【《基于树莓派的双足仿生协调机器人设计仿真研究》14000字】

基于树莓派的双足仿生协调机器人设计仿真研究摘要：在科技蓬勃发展的今天，针对机器人的控制算法以及应用程序也逐渐多样化,因此机器人也被大量应用于工业生产和日常生活中。本次毕业设计的主题是双足步行机器人的仿生与协作。双足机器人的结构设计仿照的是人类形态结构，受限于机械结构的局限性，拟定单条腿为6个自由度。最终目标是需要双足机器人能够平稳行走，所以对双足平衡的控制是至关重要的，因此每一个动作都需要多个关节的协同配合。双足仿生协调机器人的控制模块选择树莓派4b型，控制程序则使用基于linux系统的Python语言编写，在经过试运行以及后期优化之后使控制程序能够对双足机器人进行精准的操控。本次毕业设计基于现有机器人模型，通过编程控制以及对机械结构的动力学推导计算，使双足协作带动机器人整体运动，再通过相关的算法控制机器人动作流畅且双足间不相互干涉。关键词：双足机器人；树莓派；肢体协作目录TOC\o"1-3"\h\z\t"毕设大标题,3,毕设二级标题,3,毕设三级标题,3"1绪论 绪论机器人在近现代的工业中应用很广泛，编写输入特定的控制程序后其就能够自由行动，可以取代较为危险或者繁杂的人力活动，也能够协同帮助工人的作业，这能极大程度地减轻人力疲劳，提高生产的效率。这篇文章先回顾机器人在国内外的发展史异同，然后分析人类生理结构，在有了一定理论基础后，尝试设计[1]机器人的各项数据。用顺手的软件仿真计算可实用性，再进行一些优化。1.1研究目的及意义人们对机器人的性能设计上一直在进步，甚至从实用领域开始转向美观追求，利用各种方式在保持实用性的同时给予机器人良好的智能以达到自主性控制[2]。人型机器人指向范围太广，只要外观近似人类就可以这么命名。而有一定自主思维能力但外观不同的机器人被称为人型电脑[3]。有人还将女性外形的生物机器人称为机娘。2001年麻省理工宣称做出了情感像人的机器人。仿生机器人一直走在机械研究的最前端，统筹兼顾了许多的科技技术，能够在一定程度上显示出国家技术状态。仿人机器人必然是双足，所以能和达到近似人类的灵活性[4]。纵观大自然，双足行走几乎是人类独有的行动方式。因此双足机器人的设计可以大量参照人体结构，总结一下其主要的特点有：(1)双足机器人需要较强的适应地形能力，因前行过程中与地面接触面积较小减少了能耗，可以移动的范围较大，且能翻越前进道路上的障碍物，甚至上下楼梯、在凹凸不平的地域如履平地[5]。(2)随着科技发展，未来能发明出更轻便同时也坚固的新材料，也能够研制出更加环保还可以大量供能的新型能源。机器人可以简化为机械构件和能源两部分，因为材料有一定的重量，所以复杂结构会导致耗能增加，简易的设计性能会单一。因此随科技的发展，机器人也能被优化，低成本也代表着更广泛的应用前景[6]。(3)我们对机械的用途有着自己的看法，即为不同的需求。比如能做饭的机器人、能长时间工作的基建机器人或者能定期保洁的自动机器人。总的来说机器人在各行业领域都拥有着广阔的应用前景，也会因此衍生出各式各样的型号[7]。在工程应用上仿人双足机构是极为少数的非线性、高级的、有大量自由度的系统，这些将会导致对机器人结构和驱动会有新的挑战[8]。仿人双足机构是进行相应的理论性控制研究的合理平台，经常会在研究机构的过程中不断地创新。用通俗一点的话来讲，仿生机器人就是模拟仿照自然界生物的外形或某些动作习惯的机械。追根溯源地分析,仿生机器人能通过各种配件结合仿生材质运动[9]、计算和处理信息、协调和感知外界环境，且因此可以适应各式各样的环境[10]。类人机器人能够很好地适应环境，较小的耗能意味着强大的续航能力，也能够较为容易地和工人协作，但也因此受到本身的结构技术等方面的局限性，类人机器人的研究之路还是很长的。类人机器人研究涉及到的学术有许多，比如材料选择、计算机模拟、通讯控制等等[11]。图SEQ图\*ARABIC1-1双足机器人关节图1-2机器人关节的结构双足机器人的动力系统是由纯机械控制的，其中涉及到许多方面的动力学特征。在不久的将来，人型的机器人一定可以帮助人们进行抢险、驮物等繁重而又危险的工作。图示的机器人是使用舵机代替关节部位来驱动双足活动的。行走这个动作需要许多关节配合才行，因此只有大量的舵机才能使机器人能够独立行走以及做出其他的行为。对于双足机器人的设计过程中，一般采用的是六个或者八个舵机安装在腿部关节处，可以根据需求选择，如图所示为八舵机双足机器人的简图。1.2国内外研究现状1.2.1国内研究现状我们国家在仿真机器人这个行业是属于起步较晚的一批，都到了1980年左右才开始进行一定的研究，在当时主要的研究主力是哈尔滨工业大学，因为国外就工业机器人的研究有了一些显著的成果，让我们看到了机器人在工业发展中所拥有的良好地前景。同一时期较为出名的研究单位还有国防科技大学。哈尔滨大学的前期研究大约是1980年到2000年左右，1995年哈尔滨大学设计出了HIT型号的机器人，每条腿都有6个自由度，脚腕关节使用的是电机驱动。在这之后发展了约9年的时间，到了2004年6月，双脚直立的足球机器人被研发了出来[12]。足球机器人不被称为是中国第一台机器人的原因是在稍早几年，约莫2000年左右，我国真正意义上的第一台机器人诞生了，为了纪念我国的机器人发展，这台机器人被赋予了“先行者”的称号。表1-1双足机器人“先行者”设计参数身高1.6mm体重20kg关节数17关节类型谐波减速电机补充四肢、躯体完整，有发音功能北京理工大学的科研前期大约是2000年到2005年。2002年12月，在这里做出了我国真正意义上的原创机器人，它被取名为“汇童”。表1-2国创机器人“汇童”设计参数身高1.58m体重76kg总自由度32步速1km/h步幅0.33m1.2.2国外研究现状从对机器人的设想与探求至今差不多有三千多年了，人们期望着像人一样的机器人并为之努力奋斗着。美国的尤尼梅特是世界上第一台满足概念的工业机器人，象征着人类对机器人追求过程中迈出的第一步，它诞生于1959年，往后不同用途的机器人亦如雨后春笋般相继问世[13]。图1-4工业机器人尤尼梅特旧时期的机器人四肢迟缓、躯体笨重。用重型电机驱动安装在关节处才能动起来，以及电子发音，直到仿生机器人被研制出来，而这改变了我们对机器人固有的印象[14]。深度学习算法的出现让机器人能够越来越接近人类。现在我们来看两个例子:1.东京大学的机器人制造工厂开发的人形机器人，其内在骨骼结构和人类特别地接近，而且曾尝试模仿人类的步伐，它的名字是Kojiro。2.美国的工程与机器人设计公司波士顿动力公司是一款能够垂直爬行的机器人。它每条腿都有两个电动驱动马达，机械足末端附有微型爪，这让它能够牢牢实实地固定在墙体之类不是过分光滑的垂直平面上。表1-3波士顿动力机械“Rise”尺寸参数速度0.3m/s体重2kg身高25cm和旧时代的机器人作对比，仿生机器人拥有者更高的活动自由度，比如东京大学的Kojiro有高达60个之多的自由度。这样设计的仿生机器人可以做出更复杂的动作，甚至能融入人类社会，取缔人们的一些工作和协助人们更好的生活[15]。1.3本课题研究的主要内容仿人双足机器人机构设计的基础是人体结构，借鉴人类行动机构然后再进行优化。初步确定腿部结构是大腿、小腿加上脚板，关节自由度要和人类相似。目标是在满足稳定性条件的同时做到像人一样活动，身体要轻,主要如下：1、以翻阅资料等形式分析以前有制作出的双足机器人的尺寸参数和设计方式，取长补短应用在本次设计过程中。2、对人类关节进行剖析，理解其各部位主要功能，分析自由度以及相应的尺寸比例。使用机械元件进行相似功能替代。3、统合所有知识设计出机械结构，用电脑软件进行虚拟制作，并校核强度。4、主要使用UG进行零件建模、仿真再进行运动模拟。1.3.1双足机器人机构设计概述根据上面的国内外仿人双足机器人的研究现状中我们可以总结出其机构形式主要有以下几种：1、多关节串联为多数仿人双足机器人采用如HIT-Ⅲ、“先行者”和“汇童”，这类机器人的主要特点是：（1）采用的串联机构，因为串联机构控制技术比较成熟，易于上手，这也是国内大多机器人采用串联机构的原因。（2）串联机构不是平面的，而是空间立体范畴的串联，如图1-5（左）所示，缺点是体积较大。2、完全并联早稻田大学研制的双足机器人WL-15就是如此设计的，能分散各个部件承受的载荷，间接提升了腿部整体刚度与负载能力，适用于逆分解运算。如图1-5（右）所示，缺点是非拟人状态且步幅较小，因为没有设计膝盖关节[16]。3、串联与并联结合相互间取其精华，弃其糟粕，综合两种机构各自的优点，这次的设计方案就是准备采用串联和并联结合。图1-5腿部结构示意图双足机器人的驱动方式可以分为三部分：电气、液压和气压驱动。电气驱动用的是电机，直接地驱动关节或者中间附加上减速机构再去驱动，这个过程中几乎不涉及到能量转换，能够大幅度地提高效率，优点是控制方便、精度较高、基础花费较少以及不会污染环境，其应用最广的代表有：WABIAN系列和H7系列[17]。液压驱动的功率更大、工作精度更高，比如说WL系列；气压驱动用的是空气燃料、获得难度最低、仅仅只会少量污染空气，像是WAP系列就是如此。1.4本章小结作为机器人的研究领域中的热点项目，双足机器人融合了电子计算机、仿生机械学、多传感自动控制以及人工智能等多门学问。这次的研究课题是打算设计出一台结构较为简单的小型机器人，不适用于商业用途，主旨是研究结构、模拟运动、分析动作原理，其中所涉及到的参数需进行验算修正后才可应用于等比例放大的机型。

2双足仿生机器人机构设计在双足仿生机器人的研究过程中我认为其最为基础也是作为核心的部分是机构设计，这也是任何自主研发的机械中最基本的组成部分。想要让仿生机器人达成模拟人类的效果，关节自由度需要无限近似于人体关节自由度数量以及自由度分配方式。然后就是差不多的外形、各个部件合理的质量比。这一章会主要分析研究人的双腿结构，然后尝试设计放人双足机器人的腿部。2.1双足机器人设计的特点分析有机体的运动系统通常都是有骨骼、连结体和肌肉共同组成的，一切的肢体行动包括支撑躯体保持稳定都是基于神经系统的控制下生效的。从图2-1的人体骨骼构造可以看出，我们体内总共有二百零六块骨骼，两个骨骼间有软骨和筋腱，按照一定的顺序将这些骨骼拼接在一起，这才组成了我们的支撑骨架。骨架作为一套精细而又系统化的系统，是不容易进行创新改变的，也因此骨架在对我们的躯体起到支撑作用的同时还附着有伴生的多种体系像是供血系统等。图2-1人体骨骼构造图骨骼和骨骼之间的连结被叫做骨连接，然后又可以细分成“直接连结”和“间接连结”，而关节因为其内部有隙间腔室所以被划分到了间接连结的骨连接范畴。学者们又将关节分为“活动关节”和“不动关节”。在这篇文章中所涉及到的关节设计分析只会是针对于活动关节。骨骼肌连结在骨骼上，在接收到神经发出的信号后会进行收缩或者扩张，然后牵动关移动，实现整体的运动。如图2-2所表现的那样，主要运动形式可以分为屈伸、收展和旋转三组动作。1，2-屈伸运动；3，4-内收外展运动；5，6-内旋外旋运动图2-2下肢关节运动肌肉由肌肉细胞构成。肌束的收缩动作就是结缔组织和大量肌细胞共同完成的，躯体的动作以及内脏的活动都离不开它。肌肉组织普遍地来讲共有三种。这章只用到骨骼肌相关知识，其大多集中在关节处，用以辅助动作，每个关节都有两组想对分布的骨骼肌，一直保持着一组收缩一组伸展的状态，这样才能使肢体的动作平稳且有力。如图2-3所示，可以简称为屈肌和伸肌。图2-3肘关节屈肌和伸肌示意图2.2双足行走机器人的结构分析双腿最重要的关节是髋、膝和踝关节，主要的骨头有骨盆、脚骨、小腿和大腿骨。1、髋关节髋关节是股骨头和髋臼构成的。其中的半月板被软骨裹着。髋关节的周围由韧带加强，位于髋关节前面，可以防止关节以一个方向过度拉伸，对保证身体的直立十分重要。髋关节的自由度较多，可以多方向运动，如图2-4所示。图2-4髋关节构造及运动2、膝关节如图2-5所示膝关节分为五部分，其中有三种骨质，两种软体组织，有着固定的结合顺序。分类上属于滑车关节，有大量的韧带，整体十分坚韧。常见的运动方式是屈伸运动，而且因为屈膝时的侧边韧带会松弛，所以可以进行一定程度的旋转。图2-5膝关节构造及运动3、踝关节踝关节的特点是前宽后窄，前后关节囊松弛，但是其中副韧带是比较强韧的，因此踝关节才可以作屈伸运动，甚至于进行小范围翻转。如图2-6。图2-6踝关节结构运动2.3双足机器人的设计方案在对人类双腿中的肌肉作用和关节结构剖析之后，我们可以总结出相应的结论，就是肌肉样式繁多，种类复杂，关节结构过于精细，如果想要完全照搬人体的结构来设计机器人的支撑结构的话，是十分困难的，不仅仅是细小零件因为没有标准件需要专门定制的昂贵造价以及所选材料的强度负荷，而且本次设计的目的并非是商业化用途，仅仅用于实践分析双足结构的动作机理，所以我将准备制作的机器人进行了一定程度上的简化，关节活动使用舵机代替，神经信号的传递替换为树莓派编程的电讯号控制。参考国内外机器人成品的尺寸比例，然后在外观以及驱动等部分进行有一定的创新。最终于较为平坦的环境拼装机器人并进行测试。2.3.1机器人腿部自由度分配结合上一章对人类的躯体结构进行的分析可知，髋关节用于旋转、收展、屈伸动作，总体分配给髋关节的自由度只有3个。膝关节可以旋转、屈伸动作，不过只有在屈膝时可以小幅度的旋转，因此忽略不计，分配给膝关节1个自由度，剩下的两个自由度分给踝关节。参考我国和国外的机器人成品可知，腿部至少需要6个自由度才能满足基本活动。结合这些结论，人体腿部的自由度分配已经清晰明了。再回顾第一章的机器人主流设计确定这次设计机构也使用串并结合的方式。细分到单个的结构上后，确立了如图2-7所示的机器人腿部自由度配给。图2-7自由度配置2.3.2机器人总体尺寸设计研究仿真双足机器人之前要先剖析人类自身的构造，人类经过自然进化后结构已经接近完美。因此先要研究透彻人体的相关数据，才能设计出不仅仅是外观像人的机器人。为了便于设计，可以参考人类的身体比例。表2-1人体结构尺寸测量项男（18-60岁）女（18-60岁）5％50％45％5％50％45％大腿长度0.420.440.48小腿长度0.330.370.40.310.340.38足宽0.080.090.1结合上文给出的自由度分配，得到如图2-9所示的关节示意图。图2-9二自由度关节在结构简图中，把导杆和上表面连接作为（P），连杆跟导杆以及下表面连接作为（S），两个平台的连接写作（T），能够绕着除了Y轴以外的其他轴旋转，代入公式计算自由度:M=d（2-1）2.5双足机器人姿态分析人体站立受扰后恢复平衡的实验表明，站立姿态平衡的恢复是多关节协调运动过程，在平衡恢复过程中,髋关节对平衡恢复的贡献最大，膝关节最小，因此本文将大腿和小腿视作一体，并将机器人各组成部分看作由具有质量的刚性杆连接而成，分别将脚掌、大腿和小腿、躯干各视为一杆。这样，就可以将前向平面内具有欠驱动自由度的双足机器人系统看作三关节体操机器人系统，仿人机器人的踝、髋关节分别对应体操机器人的肩、髋关节，并将姿态稳定控制问题转化为垂直向上不稳定平衡点的控制问题，模型如图2-10所示。图2-10双足机器人欠驱动姿态模型表2-3双足机器人模型参数参数长度[m]质量[kg]质心距[m]转动惯量[kg·m2]摩擦力矩系数[N.ms]脚0330.03056腿0.6303056躯干0.63030562.6双足机器人数学模型分析把双足机器人看作是关节连接成的刚体，这样易于建立数学模型。这个过程中主要采用两种理论：欧拉方程和拉格朗日方程[18]。本文采用拉格朗日力学的方法建立三关节双足机器人的动力学模型，也就是基于机器人运动时的能量来进行的。这种方法仅需计算机器人的动能和势能，因而与牛顿的欧拉方程的方法相比更加简洁，而且能够充分反映机器人动力学结构特征[17]。三关节双足机器人的拉格朗日方程为d(2-2)其中，X=θT=（2-2）式（2.2）为系统在广义坐标下的动能；V=（2-3）式（2.3）为系统的势函数；D=（2-4）式（2.4）为关节摩擦所消耗的能量；将以上动能、势能和能量损失代入拉格朗日方程（式2.1），得到系统的非线性动态方程如下[18]：A（2-5）其中，AX（2-6）B（2-7）CX=（2-8）AiA13=mB11=-CB22=-CC1=m显然三关节双足机器人系统是典型的多输入(u1，u2)多输出(2.7本章小结本章首先根据人类在走路时的本质特性来分析双足机器人欠驱动的姿态，而立足于双足机器人在欠驱动条件下的稳定控制进行研究。其次由于模型简化的提出，利用连杆来分析搭建双足机器人的物理模型。然后从能量角度出发，以拉格朗日方程为基准建立数学描述方程，并对实验平台下的Matlab仿真模型进行简单的介绍。对双足机器人的设计拟参照人体双足结构，通过分析借鉴人体关节自由度发展，拟定机器人单条腿拥有3个关节部位，足部拥有横向自由度，腿部拥有纵向自由度，上半部分自由度方向与足部保持一致[19]。3双足仿生机器人控制算法选择及设计双足行走的机器人有许多相关算法，我觉得最重要的是平衡，不考虑上半部分的情况下，平衡算法能保证双足机构的平稳前行。3.1双足机构稳定性分析人形仿生机器人最常用的行走机构就是双足步行机构，每条腿主要由髋关节、膝关节以及连接脚掌的踝关节等三个主要关节组成。通过两条腿支撑相与摆腿相的协调实现稳定平衡的拟人行走，对外部干扰敏感，静态稳定性较差。由于腿的数量较少，两足步行机构占地空间较小，可用于空间狭窄的环境。首先，双足机器人走路的过程，最直观地看是两个过程迈左腿，迈右腿，由此形成迈左腿，迈右腿，再迈左腿，再迈右腿的周期加入对重心的考察，则是：重心右移，迈左腿，重心左移，迈右腿，由此形成重心右移，迈左腿，重心左移，迈右腿，重心再右移，再迈左腿，重心再左移，再迈右腿的周期．再加入对转向的考察.转向可以分为两个部分：正在迈的腿转向和另一条不迈的腿转向首先解决迈腿的问题：迈腿的过程有两个：抬脚落腿、伸缩腿迈腿的过程，最需要关心的是足端的位置.建立坐标系进行研究：以双足机器人的髋部的几何中心作为原点，重力的反方向作为z轴，前进方向作为y轴，则：抬脚落腿的过程关心的是足端z的变化伸缩腿的过程关心的是足端y轴的变化。舵机和结构件可以抽象为杆和转轴，杆的两端是两个电机的转轴，把结构简化成转轴和杆是不会引入原理误差的，只要结构是刚性的，就可以完全代表结构所对应的机械关系．当不考虑转向和重心的调整时，影响电机末端的电机有两个：分别是髋关节的电机和膝关节的电机，他们的转角是θ1和θ2，当足端坐标用（yF，zF）表示时（只考虑侧视图），则找到θ1、θ2和缺点是高速和转弯性能有些差。如果还希望足端是水平地踩在地面的话，还可以计算出θ3，是这样对应的：θ1不是最上面的那个而是第二个，上面的两个合在一起可以看做是有两个自由度的髋关节，θ2可以看成是膝关节，θ3和上面的一个可以当做有两个自由度的踝关节，因为是以顶部作为坐标原点，所以在这个坐标系里顶部是一定和坐标系的y轴平行的，这时保证脚板也平行于y轴，当脚板平踩在地面上时，地面和脚板看做重合，进而地面也平行再对刚才两个没有标号的舵机进行标号，最上面的唯一绕z轴旋转的舵机转角标为θz，下面唯一绕x轴旋转的舵机标号为θx，之前研究的θ1~3其实是沿y轴旋转的三个舵机，他们可以看做一组，相互之间的耦合关系已经研究明白，但是θz、θ1~3、θy这三者之间的耦合关系还没有研究，姑且当做他们之间是独立的（当转角都较小的时候误差小，转角大则误差大），将他们三者独立看时，则θz3.2双足行走步态规划在规划步态时，θz和θx直接控制，而θ1~3则由yF，zF间接控制，这样一来，调动作的任务由调θz、θx、θ1~3五个量变为了调θz、θx、其实之前的工作就是在调这5个量，所以说本质还是调动作组，只不过从[[θz、θ1~3、θx]的动作组变成了[θz、θx、yF、zF、θc]的动作组.这样做有什么好处呢，其实好处就是把足端坐标和机身姿态由间接控制量变成了直接控制量，把动作组的舵机，调节转换成具体的关节部位量转成，当足悬空时，调整足端修正现在没有引入动力学，之前都没有考虑质量、力、加速度的问题，也没有考虑机器人会摔倒，需要保证稳定性[23]。下面说一下动力学问题:动力学根本上是要解决稳定性问题，重心其实不是影响稳定性的唯一因素，影响稳定性的因素主要有三个：重力、惯性力、转动力矩，前两者会引起平移性质的失稳、后者会引起转动性质的失稳。对抗重力和惯性力引起摔倒倾向的因素是脚板提供的支持力，对抗转动力矩引起摔倒倾向的因素是脚板提供的摩擦力对当前的机器人来说，转动力矩引起的摔倒倾向可以先忽略，在低速时，只考虑重力，在高速时，要考虑重力和惯性力，（惯性力是用质量乘以加速度得到的虚拟力）[24]。一般认为，重力和惯性力的合力在地面的投影如果落在脚板范围内，机器人是稳定的计算重心一般有两种方法，一种是倒立摆模型，一种是连杆模型倒立摆模型是把腿部简化为没有质量轻杆，而将机器人的全部质量集中在轻杆之上，该模型适合于腿部惯量小的机器人，我们的机器人主要质量都集中于腿部，所以用该模型会有非常大的误差，可以pass．另一种模型则是连杆模型，该模型把质量集中在每个杆的重心位置，该杆的质量记为mi，位置记为pi，则总的重心位置就是每个杆的重心位置的质量加权平均值[25]。这种建模方法适合质量集中在连杆的机器人，因此我们可以采用这种模型来计算重心，计算重心需要两个要素，即位置和质量，连接件的质量可以称重得出，而位置取决于设计模型的构造，在连杆是刚体的情况下，可以近似为舵机转角．把舵机转角放在一个向量里，记为θ=θz3.2本章小结机器人的控制算法的选择对机器人设计过程十分重要，当前很多机器人算法主要是为了提高机器人的精度，稳定性和速度，这方面一半靠舵机，一半靠控制算法，同样性能的驱动舵机，合适的控制算法能提高10倍以上精度。而且机器人的硬件部分大多数都是相似的，因为机器人硬件厂家也就那么几家。所以机器人的内置算法决定了机器人是否具有智能与灵活的特征。

4双足仿生机器人双足行走机构控制系统设计4.1控制系统的硬件要求各个部件拟设计模型如图所示，分析参考了市面上可购入的现成型号，目标是能保证平衡，与整体构架匹配，经计算确定满足设计要求。图4-1零部件建模模型图4-7运动仿真在如图所示对双足机器人的膝盖关节进行了建模仿真之后，可以明显地看出在机器人初始启动阶段关节处有极为明显的抖动现象，随后会进入一个较为平缓的动作流程，经此分析可知，首先启动阶段对机器人全部的关节会有较大的负荷，如果材料选择不合适可能造成磨损甚至严重的损伤，再然后就是应该对不同的关节处的旋转范围进一步地调整，虽然就仿真模拟结果来说能够动作起来，但是实际产物可能会因为各种外界因素造成干扰，因此在程序设计中需要加入相应的平缓程序以缓解关节压力。4.2驱动舵机设计图4-7舵机角度控制原理得一个直流偏置电压.该直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压BA6688的3脚输出[26]。该输出送入电机驱动集成电路BAL6686，以驱动电机正反转.Rw1旋转，直到电压差为0，电机停止转动。本次设计选择的是MG996R型舵机。表4-1MG996R型号舵机参数产品重量：55g产品尺寸：40*20*36.5mm额定电压：6~7.4V静态电流：<200mA工作速度：0.18sec/60°7.4V堵转力矩：9kg/cm6V13kg/cm7.4V配套线长：32cm（红棕黄耐磨硅胶线）4.3机器人机构的强度分析强度分析大多数说的是在常温的条件下对测试结构进行受载荷情况下的响应特性，响应特性一般要测定的有应力分布、变形形状等。设计过程中主要应用电脑软件进行强度分析，所以只要施加一定载荷观察变形趋势即可确定该零件是否能顾承受既定的重量[27]。机器人机构的强度分析，利用软件中的应力分析模块对机器人机构进行强度分析.通过分析几个重点承重部位零件的静态载荷和运动载荷，来检验机构的强度，优化设计。4.3.1静态强度分析静态强度分析主要是分析机器人机构在站立的条件下机器人下肢零件的受力情况，得出零件的应力分析结果.具体做法是在i环境下利用中的应力分析模块对关键零件进行强度分[28]。机器人重18kg，在直立状态下每条腿分担的重量为9kg。足部零件的材料为铝合金5052屈服强度为195MPa，主要受足部以上零件的重力和地面给予的反作用力，利软件中的应力分析模块对足部进行强度分析。我们可以计算出最大等效应力为0.4246MPa，在足部与踝关节虎克铰链连接处远远低于材料的承受极限。4.3.2踝关节的强度分析在机构直立状态下，踝关节铰链结构主要受上面零件的重量产生的重力和足部给它的反作用力，材料为铝合金5052，进行受力情况及分析。最大等效应力为0.9MPa，远远小于材料强度极限，危险位置为铰链结构的两端及中间的结合部。踝关节连接器负责连接虎克铰链与小腿，主要受上面零件重量产生的重力及虎克铰链的反作用力，材料也是铝合金5052。最大等效应力为4.494MPa，低于材料强度极限，危险部位为零件中部的连接处.运动载荷强度分析主要在软件环境下，对行走条件下的仿人双足机器人机构的零件进行运动载荷下的强度分析。具体做法：在软件环境下，通过上文中对仿人双足机器人机构行走的运动模拟，在软件中的运动仿真模块里将运动模拟得出的运动载荷输出到应力分析模块中，然后在应力分析模块里完成零件在运动载荷下的强度分析[30]。在软件环境下，将足部的运动载荷导入应力分析模块，足部的运动强度分析结果为最大应力约为0.72MPa，低于材料强度极限，危险位置为足部前部的足耳。髋关节虎克铰链运动强度分析最大等效应力约为0.155MPa，低于材料强度极限，危险位置为铰链中部。髋关节平台运动强度分析最大等效应力约为0.34MPa，低于材料强度极限，危险位置为髋关节平台前耳[31]。4.4本章小结这一章主要在软件环境下，利用软件中的应力分析模块及运动仿真模块，完成对双足机器人的机构零件进行强度分析，这个过程的重点在于静态的强度分析和在运动载荷下的强度分析，分析出结果后再经由相应的公式验算，需要得出仿人双足机器人的强度满足设计要求才算成功。5双足仿生机器人双足行走机构控制软件设计5.1软件系统的基本要求本次设计出的机器人共有8个舵机，每个动作都需要两个以上的舵机配合，选择的控制模块树莓派4B型是无法单独做到的，因此还需要舵机控制板与树莓派相接。树莓派的全称为“RaspberryPi”，是英国某慈善组织所注册并开发的,在这次的双足仿生机器人设计过程中所采用的控制系统就是树莓派。相较于常见的单片机来说选择树莓派的理由是其性能更好一点，而且能适配多种插件实现不同的功能[32]。如图5-1所示就是树莓派4B。图5-1树莓派控制板图5-2树莓派板载接口说明图5-3扩展接口定义图图5-416路舵机驱动板5.2软件设计的技术路线与总体方案树莓派虽然是一种与元件但功能性上可以说是一台微型电脑，在使用树莓派的过程中我们需要牢记相应的各种快捷键键位，这能为我们的程序编写过程提供极大地便利。树莓派的控制程序可以应用Python语言，这意味着想要做到基础的使用我们至少得在Python语言这方面拥有入门级别的能力，要记住基础的操作流程。通过大量的书籍与视频教学，我们能快速地学会使用这一门语言，接下来就需要实际操作了，在实践过程中印证所学知识与实际的关联性[33]。在使用树莓派前需要载入一个控制系统。在电脑上下载树莓派官方镜像系统，然后需要按照专业的流程进行注册连接待树莓派模块成功运转就算成功，接下来就是编写适合自己的程序。图5-5定义程序5.3本章小结新型的控制元件树莓派相较单片机更为复杂，也更为实用，能更好地完成对机器人的控制运转，在学习与使用的过程中我对树莓派有了更深入的了解，以后打算更深入地学习这方面的知识，并且尝试应用于生活中其他方面，这次的设计过程对我来说是一次宝贵的经历。

6双足协作机器人实验基于前几章对机械双足的设计，本章将构建实体模型进行实验，根据实验结果分析确定计算数据的问题所在并加以改进。6.1实验步骤规划第一步就是严谨地接线，不同模块间连接不当可能会导致元器件损毁；其次就是启动树莓派并导入提前写好的程序，同时还要把实体机器人调整至初始状态；最后就是运行程序验证之前的结论，遇到任何不合理的情况就要立即停止程序并进行分析调试。5.2实体模型测试5.2.1实验设备1-树莓派;2-总电源;3-舵机驱动板;4-机械双足图5-1实验设备实验设备分为驱动系统与机械系统，驱动系统包含树莓派控制板和舵机驱动板，与机械双足相连接，通过程序控制舵机转动带动整体机构运转。机械系统整体包含八个舵机共六个自由度。5.2.2树莓派与舵机通信在各个部件连接完毕后就可以进行树莓派通信了，主要是发送信号给舵机，然后舵机转过一定的角度，具体的通信过程如下：1.设置树莓派内置程序使其能够进行无线连接，连接端为电脑热点，这样在电脑上打开树莓派控制程序就能远程命令器械运转。2.把设计好的控制程序导入到树莓派控制界面。在此过程中要保证树莓派连接的热点稳定，网络波动会导致信号无法传输。3.最后就是程序测试过程，先确保周围有足够的移动范围且没有障碍物，然后运行程序后观测机器人状态并进行数据记录，停止运行后校验程序中不合理的地方并尝试改进，若问题过多就先关闭电源重新验算之前的公式结果。6.2实验总结通过实物运行过程可以检验程序合理性，并且能随时调整程序以优化运动效果。改进可以从如下几方面进行：（1）改进控制程序。双足机器人关节舵机基于程序控制，当前所设计出的程序虽然能使其行走，但是内在问题较多，比如行走平稳性，动作快慢等。改进方案为优化平缓控制程序，调整螺丝以修正重心位置。（2）优化仿真曲线。本次采用UG软件进行运动仿真得到仿真曲线，仅能得到单个舵机的角度、角速度、等参数关于时间的变化曲线，无法对全部关节的仿真曲线进行同步对比。因此，在后续的优化改进过程中可使用更合适的仿真软件导出运动曲线用于对比分析全部舵机的变动状况，这样才能就实验问题便捷地得出结论。（3）优化实物细节。本次设计着重于程序控制方面，未考虑整体负载，环境因素等影响。优化思路为增加对照组，分析不同环境及整体负载情况下的运行状态。7结论与展望7.1结论本次实践中搭建了一种双足机器人的实体框架，并编写了控制程序。对于其他形式的机器人没有深入研究，因此不能以偏概全地说明这个方案的优劣。本次设计并非针对工业生产方面，仅可用于分析机器人双足姿态的模拟过程。主要是设计了由八个舵机控制的双足机器人，同时还应用UG进行三维建模仿真。具体内容如下：1.完成了双足机器人的总设计方案，主要有单腿自由度、零部件尺寸参数等。结构设计采用连杆机构，用不同方向的舵机赋予整体较多的自由度。搭建实验模型，先进行了计算机模拟，再测试实物以保证稳定性与合理性。2.采用的树莓派控制板，且基于Linux系统用Python语言进行双足机器人控制程序的编写，通过舵机控制板与舵机相连，达成用树莓派控制机器人动作的目的。3.采用拉格朗日法推导动力学模型，结合UG软件运动仿真，使实验结果更具合理性。7.2展望机器人的发展越来越迅速，会替代许多基层的工作，而且合理搭配出的结构会比生物体更加结实、耐用。本次实验带给我了很多的启发：1.科技的进步能够带动机器人发展，本次设计过程中基于材料的各项参数进行了多方对比，强度高的材料大多会带来较大的负载，新型的材料是机器人的一大研究方向。2.对机械领域的钻研，能够设计出更多种类。机器人的设计取决于人们的需求，我们需要什么样的用途并为之进行设计就能发展出相应的功能，除了工业生产及日常生活，机器人定能发展处其他用途。3.更好的控制方式能提高机器人总体性能，控制方面是机器人设计的一大重点，从手动控制到程序控制发展了许久，但仍有诸多不便，如果能研发出其他的控制方式，机器人甚至能在一些特殊的情况下使用。4.本次设计的双足机器人使用的是螺钉连接，部件更换不方便且部分螺钉易松动，之后可以基于这方面研究便于更替且强度较高的固定方式。参考文献[1]孙勇.DCS系统过程控制功能的设计与实现[D].厦门大学,2018.[2]赵晗妘.基于改进DDPG算法的双足机器人行走稳定性研究.湘潭大学,2020.[3]刘绍维.基于深度强化学习的准被动双足机器人步态控制策略研究.燕山大学,2020.[4]杨磊.基于人体动平衡感知的行走稳定判据研究.燕山大学,2020.[5]付庆波.液压驱动四足机器人单足控制方法研究及结构优化.哈尔滨工业大学,