展趋势3

1.5 本课题要解决的主要问题及解决方案4

2 总体方案设计6

2.1 仿人机器人臂手部结构的确定6

2.2 仿人机器人上身尺寸的确定6

2.3 结构的设计6

2.4 仿人机器人自由度的确定6

2.5 电机的选择7

3 机器人驱动装置的设计8

3.1 肩部步进电机的选择9

3.2 肘部步进电机的选择9

3.3 腕部及头部电机选择10

4.仿人机器人机械传动件的设计11

4.1 齿轮的设计11

4.1.1 肩部齿轮的设计与校核11

4.1.2 肘腕部齿轮设计13

4.1.3 头部齿轮的设计14

4.2 轴的设计与计算15

4.2.1 轴的结构设计15

4.2.2 轴的强度计算16

5. 仿人型机器人连接板的设计及校核20

5.1 肩部连接板的设计与校核20

5.2 电机支撑板的设计与校核21

6. 仿人型机器人三维造型及运动仿真22

6.1 仿人型机器人三维造型22

6.2 仿人型机器人运动仿真23

6.3 仿人型机器人舞蹈运动分析23

6.4 仿人机器人重力分析23

7 结论25

参考文献26

致谢27

1前言

1.1 仿人机器人的概念

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尤其受到普遍关注，并成为智能机器人领域中最活跃的研究热点之一。

研究与人类外观特征类似，具有人类智能、灵活性，并能够与人交流，不断适应环境的仿人机器人一直是人类的梦想之一。世界上最早的仿人机器人研究组织诞生于日本，1973年，以早稻大学加藤一郎教授为首，组成了大学和企业之间的联合研究组织，其目的就是研究仿人机器人。加藤一郎教授突破了仿人机器人研究中最关键的一步——两足步行。1996年11月，本田公司研制出了自己的第一台仿人步行机器人机P2，2000年11月，又推出了最新一代的仿人机器人ASIMO。国防科技大学也在2001年12月独立研制出了我国第一台仿人机器人。

参考文献

[1] 贾丁.仿人机器人概述[J]．机器人技术与应用,2002,（5）:6-7.

[2] 李允明.国外仿人机器人发展概括[J].机器人,2005.11,（6）:562-568.

[3] 徐锦康. 机械设计[M] .机械工业出版社 2004.4.

[4] 王旭，王积森. 机械设计课程设计[M] .机械工业出版社 2004.6.

[5] 钱志峰,刘苏. 工程图学基础教程[M] .科学出版社 2001.9.

[6] 成大先. 机械设计手册[M]. 化学工业出版社 2002.1.

[7] 徐灏. 机械设计手册[M]. 北京：机械工业出版社 2002.

[8] 周建方. 材料力学[M]. 机械工业出版社 2004.1.

[9] 龚振邦.机器人机械设计[M].北京:电子工业出版社 1995.11.

[10] 费仁元,张慧慧.机器人设计和分析[M].北京工业大学出版社 1998.9.

[11] 周伯英. 工业机器人设计[M]. 北京：机械工业出版社 1995.

[12] 蔡自兴. 机器人学[M].北京：清华大学出版社 1995.

[13] 赵晓军. 基于人体运动的仿人型机器人动作的运动学匹配[J]. 机器人,2005.7,（4）:358-361.

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内容简介：: 第 24卷2005年第 4期4月机械科学与技术MECHAN ICAL SC IENCE AND TECHNOLOGYVol. 24Ap rilNo. 42005收稿日期 : 2003 06 24基金项目 :国家 “ 863” 高技术研究发展计划项目 ( 2001AA422170)资助作者简介 :李艳杰 (1969 - ) ,女 (汉 ) ,辽宁 ,博士研究生E2mail: yjli sia. ac. cn李艳杰文章编号 : 100328728 (2005) 0420400204仿人机器人发展现状及其腰部机构研究李艳杰 1, 2, 3 ,赵铁军 4 ,谈大龙 3 ,吴镇炜 1 ,钟华 1, 2(1中国科学院沈阳自动化研究所 ,沈阳 110016; 2中国科学院研究生院 ,北京 100039;3沈阳工业学院机械工程分院 ,沈阳 110168; 4沈阳工业大学机械工程学院 ,沈阳 110023)摘要 :仿人机器人目前已成为机器人领域的研究热点问题之一。本文对仿人机器人目前的发展现状进行了综述 ,介绍了腰部机构在仿人机器人的作用以及具有不同结构特点的腰部机构。介绍了一种新型的两个自由度的并联差动驱动的腰部机构 ,并进行了运动学分析及 P ID控制下的响应特性分析。实验结果表明 ,该机构具有较快的响应速度和较好稳态精度。关键词 : 仿人机器人 ;腰中图分类号 : P24 文献标识码 : AD evelopm en t of Humano id Robot and Study of ItsW a istM echan ismL I Yan2jie1, 2, 3 , ZHAO Tie2jun4 , TAN Da2long3 , WU Zhen2wei1 , ZHONG Hua1, 2(1 Robotics Laboratory, Shenyang Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016;2 Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039;3 College of Mechanical Engineering, Shenyang Institute of Technology, Shenyang 110168;4 School ofMechanical Engineering, Shenyang Polytechnic University, Shenyang 110023)Abstract: The humanoid robot is one of the most active domains in robotics. This paper summarizes thedevelopment of humanoid robot home and abroad. It discusses the functions of waist of humanoid robotand introduces the waist mechanism s with different structural characteristic. The paper especially intro2duces a kind of innovative 22dof waist mechanism, which is driven by a parallel differential mechanismand analyses this mechanism s kinematics and its responding characteristic under P ID control. The experi2mental results show that this mechnism has a good responding speed and static p recision.Key words: Humanoid robot; W aist仿人型机器人是一种具有人的外形 ,并能够效仿人体的某些物理功能、感知系统及社交能力并能承袭人类部分经验的机器人。仿人型机器人的研究目的不是企图制造以假乱真或替代人类的机械 ,而是要创造一种新型工具 ,它能在典型的日常环境中和人类交流 ,在更广泛的环境任务中扩展人类的能力。仿人机器人不仅具有能走的双腿和双臂 ,有头、眼、颈、腰等物理特征 ,还能模仿人类的视觉、触觉、语言 ,甚至情感等功能。这和能在特种环境下工作的服务机器人是有区别的。目前仿人机器人的研究已经成为机器人学研究的热点 ,是多学科的交叉。中国科学院沈阳自动化研究所研制的轮式移动宜人机器人是一个仿人机器人技术研究平台 ,它由正交轮式移动平台、腰部、双臂、躯干及头部组成 ,共21个自由度 ,其中腰部机构具有两个自由度 ,利用两个差动轮系实现封闭式传动 ,是一个创新性机构。本文介绍了仿人机器人的发展现状 ,分析了腰部机构在仿人机器人中的作用 ,以及差动轮系驱动的轮式移动宜人机器人腰部机构的结构特点 ,给出了腰部机构的运动学方程 ,建立了基于 PC机 Can卡的网络控制系统 ,并对该腰部机构的控制响应特性进行了实验研究。1 仿人机器人的发展现状 1 6 日本的早稻田大学研究仿人机器人已有将近 40年的历史 ,并在 1973年创建了世界上第一个仿人形机器人WABOT21。 1992年早稻田大学集中工业界、政府和学术界的力量开始了仿人机器人工程 ( The Project Humanoid) ,它的最终目标是开发能与人类分享信息和行为空间的机器人。 1995年 ,该工程生产了第一个名为 Hadaly21的样机 ,Hadaly21能综合视听信息 ,声音对话和姿态运动与人进行nts第 4期李艳杰等 :仿人机器人发展现状及其腰部机构研究几个基本的信息互动。 1997年 ,早稻田大学又集成了工程前期的技术 ,开发了两个新的仿人机器人 ,命名为 Hadaly22和 W abian (W aseda bipedal humanoid) (图 1)。 Hadaly22的下肢移动机构是车体 ,它综合视觉环境认知、对话能力、姿态行为实现与人类的信息交互 ; WAB IAN是一个全面具有人体构造的机器人。它能用双腿步行 ,能携带物体 ,具有信息交互能力。早稻田大学的仿人机器人的最新成果是 W endy(W aseda engineering designed symbiont)。它是在提高 Hadaly22的每个子系统的基础上发展而来 ,能更好地实现人与机器人的交互 ,W endy还把安全性 (冲击和碰撞时的安全 )和可操作性 (移动性和灵活性 )作为基本要求 ,它能完成从地板上拿起物体及打鸡蛋等任务。日本的 Honda公司的仿人机器人工程开始于 1986年 ,经过十年的秘密研究 , P2在 1996年一经问世 ,便令世人瞠目。 P2是世界上第一个无缆仿人机器人 ,它能走 ,能上下台阶 ,能推小车。 P3是 P2的改进 ,减小了尺寸 (重量由原来的 210 kg降为 130 kg,高度由 1800 mm降为 1600 mm,提高了步行能力。 2000年本田公司又推出了新型双脚步行机器人 “ A simo (Advanced step in innovative mobility) ” ,和 “ P3” 相比 ,体形更小、重量更轻 ,并采用了新开发的技术 “ I2W alkin2ga ( Intelligent Realtime Flexible W alking) ” 实现更加自由的步行。 2002年 12月 Honda公司又推出了最新款的 A simo智能仿人机器人 (图 2) ,它的主要特点是 :(1) 基于认知技术的先进的交流能力。它能实现移动物体认知、位置 /姿态认知、环境认知、声音认知和面部认知。(2) 网络集成能力。它能与用户网络系统相连完成用户指令 ,还能通过互联网为主人的问题寻找答案图 1 W abian 图 2 A simo日本东京大学开发的 H6和 H7,采用空间技术 ,它们具有低重量 (55 kg)、高强度的特点。 H6有 35个自由度 ,它能走上和走下 25 cm高的台阶 ,还能认识预存的人的面孔。日本京都的先进通信研究所 ( the Advanced Telecom2munication Research Institute International or ATR)开发了世界上第一个能在两轮基座上自平衡的仿人机器人。这一“ Robovie” 系列的机器人能实现人与机器人的对等交流。Robovie2III增加了日常活动中交流行为的种类 ,能够表达更多的姿态和行为。 Robovie利用倒立摆机构实现在两轮基座上自平衡。使机器人能与不同高度的人谈话 ,能在说话时向后看 ,能通过移动腰来做幽默的姿势 ,能用手指指向特定物体。SDR23x( Sony D ream Robot23X)是日本索尼公司于 2000年推出的紧凑型仿人机器人。 500 mm高、 220 mm宽、 5 kg重 , 24个自由度 ,它除了能走以外 ,还能蹲下、起来、同步舞蹈 ,但它不能走上或走下台阶。 2002年该公司又推出了SDR24x型机器人 ,它的自由度数达到了 38个。它利用实时运动控制系统实现在像地毯类的弹性地面上行走 ,并保持平衡。 SDR24X的视觉和声音认知能力也大有提高。日本的 METI(M inistry of Economy, Trade and Industry)从 1998年开始实施了一个为期五年的仿人机器人工程(HRP)。 HRP采用基于平台的方法 ,即用第一阶段开发的平台作为第二阶段的基础框架。第二阶段的主要任务是为仿人机器人找到有前景的应用 ,为仿人机器人工业的批量生产铺路。 HRP22P是在 HRP22平台下生产的仿人机器人样机 ,它在臀关节采用悬臂结构、增加两个自由度的腰关节等特殊机构 ,使它能在露天的粗糙地面上行走 ,并使得身体运动范围更大、稳定性更好。它的另一个显著特点是没有了后背的电池包。美国麻省理工学院开发的 Cog机器人只有上身 ,没有下肢 ,主要作为研究机器人的头脑智能、认知与感知、手臂的灵活性及柔顺型等的平台。美国佛罗里达大学的机器智能实验室 (M IL )开发仿人机器人 Pneuman,作为人工认知、自然语言处理、轨迹规划、自动导航、人与机器人交互等的研究平台。我国在仿人形机器人方面做了大量研究 ,并取得了很多成果。比如长沙国防科技大学研制成了双足步行机器人 (先行者号 ) ,北京航空航天大学研制成了多指灵巧手 ,中国科学院沈阳自动化所、哈尔滨工业大学、清华大学、北京科技大学也在这方面做了大量深入的工作。我国最新成果是北京理工大学于 2002年 12月推出的仿人机器人BHR21,它按照亚洲人的标准 ,身高 1. 58 m,体重 76 kg。它全身有 32个关节 ,使其活动起来比较自如 ,步幅为 0. 33m,速度为每小时 1 km。它还能打太极拳。2 腰关节在仿人机器人中的作用 7 13 从生物学的角度来看 ,猴子有细长的腰 ,但它主要生活在树上 ;黑猩猩和大猩猩等大型灵长类动物像人类一样主要生活在陆地上 ,它们的臀关节和肩关节有很大的力量和运动范围 ,但却没有腰的灵活性 ,它骨盆上边和最下面的肋骨之间没有间隙。而人类在骨盆和肋骨之间有腰相连 ,使人类的脊骨可以带动上身弯曲、侧倾及扭转 ,使人类的活动有更大的移动性和灵活性 ,人类是有腰的唯一的大型灵长类动物。在仿人机器人中加入腰 ,旨在提高机器人步行稳定性及在连续快速步行中让仿人机器人能像人类一样实现整个身体 (上肢、下肢及腰 )的协调动作 ,完成各种不同工作。104nts机械科学与技术第 24卷2. 1 腰关节在连续稳定的动态步行中的作用1990年早稻田大学的 J in2ichi Yamaguchi et al提出了利用腰的两轴 (俯仰和横滚轴 )运动补偿在任意规划 ZMP(零力矩点 )下的下肢运动产生的力矩实现双足动态稳定的快速步行的控制方法 ,平面步行速度可达 0. 64 s/ step,步长 0. 3 m / step。实验发现 ,这种方法虽然实现了快速步行 ,但步行时在偏转轴产生的力矩使得机器人在偏转轴上有旋转 ,并成为影响步行稳定性的重要因素。而人类则不仅可以补偿俯仰轴和横滚轴的力矩还可以通过双臂的摆动和腰部的旋转来补偿偏转轴的力矩从而保持步行的整体稳定性。1993年他们又提出了腰部的三轴力矩补偿的控制方法 ,并在机器人 WL212RV上进行了实验研究 ,平面步行速度可达 0. 54 s/ step,步长 0. 3 m / step。2. 2 腰在全身协调动态步行中的作用1996年 J in2ichi Yamaguchi et al通过研究双足步行仿人机器人整个身体 (下肢、上肢和腰 )的协调动态步行 ,得到了机器人的全身协调动态步行控制方法 ,该方法主要通过腰部的协调运动来补偿由任意规划下的下肢运动及手臂运动产生的三轴 (俯仰 ,横滚和偏转轴 )力矩。在仿人机器人 W abian上进行的步行实验表明 ,可实现 :(1) 手臂固定时的正常动态步行 (前进及后退 ) , 0. 10s/ step 0. 15 s/ step, 8. 00 s/ step 1. 28 s/ step;(2) 动态舞蹈 (向前、向后及摆臀 ) ;(3) 双臂动态持重物 , 0. 10 s/ step 0. 15 s/ step, 1. 28s/ step,负重 1. 5 kg。2. 3 腰在有情感步行中的作用人类的步行还能表达人类的情感 ,比如 ,人在高兴的时候 ,走路常有仰头、挺胸、脚步轻快 ;而在伤心的时候 ,常有低头、弯腰、步履缓慢等特征。双足步行机器人若能用身体的运动来表达情感 ,将使仿人机器人更具亲和力 ,易于与人类交流。 A tsuo Takanishi以 W abian2R II进行步行机器人有情感步行的实验研究。不同情感状态下选择头、臂、腰的不同运动参数 ,得到不同的步态特征 ,步行前根据这些参数来规划下肢、腰和头的运动模式 ,计算腰部的补偿运动以实现稳定的有情感步行 ;步行中利用程序控制每个情感步行模式。此外 ,腰关节在扩大机器人工作空间中也起到了重要的作用。2. 4 腰在轮式仿人机器人中的应用机器人 W endy的机械结构由头、腰、车和手指等几部分组成 ,它的腰关节 (图 3)由一个旋转轴 (关节 1)和两个侧倾轴 (关节 2和关节 3)。通过关节 2和 3的反向旋转 ,实现弯腰但不倾倒 ,它可以扩展垂直面上的工作空间 ,可以增加整个身体的冗余度 ,有效地抑制人机接触时的冲击力。机器人 Robovie是基于同轴两轮倒立摆的移动机构 ,它具有 3个自由度的腰关节 ,第一个关节用于扭转上身 ,使 Robovi2III不用在地面上移动就可以向四周看 ;第二个关节用于实现上身的侧倾 ;第三个关节是平行连杆机构实现上身的前后俯仰。腰关节的组合运动能够抵消上身运动引起的中心变化 ,还可以实现在不平路面运动过程中保持上身直立向上。图 3 W endy的腰关节中国科学院沈阳自动化所的轮式移动仿人机器人的腰部机构采用新颖的并联差动驱动机构 (图 4) ,可以实现双电机驱动仿人机器人的俯仰或侧倾的单独运动 ,又可以实现俯仰和侧倾的复合运动。还具有电源消耗低 ,降低中心 ,提高稳定性的特点。图 4 并联差动驱动腰部机构3 腰部机构的运动学分析 14, 15 该腰部机构本质上是串联机构形式 ,依据串联机构末端连杆的位姿与关节变量之间的关系 ,建立腰部机构运动学方程 ,即02 R0 P200 1=cosq1 cosq2 - cosq1 sinq2 - sinq1 lcosq1sinq1 cosq2 - sinq1 sinq2 cosq1 lsinq1- sinq2 - cosq2 0 00 0 0 1(1)式中 : 02 R为腰部末端的姿态矩阵 ; 0 P20为腰部末端的位置矩阵 ; q1 , q2 为侧倾和俯仰的关节变量 ; l为腰部高度。根据差动轮系的运动特点 ,差动轮系输出轴的速度 ,就是侧倾和俯仰运动的关节速度 ,即q 1 = 1i | I1 + I 2 | (2)q 2 = 1i | I1 - I 2 | (3)式中 : I1 , I2分别为驱动电机 I1和 I2的转速 ; i为传动比。204nts第 4期李艳杰等 :仿人机器人发展现状及其腰部机构研究4 腰部机构性能测试与分析为对腰部机构实施控制并对腰部机构的运动及控制性能进行实验研究 ,建立了基于 PC机 CAN卡的实验平台 ,该平台的硬件结构主要由 PC机、基于 CAN卡的总线控制器及两个基于单片机的关节控制器、带光电编码器的伺服电机、 PWM功率放大器、 A /D转换等组成。对两关节电机实施速度的 P I控制 +位置 P控制策略 ,电机输出轴的角位移由增量式光电编码器获得 ,速度由位移的微分求得。为获得腰部机构末端的响应特性 ,在该机构的末端安装了两个倾角计 ,分别用于测量腰部机构俯仰和侧倾运动的实际空间角度值。利用该网络控制平台 ,对腰部机构的实时响应特性进行了实验研究。图 5为其中一个关节电机的速度响应曲线 ;图 6为俯仰位置响应曲线。图 5 伺服电机速度阶跃响应曲线图 6 俯仰位置响应曲线实验结果表明 ,合理选择控制器参数 ,该腰部机构的速度阶跃响应的上升时间可达 60 m s,响应速度较快 ,空间位置跟踪误差可达 0. 2 。5 结论在双足步行仿人机器人中加入腰关节 ,利用腰来补偿机器人下肢及上肢运动在两轴或三轴的不平衡力矩可以实现机器人动态的、稳定的、连续的、快速的步行运动 ,还可以使机器人完成带感情的步行。腰的补偿作用可以使机器人的上身变的 “ 柔软 ” ,从而使机器人的步态更柔顺。腰在轮式移动中的主要作用是给机器人的手臂增加了冗余度 ,扩大了仿人机器人的工作范围。并联差动驱动腰部机构本质上是并联驱动方式的串联机构 ,该机构的主要特点是减少了仿人机器人的电源消耗 ,降低了仿人机器人的中心 ,提高了系统的运动稳定性。实验表明 ,该机构具有良好的动态响应特性及稳态特性。但对该机构在大负载下的动态特性以及在仿人机器人的协调动态运动中的控制作用还需深入研究。参考文献 1 Hashimoto S, et al. 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