综合设计两足步行机器人

机械课程综合设计

两足步行机器人姓名学号班级指导老师：设计背景较强的越障能力，多自由度稳步步行体积小、重量轻、动作灵活功耗、能耗小极限环境下代替人工作业具有广泛的应用前景两足机器人的优点双足机器人的研制开始于上世纪70年代末，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。按照移动方式主要分为四种，分别是：轮式、履带式、步行、爬行。然而双足步行机器人与其它移动方式相比，具有无法比拟的优越性：设计背景

世界上第一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，通过双腿模拟实验研究出行走的基本参数。后来的WL-3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，从此步行机器人一步步逐渐发展起来。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。P2的问世将双足步行机器人的研究工作推向了高潮。其中P2和P3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态行走。

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为典型。国防科技大学“先行者”机器人哈工大的“HIT”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：

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。研究意义：

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。

我们计划设计出模拟人体步行的机构,因为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：机构初步设计思路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。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。腿部机构设计方案方案一、滑块联动机构此方案的特点是小腿的伸缩转动是由大腿控制的，区别方案二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：方案一、滑块联动机构机器人大小腿联动控制臀部和大腿连接部分方案一、滑块联动机构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Ｉ处的球形铰可以控制杆Ｋ(即小腿)绕点Ｊ逆时针转动，实现小腿的往前伸。选型型设设计计二二、、采采用用凸凸轮轮机机构构方案案二二、、凸凸轮轮机机构构利用用凸轮轮的的运运动动规规律律，，设设计计凸凸轮轮轮轮廓廓曲曲线线来来较较准准确确的的控控制制机构的运运动动路路线线，，此此方方案案分分别别对对大大腿腿和和小小腿腿的的不不同同运运动动特特点点采采用用不同的凸凸轮轮轮轮廓廓曲曲线线，，使使运运动动更更形形象象逼逼真真，，而而凸凸轮轮又又靠靠电电机机来来带带动动，用这种方法法来实现现机器人人的行走走。以下下几图为为此方案案的机构构简图：：方案二、、采用凸凸轮机构构机器人单单边腿部部的机构构简图该图即为机机器人单单边腿部部的机构简图，分别用用了2个凸轮机机构，4个滑块机构，9个活动构构件，11个低副，，2个高副和2个虚约束束。方案二、、采用凸凸轮机构构机器人臀臀部机构构凸轮转动中心心、横向滑杆和两个机机架都固定在臀部上，，B处圆是与凸轮相切的圆圆柱，用来控制横向滑块块的前进进和后退，A杆是大腿腿的简图，一端插在在B处的一个滑块上，，同时与与C处的铰链相接接，用以以固定大腿和臀部的的连接，，另一端连接小腿腿部分。方案二、、采用凸凸轮机构构机器人膝膝关节的的机构简简图横杆G焊接在大腿A杆上，用用以固定定凸轮和虚线处处的横向向滑杆，E杆为小腿腿简图，F处的铰链链用以连连接小腿和大腿，，使小腿腿能绕大腿旋转转，E杆一端与滑块连接接用以控控制小腿的转动角角度，另另一端连接脚掌，如如下图：：机构设计计选型手臂机构构设计方方案由于手臂的运运动过程程很简单单，也不不是我们们的主要要研究对对象，因因此我们仅设计出一一种合适适的方案案，用以以配合腿腿部的机机构进行行仿真，，因此手手臂机构构简图如下：图中AD杆即为机机器人手手臂，滑滑块B的滑槽设置置在机器器人臀部部，滑块块B的移动靠臀部处处的大凸凸轮带动动，从而使得得点E绕点A转动，即即手臂绕绕点A转动，实现了手臂和腿腿部运动动的同时时性，并并且不会出现同手同脚脚的情况况，使得得机器人人的步行更加逼真真。设计方案案的评价价与选择择机器人机机构设计方案评价体系系理论分析析根据评价价结果选选择了方案二用以控制腿部的运动手臂方案案的评价价与选择择腿部方案案的评价与选选择综合上述述机构设设计方案案，本小小组通过过分析和和评价体体系对方方案进行行了评价与与选择。。设计方案案的评价价与选择择腿部方案案的评价价与选择择方案一的的设计思思路即让让小腿由由大腿控控制，产产生连动动的效果果，因此方案案一充分分运用连连杆和滑滑块机构构，将大大腿的转转动角度度转化为控制小小腿的主主要参数数，角度度越大小小腿弯曲曲程度越越大，即即实现了了大腿和小小腿的连连动，并并将小腿腿的主控控参数巧巧妙的设设置成了了角度的的变化。其其中的一一大特点点是利用用了一个个球形铰铰链，能能够同时时控制小小腿的前伸伸和后退退。但方案一一的一大大缺点就就是运动动太受限限制，角角度只有有增加和和减少，，从而小小腿只有有前伸和和后退，，关键是是角度和和小腿都都是同时时对应的的运动，，不能达达到一些些复杂的的过程（（如图一一），造造成行走走很格式式僵硬化化，不够够贴切现现实人们们的步行行特点。。方案一的的步行特特点设计方案案的评价价与选择择腿部方案案的评价价方案二的的步行特特点方案二考考虑了方方案一的的弊端，，对各种种机构进进行了理理论分析，决定定用凸轮轮结构来来控制大大小腿的的运动情情况。由由于方案案一的经经验，大小小腿的连连动必然然会导致致机器人人行走的的僵硬化化，不够够真实，，因此就分分别采用用2个凸轮来来对大小小腿进行行控制，，由于凸凸轮的运运动规律特性，，可以利利用凸轮轮的推程程、远修修止过程程、回程程、以及及近休止止过程与机机器人腿腿部的各各个过程程向对应应，比如如控制小小腿时，，可以将将控制小腿腿的凸轮轮远休止止角与大大腿和小小腿同时时回退的的过程相相对应，，这样使使得另另一只只腿部部伸出出时这这边的的腿部部保持持直线线，如如此往往复，，就达到了了机器器人的的往前前行走走，如如下图图：设计方方案的的评价价与选选择对于腿腿部机机构的的设计计，通通过对对方案案一二二的综综合分分析还还考虑虑，建建立了了综合合评价价指标标如下下：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10520机构可调性能F5方便可调一般可调不可调1050设计方方案的的评价价与选选择对以上上方案案打分分如下下：方案F1F2F3F4F5评价总分方案一5225519方案二1010521037综合理理论分分析和和评分分结果果，本小组组选择择了方方案二二用以以控制制腿部部的运运动。。设计方方案的的评价价与选选择手臂方方案的的评价价与选选择如前面面所说说，由由于手手臂的的运动动过程程很简简单，，也不不是我我们的的主要研研究对对象，，因此此我们们仅设设计出出一种种合适适的方方案，，用以以配合合腿部的的机构构进行行仿真真，此此方案案如前前文所所示。。机构尺尺寸综综合设设计凸轮尺尺寸设设计1.臀部凸凸轮设设计凸轮机机构采采用的的是偏偏心距距为0的对心心从动动件凸凸轮机机构,主要利利用了了凸轮的的推程程、远远休止止过程程和回回程三三个过过程。。（（）（）推程角角定为为90度，那那么推程采采用正正弦加加速度度运动动规律律，即即由于大大腿需需要在在抬高高的同同时小小腿伸伸展过过程中中保持持不动动，所所以腿腿需要在在空中中停留留数秒秒，故故采用用了大大腿凸凸轮的的的远远休止止过程程，此此时臀部凸凸轮运运动规规律设设计远休止止角定定为90度；在另一一只脚脚往前前行的的同时时，这这条抬抬高的的腿也也相对对在往往后退退，所所以对凸轮轮的回回程采采用等等减速速运动动规律律，即即回程角角取为为180度。臀部凸凸轮从从动件件运动动规律律设计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度等减速运动规律臀部凸凸轮轮轮廓曲曲线设设计又由于于凸轮轮是逆逆时针针转的的，所所以有有：得到由于从动件件为滚子从从动件，分分别代入的方程，则则可得到滚滚子中心B（xB，yB）运动轨迹迹曲线，并并取基圆半半径，，滚子半径径为1.5，经计算，推推程h取5.4，同时结合合，，最最终得到臀臀部凸轮轮廓曲曲线。臀部凸轮轮轮廓曲线设设计膝关节凸轮轮轮廓曲线线设计运动规律分分析该凸轮机构构同样采用用的是偏心心距为0的对心从动动件凸轮机机构,主要利用了了凸轮的推程程、回程和和近休止过过程三个过过程。推程采用等等速运动规规律，即推程角定为为90度，那么=90，即此过程及为为小腿的弯弯曲过程；；当小腿弯曲曲一定程度度后需要及及时伸展着着地，以便便另一只脚脚的运动，，故小腿弯弯曲后凸轮轮应立即回回程，回程程角定为90度，故，，所以回程程采用等加加速运动规规律，即：：膝关节凸轮轮轮廓曲线线设计当脚着地后后，另一只只脚开始往往前走，所所以这只脚脚就相对往往后走，但但此时小腿相相对大腿是是不转动的的，只有大大腿往后移移，所以此此时小腿应应该保持原原状，因此此凸轮应该该处于近休休止状态，，取近休止止角为180度，此时：：膝关节凸轮轮轮廓曲线线设计方法同前述述臀部凸轮轮设计方法法，由于从从动件为滚滚子从动件件，分别代代入的方方程程，，得得到到滚滚子子中中心心B（xB，YB）运运动动轨轨迹迹曲曲线线，，并并取取基基圆圆半半径径为为6.5，滚滚子子半半径径1.5，h为4，计计算算出出轮轮廓廓曲曲线线上上C的轨轨迹迹方方程程。。平面面连连杆杆机机构构的的尺尺寸寸设设计计手臂臂平平面面连连杆杆尺尺寸寸设设计计两足足步步行行机机器器人人的的手手臂臂采采用用以以臀臀部部的的凸凸轮轮带带动动滑滑块块移移动动，，滑滑块块带带动动平平面面连连杆杆机机构构产产生生““手手臂臂””的的5联动动的的方方法法与与两两腿腿的的动动作作协协调调。。手手臂臂的的平平面面连连杆杆机机构构如如下下图图所所示示。。根据据第第二二章章设设计计要要求求与与设设计计数数据据，，成成年年男男性性上上臂臂长长约约为为330mm，不不妨妨设设AD=330mm。同同时时A点为为机机器器人人的的肩肩部部，，建建立立以以如如图图为为平平面面的的XY坐标标，，那那么么设设A(0,0)。机机器器人人的的肩肩部部A点与与B点水水平平距距离离大大约约为为机机器器人人的的上上身身长长，，设设为为550mm。平面面连连杆杆机机构构的的尺尺寸寸设设计计当机机器器人人臀臀部部凸凸轮轮转转动动时时，，B点的的滑滑块块左左右右滑滑动动，，根根据据上上一一节节的的计计算算结结果果，，滑动动距距离离为为5.4mm。现在在确确定定B点在在凸凸轮轮回回程程结结束束点点、、推推程程中中某一一点点、、远远休休止止点点的的三三个个坐坐标标分分别别是是，，其中中。所所对对应应的的AD的转转动动角角度度为为因为为EAD是绕绕固固定定点点A转动动的的一一个个刚刚体体，，AD的转转动动角角直直接接等等于于AE的转转动动角角。。根根据据所所要实实现现的的精精确确位位置置可以以写写出出位位移移矩矩阵阵方方程程，，结结合合运运动动约约束束方方程程，，最最