仿人二足机器人爬楼梯设计.doc

仿人二足机器人爬楼梯设计（说明书）目录1. 前言.11.1仿人二足机器人的概念.21.2课题来源.31.3设计目的.41.4技术要求.51.5设计意义.61.6设计范围.71.7国内外的发展状况和存在的问题.8 1.7.1国内发展状况.9 1.7.2国外发展状况.10 1.7.3存在的问题.111.8具体设计.12 1.8.1设计指导思想.13 1.8.2应解决的主要问题.14 1.8.3本设计采用的研究计算方式.151.前言1.1仿人二足机器人的概念： 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。1.2课题来源本课题来源于机械创新设计课程的研究课题。本学期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。在李军教授和方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.1.3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。1.4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5.虚拟样机的机械系统模型的建立1.5设计意义仿人二足机器人作为越障型机器人，一直是机器人研究领域的重点，主要考察在非结构环境中多功能全自主移动机器人的技术的应变和应用，但是非结构环境给移动机器人的运动造成了自主决策和路径规划的困难，越障机器人的研究，对扩展机器人的作业空间，像人类一样在各种环境中进行作业，具有重要的意义。仿人二足机器人爬楼梯设计，可应用于家庭以及工业正常中，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对于人身安全的保障，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。在各种障碍中，楼梯是人造环境中的最常见的障碍，也是最难跨越的障碍之一，所以仿人二足机器人爬楼梯设计对于机器人应用有着极其深远的意义。1.6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，先将附重抬高，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，遂采用这个方案。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。1.7国内外的发展状况和存在的问题1.7.1国外发展状况国外在爬楼梯装置方面的研究已经有100多年的历史了，成果也较多。最早的专利是1892年美国的Bary发明的爬楼梯轮椅，此后，各国纷纷开始投入这项研究，其中美国，英国，德国和日本占据主导地位，技术相对比较成熟，且有一些产品已经投入市场使用。1973年，以早稻田大学加藤一郎教授为首，组成大学与企业之间的联合研究组织，其目的就是研究仿人机器人。1996年，本田公司研究出了第一台仿人步行机器人P21.7.2国内发展状况 国内，仿人机器人的研究工作起步较晚，1985年以来，相继有几所高校进行了这方面的研究并取得一定成果，其中以哈尔滨工业大学和国防科技大学最为典型。哈尔滨工业大学子1985年开始研制双足步行机器人，基于控制理论曾获得自然科学基金和国家“863”计划的支持，迄今为止以完成3个型号的研制工作。1.7.3存在的问题 综上所述，国外在这方面的研究已经有100多年的历史了，成果较多，但是大多都结构复杂，造价昂贵，远远超出人民的经济承受能力。 国内的研究相对较晚，虽然也诞生了很多专利，但由于受到体积，重量，稳定性级安全问题还没有产品真正投入使用。1.8具体设计1.8.1设计指导思想 面向社会应用需求，基于机械创新设计课程的课题要求，根据本学期学习到的机械原理等知识，力求推动大学生设计创新能力，提高机器人应用实际的实际操控力，达到我们机械创新设计的目的。1.8.2应解决的主要问题1.重心对于机器人行走稳定性的影响，对机体质心及其稳定性2.驱动腿部运动的动力的施加，分析采用合适参