两足步行机器人综合设计计算说明书

1、PAGE 79PAGE 两足步行机器人设计说明书姓名： 学号：班级： 指导老师： 2012年6月目 录 TOC o 1-4 h z u HYPERLINK l _Toc327401329 第1章 问题的提出 PAGEREF _Toc327401329 h 1 HYPERLINK l _Toc327401330 1.1设计背景 PAGEREF _Toc327401330 h 1 HYPERLINK l _Toc327401331 1.2课题的研究意义与应用前景 PAGEREF _Toc327401331 h 1 HYPERLINK l _Toc327401332 1.3主要设计思想 PAGERE

2、F _Toc327401332 h 2 HYPERLINK l _Toc327401333 第2章 设计要求与设计数据 PAGEREF _Toc327401333 h 3 HYPERLINK l _Toc327401334 2.1高度的设置 PAGEREF _Toc327401334 h 3 HYPERLINK l _Toc327401335 2.2自由度的设置 PAGEREF _Toc327401335 h 5 HYPERLINK l _Toc327401336 2.3各关节活动范围的确定 PAGEREF _Toc327401336 h 6 HYPERLINK l _Toc327401337

3、 2.3.1髋关节的运动 PAGEREF _Toc327401337 h 6 HYPERLINK l _Toc327401338 2.3.2膝关节的运动 PAGEREF _Toc327401338 h 6 HYPERLINK l _Toc327401339 2.3.3踝关节的运动 PAGEREF _Toc327401339 h 7 HYPERLINK l _Toc327401340 2.4关节驱动方式的选择 PAGEREF _Toc327401340 h 7 HYPERLINK l _Toc327401341 第3章 机构选型设计 PAGEREF _Toc327401341 h 8 HYPER

4、LINK l _Toc327401342 3.1两足步行机器人机构设计 PAGEREF _Toc327401342 h 8 HYPERLINK l _Toc327401343 3.1.1腿部机构设计简图： PAGEREF _Toc327401343 h 8 HYPERLINK l _Toc327401344 3.1.2手臂机构设计 PAGEREF _Toc327401344 h 13 HYPERLINK l _Toc327401345 3.2设计方案的评价与选择 PAGEREF _Toc327401345 h 13 HYPERLINK l _Toc327401346 3.2.1 腿部方案的评价

5、与选择 PAGEREF _Toc327401346 h 13 HYPERLINK l _Toc327401347 3.2.2手臂方案的评价与选择 PAGEREF _Toc327401347 h 15 HYPERLINK l _Toc327401348 第4章 机构尺度综合 PAGEREF _Toc327401348 h 15 HYPERLINK l _Toc327401349 4.1凸轮的尺寸设计 PAGEREF _Toc327401349 h 15 HYPERLINK l _Toc327401350 4.1.1臀部凸轮设计 PAGEREF _Toc327401350 h 15 HYPERLI

6、NK l _Toc327401351 4.1.2膝关节凸轮设计 PAGEREF _Toc327401351 h 20 HYPERLINK l _Toc327401352 4.2平面连杆机构的尺寸设计 PAGEREF _Toc327401352 h 24 HYPERLINK l _Toc327401353 4.2.1手臂平面连杆机构运动规律分析 PAGEREF _Toc327401353 h 24 HYPERLINK l _Toc327401354 4.2.2手臂平面连杆机构尺寸设计与计算 PAGEREF _Toc327401354 h 25 HYPERLINK l _Toc327401355

7、第5章 机构运动及动力分析 PAGEREF _Toc327401355 h 27 HYPERLINK l _Toc327401356 5.1动态静力分析 PAGEREF _Toc327401356 h 27 HYPERLINK l _Toc327401360 5.2运动仿真分析集成28 HYPERLINK l _Toc327401361 5.2.1脚尖分析29 HYPERLINK l _Toc327401362 5.2.2手臂分析 PAGEREF _Toc327401362 h 33 HYPERLINK l _Toc327401364 第6章 结论 PAGEREF _Toc327401364

8、h 36 HYPERLINK l _Toc327401365 6.1两足步行机器人机构特点 PAGEREF _Toc327401365 h 36 HYPERLINK l _Toc327401366 6.2设计的主要特点 PAGEREF _Toc327401366 h 36 HYPERLINK l _Toc327401367 6.3 设计结果 PAGEREF _Toc327401367 h 37 HYPERLINK l _Toc327401368 第7章 收获与体会 PAGEREF _Toc327401368 h 37 HYPERLINK l _Toc327401369 第8章 致谢 PAGER

9、EF _Toc327401369 h 38 HYPERLINK l _Toc327401370 参考文献 PAGEREF _Toc327401370 h 38 HYPERLINK l _Toc327401371 附录140 HYPERLINK l _Toc327401372 附录二 PAGEREF _Toc327401372 h 60 HYPERLINK l _Toc327401373 附录三 PAGEREF _Toc327401373 h 63第1章 问题的提出1.1设计背景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。当前机器人的移动方式主要是四种，分别是：轮式、履

10、带式、步行、爬行。世界著名机器人学专家、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”。这是因为，步行有其它移动方式所无法比拟的优越性。其优点主要表现在如下两个方面：首先，两足步行机器人具有较强的越障能力，相比轮式和履带式更能通过不平整、不规则的路面，减少了移动盲区，扩大了运动范围。其次，两足步行机器人的能耗小，与其他足式机器人相比具有体积小、重量轻、动作灵活等特点，同时能够取代人类从而将人类从工作环境对人体有害或者高强度、长时间、高重复性的劳动中解脱出来，因而具有广阔的应用前景和重要的研究意义。双足行走是类人机器人最基本也是最难实现的功能，因此以实现双足步行为目

11、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，而实现机器人的稳步行走更是两足步行机器人研究中的首要任务。同时双足机器人的研究对机器人的机械结构及驱动装置提出了许多特殊要求，将导致传统机械的重大变革，是工程上少有的多自由度系统。那么设计这样一个纯机构的两足步行机器人将在很大程度上满足现代人类发展需求，一方面可实现基础机械式多自由度稳步步行，另一方面降低能耗、减小体积、延长使用寿命， 具有广泛而重要的意义。1.2课题的研究意义与应用前景目前国内外对双足步行机器人的研究已经到了较成熟的领域，应用前景也更加广阔，应用领域主要有：1为残疾人（下肢瘫痪者或截肢者）提供室内和户外行走工具。利用人工假腿

12、、腿椅或步行座椅尽可能使残疾人恢复正常行走功能，减少对他人的依赖。2极限环境下代替人工作业，核电站内的监视和维护作业，遥控救灾、灭火，爆炸物的处置（如探雷、排雷等）等。 3在教育、艺术和大众服务行业等领域都有着潜在而广阔的应用前景。娱乐机器人，可作为人类同伴的机器人是发展的新方向，这将使双足机器人逐渐走向普通居民中。为了更好的了解人类的行走机理，也为了日后为下肢瘫患者提供理想的假肢，以及为方便人类出行的自动两足步行椅提供理论基础，本论文致力于研究双足步行机器人的行走规律、传动机理并用机械结构加简单的控制来模拟人类的行走，并通过研究和模拟步行更好地分析和探讨步行机器人。两足步行机器人的机械本体机

13、构与步态规划是实现机器人稳定行走的基础，因此，以实现具有基本行走功能的两足步行机器人的研究对于研制节能型、智能型类人机器人具有重要的理论价值。 1.3主要设计思想双足步行机器人具有多关节、多驱动器、多自由度的特点，其自由度的设置、各关节的活动范围直接影响机器人外在美观、行走方式、活动范围、建模方式、步态规划以及控制方案等。机构设计：设计出模拟人体步行的机构,步行的复杂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行走过程,必然会有很大的误差,但我们一致追求机构的尽量精确和逼真,研究自己行走时的各个过程,下图是我们得出的人行走时的几个主要过程:图1-1 人体步行主要过程如上图所示,

14、步行主要有七个过程,由左右腿相互交替迈腿,收腿,达到向前走的目的。第2章 设计要求与设计数据 一个两足步行机器人除了满足可向前行走的基本要求，还必须具有一定的稳定性、方便性、安全性。针对这些性能要求，进行了机器人高度、自由度、各关节活动范围、关节驱动方式的选择的讨论和设计分析。2.1高度的设置两足步行机器人的高度选择（包括各部分高度）对于步行稳定十分重要。高度过高，重心也随之过高，稳定性减小；而如果高度过低，人坐在上面脚会拖在地上。为了达到可推广水平，按照中华人民共和国国家标准GB/T539751983进行设计，其中人体基本测量项目达57个，就其类别而言可分为：高度：即在人体的上、下方向测量的

15、高度；长度：直线长度指两测点之间的直线距离，曲线长度指沿人体表面过测点的曲线围长；宽度：测量头部、面部和躯干部时，宽度指在左、右方向上对称的两个测点之间的直线距离；测量上肢时，宽度指绕骨侧的两个测量点之间的距离；测量下肢时，宽度指胫骨侧和腓骨侧的两个测量点之间的直线距离；厚度：指人体前、后方向上，两个测量点之间的直线距离；围经：指通过或经过人体某一部位上的测量点围长。目前，国内在人机工程方面所采取的人体尺寸数据均来自“中国成年人人体尺寸”（GB1000088），是由国家技术监督局发行，反映了我国不同地区的人体尺寸差异。由于数据本身没有提供足够的三维信息，这就决定了在某种意义上，我们根据其建立的

16、三维人体模型只能是一种简化的模型。我们引用并参考与机器人设计密切关系的人体数据。(一) 人体主要尺寸人体主要尺寸包括：身高、体重、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长共六项。表2-1列出了我国成年人的人体主要尺寸。表2-1 我国成年人人体主要尺寸百分比数 年龄分组测量项目男（1860）女（1855）5 50 90 955 50 90 951.1身高/mm1583 1678 1754 17751484 1570 1640 16591.2体重/kg48 59 70 7542 52 63 711.3上臂长/mm289 313 333 338262 284 303 3021.4前臂长/mm216 237 2

17、53 258193 213 229 2341.5大腿长/mm428 465 496 505402 438 467 4761.6小腿长/mm338 369 396 403313 344 370 375 (二) 人体水平尺寸人体水平尺寸包括：胸厚、肩宽、最大肩宽、臀宽和坐姿臀宽。表2-2 我国成年人的人体水平尺寸年龄分组百分位数测量项目男（1860）女（1855）5 50 90 955 50 90 952.1胸厚/mm186 212 237 245 170 199 230 2392.2肩宽/mm344 375 397 403320 351 371 3772.3最大肩宽/mm398 431 460

18、469363 397 428 4382.4臀宽/mm282 306 327 334290 317 340 3462.5坐姿臀宽/mm285 321 347 355310 344 374 382这是以某种人体尺寸极限作为设计参数的设计原则：设计的最大尺寸参考选择人体尺寸的低百分位，设计的最小尺寸参考选择人体尺寸的高百分位；受人体伸及度限制的尺寸应该根据低百分位确定，受人体屈曲限制的尺寸应该根据高百分位确定。由以上参考资料确定其机器人的尺寸：正常的成年人身高大概在170cm到190cm之间，其下肢高度大概100cm到120cm间，踝关节到地面、膝关节到踝关节、髋关节到膝关节的距离分别大约是5cm、

19、4050cm、5060cm。两足步行机器人的高度选择（包括各部分高度）对于步行稳定十分重要。高度过高，重心也随之过高，稳定性减小；而如果高度过低，如果设计的是步行椅，人坐在上面脚会拖在地上。参考上述人体身高数据，以及现有两足步行机器人，确定两足步行机器人的总高度（距地面）为180cm左右，其中大腿和小腿分别为50和40cm，踝关节高度为15cm。2.2自由度的设置 两足步行机器人应尽可能模仿人类双腿可以完成的动作，而这其中的一个重点就是如何设置机器人的自由度。人的下肢是一个复杂的运动系统，依靠下肢二百多对肌肉、三十多块骨骼，能够完成十分复杂的协调动作。人所能实现的动作是包括灵长类动物在内的两足

20、类行走动物中最完美的。在长期进化过程中，人体的关节已经至臻完美，结构简单而又相当灵活。美国Clemson 大学郑元芳博士曾经撰文分析两足步行机器人腿部的自由度配置问题，他认为两足步行机器人能完成步行所需的自由度每条腿最少为4 个，而如果要达到类似人类步行的程度则每条腿需要8 个，即髋关节3 个、膝关节1 个、踝关节3 个、脚部1 个（类似脚趾）。但是，目前绝大多数以有的两足步行机器人都采用的是6 自由度的设计，如哈尔滨工业大学的HIT-III、国防科技大学的“先行者”、本田公司的ASIMO 和HRP 以及前文所述丰田公司的i-foot。绝大多数步行机器人采用12自由度设计。这类机器人髋关节具有

21、3 个自由度，膝关节具有1 个自由度，踝关节具有2 个自由度，可以实现前向运动和侧向运动。而且由于髋关节具有旋转自由度，所以这类机器人可以转弯。这类机器人可以在水平地面和倾斜地面行走，可以实现上下楼梯以及转弯、后退等动作。这类机器人和人类的两腿已经十分类似。如图2-2所示：图2-1 具有12个自由度的两足步行机器人 鉴于纯机构确定12个自由度的两足步行机器人有难度，我们初步决定采用6自由度的步行机器人。另外，加上手臂的甩动动作，赋予肩部一个pitch方向的运动自由度，因此总共是8自由度的步行机器人。2.3各关节活动范围的确定两足步行机器人的目的是模仿人类步行运动，因此两足步行机器人各关节的运动

22、范围应该和人类基本相同。在设计两足步行之前，应先确定人体下肢各关节的活动范围。2.3.1髋关节的运动人体的髋关节是由髋骨的髋臼和股骨的股骨头构成，类似于球关节，共有三个转动轴，三个转动自由度。本设计仅限于平地步行，故初步设定为一个转动自由度，即大腿的抬升和下降。2.3.2膝关节的运动人体的膝关节是由股骨的内外侧髋的关节面和胫骨的内外侧踝的上关节面既髋骨的后关节面构成的。膝关节仅有一个转动轴，具有一个转动自度，即大腿和小腿的连接部分膝盖控制的屈伸动作。2.3.3踝关节的运动人体的踝关节其实是足关节的一个组成部分，近似一个球关节，具有三个转动轴，三个转动自由度。同理，我们仅仅只考虑平地步行的状态，

23、设定踝关节只有一个转动自由度，即适应地面时的转动动作。两足步行机器人各关节活动范围和人体不完全相同。这主要是由于以电机作为驱动的机器人关节的灵活性要比人类的关节差很多，因此两足步行机器人的关节活动范围要比人体略大。参考已有的一些两足步行机器人关节运动范围，确定两足步行机器人各关节的运动范围如表2-3、2-4 所示。表2-3 人体各关节运动范围髋关节Yaw-45到45Roll-45到20Pitch-125到15膝关节Pitch0到130踝关节Pitch-45到20Roll-20到30表2-4 两足步行机器人各关节运动范围关节活动范围髋关节-100到40膝关节0到50踝关节-20到35肩关节0到3

24、02.4关节驱动方式的选择 目前机器人关节的驱动方式主要有气动、液动和伺服电机。驱动部件在两足步行椅机器人中的作用相当于人体的肌肉，如果把连杆以及关节想象成机器人的骨骼，那么驱动器就起到了肌肉的作用。 两足步行机器人各个关节都是转动副，主要是实现相对回转或者摆动。而大多数电机正是实现旋转运动的。故初步确定采用电机提供原动力，靠机械机构传递动力。第3章 机构选型设计3.1两足步行机器人机构设计3.1.1腿部机构设计简图： 方案一: 滑块连动机构此方案的特点是小腿的伸缩转动是由大腿控制的，区别方案一的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又是由大腿的转动角度控制的，如下图：图3-

25、1 机器人大小腿联动控制图3-2 臀部和大腿连接部分图3-3 机器人膝关节机构简图图中F框表示机器人的臀部，G框表示大腿，铰链A固结在F上，用以连接大腿和臀部，铰链C和D固结在G上，滑块B轴心固结在F上，当大腿绕A点逆时针转动时（即大腿往前伸），CBH变大，此时滑块B下滑，又由于BE杆的作用，使得点E逆时针转动，那么杆EDF也绕点D转动，此时F绕点D顺时针转动，由处的球形铰可以控制杆(即小腿)绕点逆时针转动，实现小腿的往前伸。方案二：采用凸轮机构利用凸轮的运动规律，设计凸轮轮廓曲线来较准确的控制机构的运动路线，此方案分别对大腿和小腿的不同运动特点采用不同的凸轮轮廓曲线，使运动更形象逼真，而凸轮

26、又靠电机来带动，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：图3-4 机器人单边腿部的机构简图该图即为机器人单边腿部的机构简图，分别用了2个凸轮机构，4个滑块机构，9个活动构件，11个低副，2个高副和2个虚约束。图3-5 机器人臀部机构上图方框表示机器人臀部部分，凸轮转动中心、横向滑杆和两个机架都固定在臀部上，B处圆是与凸轮相切的圆柱，用来控制横向滑块的前进和后退，A杆是大腿的简图，一端插在B处的一个滑块上，同时与C处的铰链相接，用以固定大腿和臀部的连接，另一端连接小腿部分，如下图：图3-6 机器人膝关节的机构简图上图即为大腿和小腿连接部分，即膝关节部分，横杆G焊接在大腿A杆上，

27、用以固定凸轮和虚线处的横向滑杆，E杆为小腿简图，F处的铰链用以连接小腿和大腿，使小腿能绕大腿旋转，E杆一端与滑块连接用以控制小腿的转动角度，另一端连接脚掌，如下图：图3-7 机器人的脚掌机构简图 3.1.2手臂机构设计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，用以配合腿部的机构进行仿真，因此手臂机构简图如下：图3-8 手臂平面连杆机构简图图中AD杆即为机器人手臂，滑块B的滑槽设置在机器人臀部，滑块B的移动靠臀部处的大凸轮带动，从而使得点E绕点A转动，即手臂绕点A转动，实现了手臂和腿部运动的同时性，并且不会出现同手同脚的情况，使得机器人的步行更加逼真。3

28、.2设计方案的评价与选择 3.2.1 腿部方案的评价与选择 方案一的设计思路就是想让小腿由大腿控制，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的运动，不能达到一些复杂的过程（如图3-9），造成行走很格式僵硬化，不够贴切现实人们的步行特点，对比图如下：图3-9 方案一行走特点方案

29、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2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，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，就达到了机器人的往前行走，如下图：图3-10 方案二行走特点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：表3-1 机器人机构设计方案评价体系评价项目得分

30、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10520机构可调性能F5方便可调一般可调不可调1050对以上方案打分如下：表3-2 机器人机构设计方案评价结果方案F1F2F3F4F5评价总分方案一5225519方案二1010521037从评分标准来看，我们选择了方案二用以控制腿部的运动。3.2.2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，也不是我们的主要研究对

31、象，因此我们仅设计出一种合适的方案，用以配合腿部的机构进行仿真，此方案如前文所示。第4章 机构尺度综合4.1凸轮的尺寸设计4.1.1臀部凸轮设计(一) 臀部凸轮从动件运动规律分析凸轮机构采用的是偏心距为0的对心从动件凸轮机构,主要利用了凸轮的推程、远休止过程和回程三个过程。 推程采用正弦加速度运动规律，即 （）推程角定为90度，那么=90，即 （）由于大腿需要在抬高的同时小腿伸展过程中保持不动，所以大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 （）远休止角定为90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，所以对凸轮的回程采用等减速运动规律，即 ()回程角取为180

32、度。表4-1 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(二) 臀部凸轮轮廓曲线设计图4-1 凸轮轮廓曲线参数方程的建立由上图几何关系可以写出：又由于凸轮是逆时针转的，所以有：由此可得：由于从动件为滚子从动件，分别代入的方程，则可得到滚子中心B（，）运动轨迹曲线为：时： 时：时： 由于从动件为滚子从动件,故基圆半径是从动件运动过程中滚子中心到凸轮转动中心的最小距离。由于机构设计大小所限，故取，其中滚子半径为1.5。经计算，推程h取5.4。则代入以上各式可得：时： 时：时：设凸轮轮廓曲线上点

33、C（，）和滚子中心B（，）在凸轮过点C处的法线上，则有关系： （为滚子半径）利用以上关系可以求得实际轮廓曲线上点C的坐标为：接着往下计算代入上式得：时，时，时，4.1.2膝关节凸轮设计(一) 膝关节凸轮从动件运动规律分析该凸轮机构同样采用的是偏心距为0的对心从动件凸轮机构,主要利用了凸轮的推程、回程和近休止过程三个过程。 推程采用等速运动规律，即 （）推程角定为90度，那么=90，即： （）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，故小腿弯曲后凸轮应立即回程，回程角定为90度，故，所以回程采用等加速运动规律，即： （）当脚着地后，另一只脚开始往前走，所

34、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：表4.2 膝关节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度等速运动规律90到180度等加速运动规律180到360度停顿(二) 膝关节凸轮轮廓曲线设计方法同4.1.1.2中凸轮设计方法，由于从动件为滚子从动件，分别代入的方程，则可得到滚子中心B（，）运动轨迹曲线为：时：时：时：由于从动件为滚子从动件,故基圆半径是从动件运动过程中滚子中心到凸轮转动中心的最小距离。由于机构设计大小所限，故取，其中滚子半径为1.5。经

35、计算，推程h取4。则代入以上各式可得：时： 时：时：设凸轮轮廓曲线上点C（，）和滚子中心B（，）在凸轮过点C处的法线上，则有关系： （为滚子半径）利用以上关系可以求得实际轮廓曲线上点C的坐标为：接着往下计算，代入上式得：时， 时，时：4.2平面连杆机构的尺寸设计4.2.1手臂平面连杆机构运动规律分析 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“手臂”的5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。图4-2 手臂平面连杆机构图 根据第二章设计要求与设计数据，成年男性上臂长约为330mm，不妨设AD=330mm。同时A点为机器人的肩部，建立以如图为平面

36、的XY坐标，那么设A(0,0)。机器人的肩部A点与B点水平距离大约为机器人的上身长，设为600mm。 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，滑动距离为5.4mm。现在确定B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，其中。所对应的AD的转动角度为。为上臂处于第一位置（即自然垂下）时的肩膀转角，为上臂抬高到上限位置时的肩膀转角。具体如下图所示：图4-3 手臂平面连杆机构运动规律 图中,。4.2.2手臂平面连杆机构尺寸设计与计算 从图中容易看出，因为EAD是绕固定点A转动的一个刚体，AD的转动角直接等于AE的转动角。根据所要实现的精确位置可以写出从第一精

37、确位置到第二和第三精确位置的位移矩阵和。 =由于点E是该刚体上的点，由刚体的位移矩阵方程有： 同时，点E又是连架杆BE上的点，连架杆BE的运动形式是绕点B转动，且B点水平往复移动。点E到点B的距离应保持不变，有运动约束方程：代入上式中，可得到2个含有两未知数的设计方程，这样的方程组能够解出唯一解。设计要求实现的连杆精确位置如下表所示，则可进行如下的数值计算：表4-3 设计要求实现的连杆精确位置0-6002.7-6005.4-600因为假设了，则设计方程可以整理关于变量的如下的线性方程组： 代入表4-1中和的值化简线性方程组，可以得到：解之得：，杆长 第5章 机构运动及动力分析5.1动态静力分析

38、以大腿机构为例，进行机构的动态静力分析：大腿受力分析：（如图5-1所示）图5-1 大腿BAGF杆受力分析（2）小腿受力分析：（如图5-2所示）图5-1 小腿EFH杆受力分析5.2运动仿真分析集成 课程设计要求所有的零部件的造型都在solidworks中完成，并在其中进行相应的机构设置及仿真设置，然后对设置好的机构进行运动学及动力学求解，并分析求解结果。图5-1 导入模型，加载力矩，进行仿真设置如图，进行相应的机构设置及仿真设置，下面以手臂肩部的转动为例，对机器人的肩部加载Z方向的力矩。下图描述了在机构运动过程中构件力矩动态变化的情况。图5-2 Z方向力矩幅值对机器人的四个电机进行设置并仿真运动

39、。取脚尖一点代表脚部运动。5.2.1脚尖分析脚尖位移分析 图5-1脚尖X方向位移分量可以从图中看出脚尖位移大致符合匀速运动，即位移随时间的推移而呈直线上升，即等速运动，符合设计要求，人正常行走时即为匀速运动，此结果说明这种方案的设计是可行的。图5-2脚尖Y方向位移分量脚尖速度分析 图5-3脚尖XY方向速度分量图5-4脚尖X方向速度分量由于脚部有前伸和后缩两个主要动作，所以速度线图有正负两种速度，收腿时出现了一个小峰值，可能是由于大腿和小腿共同运动时间差导致的。图5-5 脚尖Y方向速度分量Y方向也出现了正负速度，是由于脚部的抬高和放低两个过程。脚尖加速度分析 图5-6脚尖X方向加速度分量加速度大

40、致围绕在一个恒定值，随着时间的推移，出现了波动，是由于振动的不断加强导致。图5-7 脚尖Y方向加速度分量5.2.1手臂分析 手臂位移分析图5-8手臂X方向位移分量图5-9手臂Y方向位移分量由以上两图可以看出手臂的摆动基本符合匀速运动，与脚部的伸缩相互配合，达到人行走的状态，手脚相互交替摆动。手臂速度分析 图5-10手臂XY方向速度分量图5-11手臂X方向速度分量图5-12手臂Y方向速度分量手臂加速度分析 图5-13手臂X方向加速度分量图5-14手臂Y方向加速度分量第6章 结论6.1两足步行机器人机构特点本次设计中我们利用了凸轮的运动规律，设计了凸轮轮廓曲线来较准确地控制机构的运动路线，大致达到

41、了人体步行动作的连贯性和稳定性标准。并且分别对大腿和小腿的不同运动特点采用不同的凸轮轮廓曲线，使运动更形象逼真，而凸轮又靠电机来带动，以这种方法来实现机器人的行走。6.2设计的主要特点此次设计对两足步行机器人的设计及空间运动步态规划开展研究，具有一定的启发性和应用价值。机构设计的主要特点如下。一、纯机械机构、步行稳定、动作流畅在总结多种两足步行机器人腿部构型的优缺点基础上，提出一种能够利用纯机械构件实现行走的机构，该机构巧妙地将凸轮传动引入到平面连杆机构中，有效地克服一般机器人存在的行走不稳定、动作僵硬等缺点，还具有结构简单紧凑、驱动力矩大、运动平稳等优点。应用这种腿部机构模块设计了可以带动手

42、臂甩动的8自由度空间两足步行机器人，使该机器人具有良好的整体性能。二、小功率电机驱动、节能降耗、安全环保该两足步行机器人采用电机驱动控制，在模拟控制的约40mm/s的平均行走速度下，假设机器人重量为50kg，经过估算可知每一个电机的功率不到30w，充分证明机器人的确完成了节能降耗、安全环保的改进。三、兼并机构的高效合理与外观的协调美观基于仿生学和人体工程学，注重了结合机器人机构的高效合理和外观的协调美观，在设计中详细考虑到将一些传动轴隐藏到机器人的胸膛和臀部中，使组建完成的机器人不仅传动精度高、动作流畅，而且具有结构优良、外形自然、步行行为类人等特点。凸轮方案与滑块方案对比，其最主要的缺点是大

43、小腿有各自的凸轮和电机带动，使得自由度增多，不便于初始调节。关于方案的优劣对比，前文已经详细谈到，这里不再赘述。另外，机器人的研制堪称一个国家科技发展水平的衡量标准之一，我们的设计固然存在着许多的缺点。首先是机器人的重心移动问题，在我们的论文讨论中基本忽略了，然而这却是一个十分重要和基本的问题。然后关于机器人的传感控制部分，这在电气和计算机专业的硕士论文中非常常见，更是构型分析和性能要求的重点，但遗憾的是本论文并未涉足。其三，由于知识水平的欠缺，我们没有对机器人的步态规划和运动理论分析及优化方面进行研究。6.3 设计结果 从三维仿真效果看，设计的两足步行机器人行走稳定自然、动作连贯流畅，大小腿

44、的抬动和放低动作达到了准确位置的要求，手臂的甩动符合常人行走的特征，角度亦完全正确，基本实现了设计目标和要求。从运动学仿真的结果看，位移曲线相当光滑并且随时间的推移而呈直线上升，即等速运动，符合设计要求，人正常行走时即为匀速运动，此结果说明这种方案的设计是可行的；速度曲线由于脚步的位置变化而有正负之分，收腿时出现了一个小峰值，可能是由于大腿和小腿共同运动时间差导致的。Y方向也出现了正负速度，是由于脚部的抬高和放低两个过程，总体较为稳定；加速度曲线大致恒定，随时间推移出现了小的波动，是由振动的不断加强导致的。第7章 收获与体会首先,对机械原理这门课程有了更深入的了解。平时只停留在一个初等的感性认

45、识水平,没有真正的理解透所学的具体原理该如何应用的问题,但在自己做设计过程中老在问为什么,如何解决,通过这样的想法，使自己对自己所学的理论有了深入的理解.在设计过程中,如何才能把所学的理论运用到实际中,这才是我们学以所获,学以致用的真正宗旨,这也是当我们从这个专业毕业后所必需具有的能力,这也更是从学到时间的过程,才能为自己在以后的工作中游刃有余,才能为机械工业的发展尽绵薄之力.其次对所学的专业课产生了很大的兴趣，对专业软件的运用更加熟练。在做设计的过程中,发现机械的很多东西渗透在我们生活的方方面面,小到钟表,大到航天器。这也给自己很大的学习范围和任务，更给了自己很大的发展空间和兴趣的培养。在设

46、计机构和动画模拟以及运动模拟分析的过程中，不断地操作如AutoCAD、SOLIDWORKS、ADAMS这些机械设计专业软件，不仅巩固了机构简图、运动原理的知识，而且让我们在短短的时间里快速地学会了新的制图软件，触摸了高端的机械设计工具，为毕业以后的机械行业继续深造提供了必要的软件基础。最后对团队的合作有了更深的体会。每个人不可能方方面面都会，这就需要团队组员各自发挥自己的优点，说出各自的想法，取长补短，这样才能从别人身上学到自己所缺的能力和品质，在现代的企业合作中，团队合作精神是很重要的，各个产品的开发都需要很多人倾注心血，这样才能使企业有长远的发展。设计过程中我主要负责文献资料的查找与整理，

47、方案评价和选择，传动设计与计算，设计说明书的编写，PPT制作。黄凯主要负责方案设计，三维建模，运动仿真，凸轮设计与校核，动力学仿真结果的分析。机构尺寸共同设计完成。这门课程的结束是我们这学期学习的终点，但却是我们再学习、再创造的开端，学海无涯，天外有天，我们将继续加强对机械综合设计这门学科的学习和研究，以更饱满的热情投入到今后的学习生活中，做不断探索，勇于创新的西南交大机械学子。第8章 致谢本次课程设计原本是设计一个两足步行椅，然后得到了何朝明老师的建议和悉心指导，最后完成了这个行走机器人，在此对他表示衷心地感谢。参考文献Yusuke S et al. Design of a battery-

48、powered multi-purpose bipedal locomotor with parallel mechanismA. proceedings of the 2002 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems C. Lausanne, Switzerland: 2002. 2658-2663.郭清.教学双足行走机器人的研究D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.陈礼顺.空间超冗余度机器人机构设计及运动规划研究D.成都:西南交通大学，2009.8宋继祥等.两足步行机器人的静态平衡分析J.煤矿机

49、械,2007,(28):72-74李红兵.两足步行机器人机构设计及步态规划研究D.南京:东南大学,2009. 5梁静强.双足步行机器人机构设计及运动学仿真D.南昌航空大学,2007.6Shuuji Kajita and Kazuo TANI. Experiment Study of Based Dynamic Walking in the Linear Pendulum ModeJ. Proceeding of the 1995 IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2885-2889.GONG Tao, CAI Z

50、-i x ing.Parallel evolutionary computing and 3-tier load balance of remote mining robotJ. Trans. Nonferrous Met. Soc. China,2003,(13):948-952Q Huang ,S Kajita et al. A High Stability, Smooth walking Patern for a BipedRobot. Proceeding of ICRA99,65-71.LIU Changhuan etc.Biped Robot with Triangle Confi

51、gurationJ. CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING,2012,(25):20-28附录1建模过程：（一）大腿的建模 （二）小腿建模（三）脚掌建模（四）大手臂的建模（五）臀部的建模（六）上身建模（七）曲柄及各部件建模（八） 凸轮通过SOLIDWORKS使用参数自动生成。生成的大小凸轮如下。 （九）装配与组建工作。（十）给凸轮装以驱动马达（十一）模拟环境下进行动力学仿真附录二附录三 一、两足步行机器人的研究现状 机器人是现代科学技术发展的必然产物，人类发明机器人的目的就是设法用机器人代替人类从事某种工作或服务人类。双足机器人的研制开始于上世纪7

52、0年代末，由于国内外许多学者都从事于这一领域的研究工作，使得双足机器人的研究工作进展迅速，如今已经成为机器人技术领域的主要研究方向之一。从发展到现在，所经历的时间虽然不长，可是在各国研究人员的致力研究下，已取得了不少成果，也装配出了不少样机。双足行走机器人可以按照自由度、机构类型、控制方式等的不同来进行分类。双足行走机器人按照步行机构自由度数目的多少可分为多自由度步行机器人和少自由度步行机器人。少于7个自由度的为少自由度步行机器人，其它为多自由度步行机器人。多自由度步行机器人由于机构自由构件多，因而动作空间大、灵活性好、适应环境能力强、变速较为方便。但由于动力源较多，因而体积大、重量较重、控制

53、比较复杂、控制精度要求高、成本高、结构复杂、研制难度大。而少自由度步行机器人却具有与之恰好相反的优缺点。但少自由度步行机器人也可以应工作环境要求在其上增加自由度，对系统作相应改变，这是一个从简单到复杂，从低级到高级的过程，从而达到满足实用的要求。另外在一定的工作环境中，少自由度步行机器人同样能完成一定的预期工作，而且能发挥它体积小、重量轻、价格低的优势、对于使用要求在一定的空间范围内的用户具有很大的吸引力。所以无论从长远的发展的观点还是从目前的现实可行性出发，开发少自由度步行机器人仍是当前的发展方向。目前认为比较成熟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关节等三种。纯机构

54、形式的典型应用有东京大学舟桥彦明教授采用的平面连杆机构，其特点是自由度较少，具有少自由度步行机器人特点；仿生机构形式类似于人足的纯关节形式，其代表有早稻田大学加藤-fig先生研究的纯关节双足机器人(WL5型)，其特点是仿照人脚形式，通过各关节的联合动作实现步行移动；控制学形式如东京大学的熊则付男先生研究的多自由度双足机器人，完全使用控制理论来实现。按照应用环境的不同，机器人可以分为工业机器人和特种机器人两大类。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机

55、器人、农业机器人等。服务机器人中专门有一类为残疾人服务的机器人，被称为助残机器人。目前有一种双足步行椅机器人正是这种助残机器人的一种，是在拟人机器人基础上，专为下肢残疾、行动不便的残疾人所设计的新型助残机器人。二、国外研究现状说起国外机器人的研究现状，不得不先提到日本。日本是世界上最早研究双足步行机器人的国家之一。其研究主要集中在大学和大型公司的研究所。世界上第一台仿人步行机器人就诞生于日本早稻田大学的加藤一郎实验室4。早在1967 年，早稻田大学就研制出的 WL-1结构上模仿了人体的下肢，通过双腿模拟实验研究出行走的基本参数。接着1969 年的 WL-3通过电动液压伺服系统驱动下肢关节的运动

56、可以基本实现人的走和坐的动作。1971 年又研制出的WL-5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变。1973 年早稻田大学研制的 Wabot-1是第一个完全按照人的比例研制的，实现了平地的静态行走，直到现在，早稻田大学的机器人研究所一致在不断改进其Wabot 系列双足步行机器人。之后加藤实验室的 WL-9DR仍然采用液压驱动，通过16 位机的控制第一次真正实现了准动态的拟人行走。1983 年加藤实验室研制出的 WL-10R是在以前研制的基础上采用了碳纤维高强度塑料盒盘式旋转伺服电动机驱动，可以实现向前向后和平面的转弯，实现了每步周期 1.5 秒，步长 40cm

57、的平稳动态步行。WL-10RD是在前者的基础上增加了程序控制从而实现平坦路面 1.3 秒/步，梯路面 2.5 秒/步的行走速度。1986 年 WL12以及其改进型WL-12RDIII，在腰部增加了两个自由度，通过控制用躯干的运动来平衡下肢的运动,可以实现在位置路面情况下的行走。基本实现机器人下肢的拟人行走的自主控制。东京大学的一名名叫井上博允的教授的研究小组开发研究的名为“JSK-H7”（图11）， 使用了 32个模拟自由度，高145 厘米，体重55 公斤，内置2 台高性能小型计算机，眼睛是2 台CCD 照相机。为了能够在一定程度上模拟人类的行为方式，特别之处在于模拟人的足尖行走，动作与人相当

58、近似；它能够辨认前方情况，以时速1 公里的速度步行。 图 1-1 JSK-H7 图 1-2 saika-3东北大学内山研究室的saika-3 机器人（图1-2），具有30 个自由度，大小和人相似，但重量却很轻，并且具有高度的柔软性，不会伤害到操作者。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97 年底已经推出了P 系列1, 2, 3 型仿人双足步行机器人xiixiii。P2型机器人（图1-3）于1996 年12 月推出，使用Ni-Zi 电源供电，而且采用了无线遥控技术，使其能够完成诸如速度达到3km/h 的动态行走、上下楼梯及推运物体等等。P2的问世将双足步行机器人的研究工

59、作推向了高潮，使本田公司在此领域处于世界绝对的领先的地位，被称之为当今机器人领域的最大发明。1997年12 月本田公司又推出了P3型仿人步行机器人（图1-4），基本上与P2型相似，只是在重量和高度上有所降低（由原来的210kg 降为130kg,高度由1800mm 降为1600mm),且使用了新型的镁材料。他们通过对人行走的研究出发，在P2和P3都使用了大量的传感器如陀螺仪、重力传感器、六维力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。 图1-3 P2型机器人 图1-4 P3型机器人 图1-5 本田ASIMO机器人2000 年11 月本田公司推出新型双足步行机器人“ASIMO（Ad

60、vanced Step in Innovative Mobility）”（图1-5），并演示了ASIMO 的步行情形。在双脚步行方面， 采用了新开发的技“I-WALK(Intelligent Realtime Flexible Walking)”，可以更加自由地步行。I-WALK 是在过去的双脚步行技术的基础上组合了新的“预测运动控制”功能。它可以实时预测以后的动作，并且据以事先移动重心改变步行的形式。过去由于不能进行预测运动控制，因此当从直行改为转弯时，必须先停止直线动作后才可以转弯。而ASIMO 通过事先预测“下面转弯以后重心向外侧倾斜多少”等重心变化，可以使得从直行改为转弯时的步行动作变