综合设计两足步行机器人课件

1、LOGO机械课程综合设计机械课程综合设计两两足步行机器人足步行机器人姓名姓名学号学号班级班级指导老师：指导老师：设计背景设计背景较强的越障较强的越障能力，多自由度稳步步行能力，多自由度稳步步行体积小、重量轻、动作灵活体积小、重量轻、动作灵活功耗、能耗功耗、能耗小小极限环境下代替人工作业极限环境下代替人工作业具有广泛的应用前景具有广泛的应用前景两两足机器人足机器人的优点的优点 双双足机器人的研制开始于上世纪足机器人的研制开始于上世纪70年代年代末，末，目前认为比较目前认为比较成熟成熟且广泛被人们且广泛被人们认识的主要有纯机构形式、仿生机构形式和控制学的多认识的主要有纯机构形式、仿生机构形式和控制

2、学的多关节关节等等三种三种。按照移动。按照移动方式方式主要分为四主要分为四种，分别是：轮式、履带式、步行、种，分别是：轮式、履带式、步行、爬爬行。然而双足步行机器人与其它行。然而双足步行机器人与其它移动移动方式相比，具有无法方式相比，具有无法比拟的比拟的优越性：优越性：设计背景设计背景 世界上第一世界上第一台仿人步行机器人于台仿人步行机器人于1967年诞生于日本早稻田大学的加藤一年诞生于日本早稻田大学的加藤一郎实验室。早稻田大学就研制出的郎实验室。早稻田大学就研制出的 WL-1结构上模仿了人体的下肢，通过双结构上模仿了人体的下肢，通过双腿模拟实验研究出行走的基本参数。后来的腿模拟实验研究出行走

3、的基本参数。后来的WL-3通过电动液压伺服系统驱通过电动液压伺服系统驱动下肢关节的运动可以基本实现人的走和坐的动作。再后来又研制出的动下肢关节的运动可以基本实现人的走和坐的动作。再后来又研制出的WL-5进一步改进，双腿各具有进一步改进，双腿各具有 5 个自由度，可以通过程序控制它行走方向的改个自由度，可以通过程序控制它行走方向的改变，从此步行机器人一步步逐渐发展起来。变，从此步行机器人一步步逐渐发展起来。 日本本田公司从日本本田公司从1986 年从事仿人双足步行机器人的研究工作，至年从事仿人双足步行机器人的研究工作，至97 年年底已经推出了底已经推出了P 系列系列1, 2, 3 型仿人双足步行

4、机器人。型仿人双足步行机器人。 P2的问世将双足步行的问世将双足步行机器人的研究工作推向了高潮。其中机器人的研究工作推向了高潮。其中P2和和P3都使用了大量的传感器如陀螺都使用了大量的传感器如陀螺仪、重力传感器、力矩传感器和视觉传感器，基于这些传感器实现稳定的动仪、重力传感器、力矩传感器和视觉传感器，基于这些传感器实现稳定的动态行走。态行走。 设计背景设计背景 国内，双足步行机器人的研制工作起步较晚，相继有几所高国内，双足步行机器人的研制工作起步较晚，相继有几所高校进行了这方面的研究并取得了一定的成果。其中以哈尔滨工业校进行了这方面的研究并取得了一定的成果。其中以哈尔滨工业大学和国防科技大学最

5、为典型。大学和国防科技大学最为典型。NoImage国防科技大学国防科技大学“先行者先行者”机器人机器人哈工大的哈工大的“HIT”型两足步行机器人型两足步行机器人主要设计思想和研究意义主要设计思想和研究意义主要设计思想主要设计思想： 双双足步行机器人具有多关节足步行机器人具有多关节、多多驱动器、多自由度的特点，其驱动器、多自由度的特点，其自自由度的由度的设置、各关节的活动范围设置、各关节的活动范围直直接接影响机器人外在美观、行走方式影响机器人外在美观、行走方式、活动范围活动范围、建模方式、步态规划、建模方式、步态规划以以及及控制方案等。控制方案等。研究意义：研究意义： 那么设计一个纯机构的两足步

6、行机器人将在很那么设计一个纯机构的两足步行机器人将在很大程度上满足现代大程度上满足现代人类发展需求，一方面可实现基人类发展需求，一方面可实现基础础机械式多机械式多自由度稳步步行，自由度稳步步行，另一方面另一方面降低能耗、降低能耗、减小体积、减小体积、延长使用寿命延长使用寿命， 具有广泛而重要的具有广泛而重要的意意义。义。 我们计划我们计划设计出模拟人体步行的机构设计出模拟人体步行的机构,因为步行的复杂程度因为步行的复杂程度直接控制了机构的难易程度直接控制了机构的难易程度,用纯机械的机构来实现较难的人体用纯机械的机构来实现较难的人体行走过程行走过程,必然会有很大的误差必然会有很大的误差,但我们一

7、致追求机构的尽量精确但我们一致追求机构的尽量精确和逼真和逼真,研究自己行走时的各个过程研究自己行走时的各个过程,下图是我们得出的人行走时下图是我们得出的人行走时的几个主要过程：的几个主要过程：机构初步设计思路机构初步设计思路设计分析及设计要求设计分析及设计要求机器人高度：参照人体尺寸设计自由度的设置：F=6 采用电机提供原动力，靠机械机构传递动力。 一个一个两足步行机器人除了满足可向前行走的基本要求，还两足步行机器人除了满足可向前行走的基本要求，还必须必须具有具有一定的稳定性、方便性、安全性。针对这些性能要求，进行一定的稳定性、方便性、安全性。针对这些性能要求，进行了了机器人机器人高度、自由度

8、、各关节活动范围、关节驱动方式的选择的高度、自由度、各关节活动范围、关节驱动方式的选择的讨讨论论和设计分析。和设计分析。机构选型设计机构选型设计 为建立一个能手足联动的两足步行机器人，本小组采用先设计为建立一个能手足联动的两足步行机器人，本小组采用先设计腿部机构，再设计一个传动机构以驱动手臂的甩动动作的方法，将腿腿部机构，再设计一个传动机构以驱动手臂的甩动动作的方法，将腿部和手臂的机构分开设计。部和手臂的机构分开设计。腿部机构设计方案腿部机构设计方案方案一、滑块联动机构方案一、滑块联动机构 此此方案的特点是小腿的伸缩转动是由大腿控制的，区别方案的特点是小腿的伸缩转动是由大腿控制的，区别方案二的

9、方案二的是是小腿大腿没有分开控制，由连动控制，另一特点是大腿的伸缩小腿大腿没有分开控制，由连动控制，另一特点是大腿的伸缩又是又是由由大腿的转动角度控制的，如下图：大腿的转动角度控制的，如下图：方案一、滑块联动机构方案一、滑块联动机构机器人大小腿联动控制机器人大小腿联动控制臀部和大腿连接部分臀部和大腿连接部分方案一、滑块联动机构方案一、滑块联动机构机器人膝关节机构简图机器人膝关节机构简图 图图中中F框表示机器人的臀部，框表示机器人的臀部，G框框表示表示大腿，铰链大腿，铰链A固结在固结在F上，上，用以用以连接连接大腿和臀部，铰链大腿和臀部，铰链C和和D固结固结在在G上，滑块上，滑块B轴心固结在轴心

10、固结在F上，当上，当大大腿腿绕绕A点逆时针转动时（即大腿点逆时针转动时（即大腿往前往前伸伸），），CBH变大，此时滑块变大，此时滑块B下滑下滑，又又由于由于BE杆的作用，使得点杆的作用，使得点E逆时针逆时针转动转动，那么杆，那么杆EDF也绕点也绕点D转动，转动，此此时时F绕点绕点D顺时针转动，由处的顺时针转动，由处的球球形形铰可以控制杆铰可以控制杆(即小腿即小腿)绕点绕点逆逆时针时针转动，实现小腿的往前伸。转动，实现小腿的往前伸。选型设计二、采用凸轮机构选型设计二、采用凸轮机构方案二、凸轮机构方案二、凸轮机构 利用利用凸轮的运动规律，设计凸轮轮廓曲线来较准确的控制凸轮的运动规律，设计凸轮轮廓曲

11、线来较准确的控制机机构构的运动路线，此方案分别对大腿和小腿的不同运动特点采用的运动路线，此方案分别对大腿和小腿的不同运动特点采用不不同同的凸轮轮廓曲线，使运动更形象逼真，而凸轮又靠电机来带动的凸轮轮廓曲线，使运动更形象逼真，而凸轮又靠电机来带动，用用这种方法来实现机器人的行走。以下几图为此方案的机构简图：这种方法来实现机器人的行走。以下几图为此方案的机构简图：方案二、采用凸轮机构方案二、采用凸轮机构机器人单边腿部的机构简图机器人单边腿部的机构简图 该该图即为机器人单边腿部的图即为机器人单边腿部的机构机构简图简图，分别用了，分别用了2个凸轮机构，个凸轮机构，4个个滑滑块块机构，机构，9个活动构件

12、，个活动构件，11个低副，个低副，2个个高副和高副和2个虚约束。个虚约束。方案二、采用凸轮机构方案二、采用凸轮机构机器人臀部机构机器人臀部机构 凸轮凸轮转动中心、转动中心、横向横向滑杆滑杆和两个机架都和两个机架都固定固定在在臀部上，臀部上，B处圆是处圆是与与凸轮凸轮相切的圆柱，相切的圆柱，用来用来控制控制横向滑块的前进横向滑块的前进和和后退后退，A杆是大腿的杆是大腿的简简图，图，一端插在一端插在B处的处的一一个个滑块上，同时与滑块上，同时与C处处的的铰链相接，用以铰链相接，用以固定固定大腿大腿和臀部的连接，和臀部的连接，另另一端一端连接小腿连接小腿部分。部分。方案二、采用凸轮机构方案二、采用凸

13、轮机构机器人膝关节的机构简图机器人膝关节的机构简图 横杆横杆G焊接在焊接在大腿大腿A杆上，用以固定杆上，用以固定凸凸轮轮和虚线处的横向和虚线处的横向滑滑杆杆，E杆为小腿简图杆为小腿简图，F处的铰链用以连接处的铰链用以连接小小腿腿和大腿，使小腿和大腿，使小腿能能绕绕大腿旋转，大腿旋转，E杆杆一端一端与与滑块连接用以控制滑块连接用以控制小小腿腿的转动角度，另的转动角度，另一端一端连接连接脚掌，如下图：脚掌，如下图：机构设计选型机构设计选型手臂机构设计方案手臂机构设计方案 由于由于手臂的运动过程很简单，也不是我们的主要研究对象，因此手臂的运动过程很简单，也不是我们的主要研究对象，因此我们我们仅仅设计

14、出一种合适的方案，用以配合腿部的机构进行仿真，因此手臂机构设计出一种合适的方案，用以配合腿部的机构进行仿真，因此手臂机构简简图图如下：如下： 图图中中AD杆即为机器人手臂，滑块杆即为机器人手臂，滑块B的的滑槽设置在机器人臀部，滑块滑槽设置在机器人臀部，滑块B的的移移动动靠臀部处的大凸轮带动，靠臀部处的大凸轮带动，从而使得点从而使得点E绕点绕点A转动，即手臂绕点转动，即手臂绕点A转动，转动，实现实现了了手臂和腿部运动的同时性，并且手臂和腿部运动的同时性，并且不会不会出现出现同手同脚的情况，使得机器人的同手同脚的情况，使得机器人的步步行行更加逼真。更加逼真。设计方案的评价与选择设计方案的评价与选择

15、机器人机构机器人机构设计设计方案方案评价体系评价体系理论分析理论分析根据评价结果选择根据评价结果选择了了方案方案二用以二用以控制控制腿部腿部的运动的运动手臂方案的手臂方案的评价与选择评价与选择腿部方案的腿部方案的评价与选择评价与选择 综合上述机构设计方案，本小组通过分析和评价体系对方案进行综合上述机构设计方案，本小组通过分析和评价体系对方案进行了评价与选择。了评价与选择。设计方案的评价与选择设计方案的评价与选择腿部方案的评价与选择腿部方案的评价与选择 方案一的设计思路即让小腿由大腿控制，产生连动的效果，方案一的设计思路即让小腿由大腿控制，产生连动的效果，因此方案一充分运用连杆和滑块机构，将大腿

16、的转动角度转化因此方案一充分运用连杆和滑块机构，将大腿的转动角度转化为控制小腿的主要参数，角度越大小腿弯曲程度越大，即实现了为控制小腿的主要参数，角度越大小腿弯曲程度越大，即实现了大腿和小腿的连动，并将小腿的主控参数巧妙的设置成了角度的大腿和小腿的连动，并将小腿的主控参数巧妙的设置成了角度的变化。其中的一大特点是利用了一个球形铰链，能够同时控制小变化。其中的一大特点是利用了一个球形铰链，能够同时控制小腿的前伸和后退。腿的前伸和后退。 但方案一的一大缺点就是运动太受限制，角度只有增加和减但方案一的一大缺点就是运动太受限制，角度只有增加和减少，从而小腿只有前伸和后退，关键是角度和小腿都是同时对应少

17、，从而小腿只有前伸和后退，关键是角度和小腿都是同时对应的运动，不能达到一些复杂的过程（如图一），造成行走很格式的运动，不能达到一些复杂的过程（如图一），造成行走很格式僵硬化，不够贴切现实人们的步行特点。僵硬化，不够贴切现实人们的步行特点。方案一的步行特点方案一的步行特点设计方案的评价与选择设计方案的评价与选择腿部方案的评价腿部方案的评价方案二的步行特点方案二的步行特点 方案二考虑了方案一的弊端，对各种机构进行了理论分方案二考虑了方案一的弊端，对各种机构进行了理论分析，决定用凸轮结构来控制大小腿的运动情况。由于方案一的经析，决定用凸轮结构来控制大小腿的运动情况。由于方案一的经验，大小腿的连动必然

18、会导致机器人行走的僵硬化，不够真实，验，大小腿的连动必然会导致机器人行走的僵硬化，不够真实，因此就分别采用因此就分别采用2个凸轮来对大小腿进行控制，由于凸轮的运动规个凸轮来对大小腿进行控制，由于凸轮的运动规律特性，可以利用凸轮的推程、远修止过程、回程、以及近休止律特性，可以利用凸轮的推程、远修止过程、回程、以及近休止过程与机器人腿部的各个过程向对应，比如控制小腿时，可以将过程与机器人腿部的各个过程向对应，比如控制小腿时，可以将控制小腿的凸轮远休止角与大腿和小腿同时回退的过程相对应，控制小腿的凸轮远休止角与大腿和小腿同时回退的过程相对应，这样使得另一只腿部伸出时这边的腿部保持直线，如此往复，就这

19、样使得另一只腿部伸出时这边的腿部保持直线，如此往复，就达到了机器人的往前行走，如下图：达到了机器人的往前行走，如下图：设计方案的评价与选择设计方案的评价与选择 对于腿部机构的设计，通过对方案一二的综合分析还考虑，建对于腿部机构的设计，通过对方案一二的综合分析还考虑，建立了综合评价指标如下：立了综合评价指标如下：评价项目得分等级评价尺度目标完成情况F1完全实现功能要求基本实现功能要求部分实现功能要求不能实现功能要求10520行走稳定程度F2非常稳定基本稳定不稳定但不影响行走不稳定完全不能行走10520逼真程度F3很逼真比较逼真不太逼真完全看不懂10520复杂程度F4简单不复杂一般复杂复杂1052

20、0机构可调性能F5方便可调一般可调不可调1050设计方案的评价与选择设计方案的评价与选择对以上方案打分如下：对以上方案打分如下：方案F1F2F3F4F5评价总分方案一5225519方案二1010521037 综合理论分析和评分结果，综合理论分析和评分结果，本小组选择了方案二用以控制腿部的运动。本小组选择了方案二用以控制腿部的运动。设计方案的评价与选择设计方案的评价与选择手臂方案的评价与选择手臂方案的评价与选择 如前面所说，由于手臂的运动过程很简单，也不是我们的如前面所说，由于手臂的运动过程很简单，也不是我们的主要研究对象，因此我们仅设计出一种合适的方案，用以配合主要研究对象，因此我们仅设计出一

21、种合适的方案，用以配合腿部的机构进行仿真，此方案如前文所示。腿部的机构进行仿真，此方案如前文所示。机构尺寸综合设计机构尺寸综合设计凸轮尺寸设计凸轮尺寸设计1.臀部凸轮设计臀部凸轮设计0012()sin()2sh12()sin()90290sh 凸轮机构采用的是偏心距为凸轮机构采用的是偏心距为0的对心从动件凸轮机构的对心从动件凸轮机构,主要利用了主要利用了凸轮的推程、远休止过程和回程三个过程。凸轮的推程、远休止过程和回程三个过程。 （ （）（090）推程角定为推程角定为90度，那么度，那么推程采用正弦加速度运动规律，即推程采用正弦加速度运动规律，即090 由于大腿需要在抬高的同时小腿伸展过程中保

22、持不动，所以腿由于大腿需要在抬高的同时小腿伸展过程中保持不动，所以腿需要在空中停留数秒，故采用了大腿凸轮的的远休止过程，此时需要在空中停留数秒，故采用了大腿凸轮的的远休止过程，此时219012 90s()sin()()sin()9029090290sshhh90180s臀部凸轮运动规律设计臀部凸轮运动规律设计远休止角定为远休止角定为90度；度；在另一只脚往前行的同时，这条抬高的腿也相对在往后退，所以在另一只脚往前行的同时，这条抬高的腿也相对在往后退，所以对凸轮的回程采用等减速运动规律，即对凸轮的回程采用等减速运动规律，即NoImageNoImage回程角取为回程角取为180度。度。臀部凸轮从动

23、件运动规律设计表臀部凸轮从动件运动规律设计表凸轮转角从动件运动规律凸轮运动方程凸轮末位置0到90度正弦加速度运动规律90到180度停顿180到360度等减速运动规律NoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImage臀部凸轮轮廓曲线设计臀部凸轮轮廓曲线设计11122000( )( )BBBBexOBrsyresxOBy又由于凸轮是逆时针转的，所以有：又由于凸轮是逆时针转的，所以有：1100cossincossin( )sincossincosBBBBxxrsyyNoImage得到得到 由于从动件为滚子从动件，分别代入由于从动件为滚子从动件，分别代入 的方程，则可

24、得到滚子中心的方程，则可得到滚子中心B（xB ，yB ）运动轨迹曲线，并取基圆半径）运动轨迹曲线，并取基圆半径 ，滚子半径为，滚子半径为1.5，经计算，推程经计算，推程h取取5.4 ，同时结合，同时结合 ，最终得到臀部，最终得到臀部凸轮轮廓曲线。凸轮轮廓曲线。NoImage0=11.5rBB222BCBCBCBCrdyxxddxyydxxyyr 臀部凸轮轮廓曲线设计臀部凸轮轮廓曲线设计09090180s180360NoImageNoImageNoImage膝关节凸轮轮廓曲线设计膝关节凸轮轮廓曲线设计运动规律分析运动规律分析 该凸轮机构同样采用的是偏心距为该凸轮机构同样采用的是偏心距为0的对心从

25、动件凸轮机构的对心从动件凸轮机构,主要利用了主要利用了凸轮的推程、回程和近休止过程三个过程。凸轮的推程、回程和近休止过程三个过程。 推程采用等速运动规律，即推程采用等速运动规律，即0hs090推程角定为推程角定为90度，那么度，那么 =90，即，即02hsNoImage 此过程及为小腿的弯曲过程；此过程及为小腿的弯曲过程； 当小腿弯曲一定程度后需要及时伸展着地，以便另一只脚的运动，当小腿弯曲一定程度后需要及时伸展着地，以便另一只脚的运动，故小腿弯曲后凸轮应立即回程，回程角定为故小腿弯曲后凸轮应立即回程，回程角定为90度，故度，故 ，所以回，所以回程采用等加速运动规律，即：程采用等加速运动规律，

26、即：022222028(1)hshh90180膝关节凸轮轮廓曲线设计膝关节凸轮轮廓曲线设计 当脚着地后，另一只脚开始往前走，所以这只脚就相对往后走，但当脚着地后，另一只脚开始往前走，所以这只脚就相对往后走，但此时小腿相对大腿是不转动的，只有大腿往后移，所以此时小腿应该保持此时小腿相对大腿是不转动的，只有大腿往后移，所以此时小腿应该保持原状，因此凸轮应该处于近休止状态，取近休止角为原状，因此凸轮应该处于近休止状态，取近休止角为180度，此时：度，此时：2222028( )(1)7hsshhh 膝关节凸轮轮廓曲线设计膝关节凸轮轮廓曲线设计方法同前述臀部凸轮设计方法，由于从动件为滚子从动件，分别代入

27、方法同前述臀部凸轮设计方法，由于从动件为滚子从动件，分别代入 的方程，得到滚子中心的方程，得到滚子中心B（ xB，YB ）运动轨迹曲线，并取基圆半径）运动轨迹曲线，并取基圆半径为为6.5，滚子半径，滚子半径1.5，h为为4，计算出轮廓曲线上，计算出轮廓曲线上C的轨迹方程。的轨迹方程。NoImage22228=6.5sinsin+1.586.5coscos-1.5BCBBBCBBdydxdyddxddxdydyddxd2222222232sin 10.5 1.532cos 10.5 1.5BCBBBCBBdydxdyddxddxdydyddxd222221.5sin1.521.5cos1.5BC

28、BBBCBBdydxdyddxddxdydyddxd09090180s180360平面连杆机构的尺寸设计平面连杆机构的尺寸设计手臂平面连杆尺寸设计手臂平面连杆尺寸设计 两足步行机器人的手臂采用以臀部的凸轮带动滑块移动，滑块带动两足步行机器人的手臂采用以臀部的凸轮带动滑块移动，滑块带动平面连杆机构产生平面连杆机构产生“手臂手臂”的的5联动的方法与两腿的动作协调。手臂的平联动的方法与两腿的动作协调。手臂的平面连杆机构如下图所示。面连杆机构如下图所示。 根根 据第二章设计要求与设计数据，成据第二章设计要求与设计数据，成年男性上臂长约为年男性上臂长约为330mm，不妨设，不妨设AD=330mm。同时。

29、同时A点为机器人的肩部，建点为机器人的肩部，建立以如图为平面的立以如图为平面的XY坐标，那么设坐标，那么设A(0,0)。机器人的肩部机器人的肩部A点与点与B点水平距离大约为机点水平距离大约为机器人的上身长，设为器人的上身长，设为550mm。平面连杆机构的尺寸设计平面连杆机构的尺寸设计 当机器人臀部凸轮转动时，当机器人臀部凸轮转动时，B点的滑块左右滑动，根据上一节的计算结果，点的滑块左右滑动，根据上一节的计算结果，滑动距离为滑动距离为5.4mm。 现在确定现在确定B点在凸轮回程结束点、推程中点在凸轮回程结束点、推程中某一点、远休止点的三个坐标分别是某一点、远休止点的三个坐标分别是11(,)BBxy22(,)BBxy33(,)BBxy， 其中其中 。所对应的。所对应的AD的转动角度为的转动角度为123=0 ,=15 ,=30。 因为因为EAD是绕固定点是绕固定点A转动的一个刚体，转动的一个刚体，AD的转动角直接