0124-兩足行走機(jī)器人—臂部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì),行走,機(jī)器人,臂部,結(jié)構(gòu),部分,部份,設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）中文摘要 機(jī)器人技術(shù)代表了機(jī)電一體化的最高成就，是二十世紀(jì)人類最偉大的成果之一機(jī)器人中的兩足步行機(jī)器人雖然只有近四十年的歷史，但是由于它獨(dú)特的適應(yīng)性和擬人性，成為了機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。雙足步行機(jī)器人與輪式、爬行式和履帶式等移動(dòng)機(jī)器人相比，有著更好的環(huán)境適應(yīng)性，這種優(yōu)越性在非結(jié)構(gòu)環(huán)境里的表現(xiàn)尤為突出。 步態(tài)規(guī)劃是雙足步行機(jī)器人研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，穩(wěn)定自然的步行是雙足步行機(jī)器人區(qū)別于其它機(jī)器人的主要標(biāo)志，也是其實(shí)現(xiàn)基本操作功能的基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞 雙足步行機(jī)器人 擬人性 步態(tài)規(guī)劃 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）外文摘要 Title The Robot Move with Two-leg - the design of structural elements arm Abstract Roboties is the representation of the best aehievement of meehantronies，and Is one of the greatest fruits of humankind in the 20 century.Though the biped robot has only 40 years history,it became one of the most important branches of robotics for its unique fitness anthropomorphism. Biped robot has much better adaptation to environment in human living-space than wheel type, crawl type and pedrail type mobile robots. This advantage is much more obvious under unconstructed environment. Gait planning is one of the key techniques for the research of biped robot,stable and natural walk is the main sign different biped robot form other robots,and it is the base for robots to realize its essential manipulation. Keywords Biped Robot anthropomorphism Gait Planing 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查表 學(xué)生姓名 徐超 學(xué) 號(hào) 05010243 指導(dǎo)教師 路建萍 劉 艷 選題情況 課題名稱 兩足行走機(jī)器人——臂部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì) 難易程度 偏難 適中 √ 偏易 工作量 較大 合理 √ 較小 符合規(guī)范化的要求 任務(wù)書 有 √ 無(wú) 開(kāi)題報(bào)告 有 √ 無(wú) 外文翻譯質(zhì)量 優(yōu) 良 中 √ 差 學(xué)習(xí)態(tài)度、出勤情況 好 一般 √ 差 工作進(jìn)度 快 按計(jì)劃進(jìn)行 √ 慢 中期工作匯報(bào)及解答問(wèn)題情況 優(yōu) 良 √ 中 差 中期成績(jī)?cè)u(píng)定：良 所在專業(yè)意見(jiàn)： 在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，工作積極主動(dòng)，學(xué)習(xí)態(tài)度良好，能夠按要求完成老師布置的各項(xiàng)任務(wù)。 負(fù)責(zé)人： 年 月 日 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 系　　　部： 機(jī)械工程系 專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化 學(xué) 生 姓 名： 徐超 學(xué) 號(hào)： 05010243 設(shè)計(jì)(論文)題目： 兩足行走機(jī)器人 —臂部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì) 起 迄 日 期: 2009年 3月09 日 ~ 6月14日 設(shè)計(jì)(論文)地點(diǎn): 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 指 導(dǎo) 教 師: 路建萍 劉 艷 專業(yè)負(fù)責(zé)人: 龔光容 發(fā)任務(wù)書日期: 2009年 2月 26 日 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書 1．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題應(yīng)達(dá)到的目的： 通過(guò)本設(shè)計(jì)，使學(xué)生熟悉機(jī)械產(chǎn)品開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)的一般過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識(shí)和各項(xiàng)技能，著重培養(yǎng)設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析和解決問(wèn)題的能力，進(jìn)而總結(jié)、歸納和獲得合理結(jié)論，進(jìn)行較為系統(tǒng)的工程訓(xùn)練，初步鍛煉科研能力，提高論文撰寫和技術(shù)表述能力。為實(shí)際工作奠定基礎(chǔ)，達(dá)到人才培養(yǎng)的目的與要求。 2．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）： 技術(shù)要求： 本機(jī)器人的總體功能為模擬人體動(dòng)作。設(shè)計(jì)兩足行走機(jī)器人—臂部結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)擺大臂和擺小臂的功能。 工作任務(wù)： （1） 查閱資料15篇以上，翻譯外文資料3000字，撰寫文獻(xiàn)綜述和開(kāi)題報(bào)告。 （2） 完成行走結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)，繪制功能原理圖 1 份。 （3） 繪制裝配圖 1 份 （0號(hào)圖紙）；部件圖 1份；零件圖若干。（其中，至少有1張圖紙使用計(jì)算機(jī)繪制） （4） 設(shè)計(jì)說(shuō)明書1.5萬(wàn)字左右。(打印) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書 3．對(duì)本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題成果的要求〔包括畢業(yè)設(shè)計(jì)論文、圖表、實(shí)物樣品等〕： (1)開(kāi)題報(bào)告(含文獻(xiàn)綜述)；(2)外文資料翻譯：3,000 漢字以上；(3)總體裝配圖： 1 張； (4)部件裝配圖1張；(5)主要零件圖：若干張 (總圖數(shù)約合2張0號(hào)圖)；(6)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書,字?jǐn)?shù)不少于10,000字,并附有200~300漢字的中文摘要及相應(yīng)的英文摘要。 所有設(shè)計(jì)圖表、論文撰寫、參考文獻(xiàn)標(biāo)記等均應(yīng)符合本院的規(guī)范化要求。 4．主要參考文獻(xiàn)： [1] 馬香峰. 機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1991. 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[14] 費(fèi)仁元等.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)和分析.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1998. 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書 5．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題工作進(jìn)度計(jì)劃： 起 迄 日 期 工 作 內(nèi) 容 2009年 3月 9 日～ 3月15日 3月16日～ 3月22日 3月23日～ 3月29日 3月30日～ 4月5 日 4月6 日～ 4月12日 4月13日～ 4月26日 4月27日～ 5月3 日 5月4 日～ 5月10日 5月11日～ 5月17 日 5月18日～ 5月24 日 5月25日～ 5月31 日 6月1 日～ 6月7 日 6月8 日～ 6月14 日 選題，發(fā)放審題表及任務(wù)書，熟悉課題 完成外文資料翻譯 完成開(kāi)題報(bào)告(包含文獻(xiàn)綜述) 查閱相關(guān)資料，提出幾種可行性方案 確定合理方案，進(jìn)行總體方案論證 進(jìn)行結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì) 計(jì)算相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，選擇標(biāo)準(zhǔn)部件，熟悉相關(guān)軟件 對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)與修改，使之完善 繪制總裝配圖，繪制零件圖 整理相關(guān)資料，撰寫并打印設(shè)計(jì)說(shuō)明書 初步提交設(shè)計(jì)成果（包括圖紙及論文），整改 正式提交設(shè)計(jì)成果和設(shè)計(jì)說(shuō)明書 準(zhǔn)備論文答辯 所在專業(yè)審查意見(jiàn)： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日 系部意見(jiàn)： 系部主任： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯 系　　部： 機(jī)械工程系 專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化 (用外文寫) 外文出處： Proc. of SPIE Vol.6201 620112 附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)： 該生的外文翻譯基本正確，沒(méi)有嚴(yán)重的語(yǔ)法或拼寫錯(cuò)誤，已達(dá)到本科畢業(yè)的水平。 簽名： 年 月 日 注：請(qǐng)將該封面與附件裝訂成冊(cè)。 附件1：外文資料翻譯譯文 獨(dú)立動(dòng)力單臂機(jī)器人 摘要：本文介紹了獨(dú)立動(dòng)力的平面單臂機(jī)器人的構(gòu)思和初步結(jié)果。機(jī)器人二個(gè)自由度由液壓油驅(qū)動(dòng)，一個(gè)臂控制。它運(yùn)用的是液壓反推裝置，一種能精確的提供高壓，工作臺(tái)面寬度一般并且阻抗力很小的控力裝置。這些裝置安裝在機(jī)器人的身體部位，用電纜將能量傳送到臀部和腿的關(guān)節(jié)處。液壓發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)著一個(gè)排量恒定的給蓄電池增壓的泵。因?yàn)橛玫氖蔷€性譯碼器，每個(gè)反推裝置的絕對(duì)位置和彈簧的壓縮都可測(cè)量的。彈簧壓縮量轉(zhuǎn)化為輸出力，利用軟件使用循環(huán)算法把控制力與需要的力相比。輸出信號(hào)的每個(gè)力控制器驅(qū)動(dòng)著高性能的伺服閥門，控制著液體流向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的活塞。 在設(shè)計(jì)機(jī)器人過(guò)程中，我們用了以模擬為基礎(chǔ)的重復(fù)多次的設(shè)計(jì)方法。初步概算的機(jī)器人的物理參數(shù)是基于以往的經(jīng)驗(yàn)并且形體上更逼真的機(jī)器人的仿真模型。其次，控制算法模擬出它在平面上的跳躍。從模擬中的關(guān)節(jié)的能源要求和移動(dòng)范圍，我們?cè)俜赐瞥鲂枰幕喌闹睆?，活塞的直徑，行程，液壓，伺服閥門的流量和帶寬，齒輪泵的額定流量和發(fā)動(dòng)機(jī)功率。符合或超過(guò)技術(shù)要求的零件被選出來(lái)集成到機(jī)器人里去，運(yùn)用CAD軟件，我們計(jì)算出設(shè)計(jì)的機(jī)器人的物理參數(shù)，將它們代替先開(kāi)始用CAD估算出來(lái)的數(shù)據(jù)，然后生產(chǎn)出新的能源要求的連接器。我們不斷重復(fù)這些工作，最終得到了設(shè)計(jì)中的提到的已校正過(guò)的原型。 一般來(lái)說(shuō)，除去體外的泵產(chǎn)生的力，在慣性作用下，機(jī)器人以大約1.2m/s的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，。在試驗(yàn)臺(tái)上，最終試驗(yàn)的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)加載到機(jī)器人實(shí)體上去。當(dāng)除去電力系統(tǒng)所產(chǎn)生的慣性力以后，機(jī)器人普遍以大約2.25m/s的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。目前進(jìn)行的工作是把電力系統(tǒng)集中到機(jī)器人本身，總結(jié)出控制的方法，研究出提高工作效率的方法。 1. 介紹 實(shí)用機(jī)械手因?yàn)閯?dòng)力平衡要求，復(fù)雜的設(shè)計(jì)和動(dòng)力系統(tǒng)等原因正在接受挑戰(zhàn)。為了研究動(dòng)力自主機(jī)械手，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)高壓液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的雙缸發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力的動(dòng)力自主機(jī)器人。這種機(jī)器人是一個(gè)平面機(jī)器人，由一個(gè)半徑12英尺的構(gòu)架限制表面范圍。它有2個(gè)自由度，一個(gè)導(dǎo)桿和曲柄。液壓執(zhí)行裝置固定在機(jī)身上，通過(guò)鏈條傳遞到導(dǎo)桿和曲柄。 單臂機(jī)器人被設(shè)計(jì)為一個(gè)適合多樣性技術(shù)的測(cè)試平臺(tái)，它包括： ·液壓彈性串聯(lián)執(zhí)行裝置 液壓執(zhí)行裝置要考慮到高準(zhǔn)確性, 適度帶寬壓力控制，一些機(jī)器人利用彈性串聯(lián)執(zhí)行裝置,而單臂機(jī)器人是第一臺(tái)應(yīng)用液壓型執(zhí)行裝置的機(jī)器人 。 ·虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧 轉(zhuǎn)動(dòng)的支架定位經(jīng)常仿造在彈簧上, 它表示轉(zhuǎn)動(dòng)效率取決于肌肉組織和筋（見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4]）。為了加快效率和簡(jiǎn)化控制，大多數(shù)機(jī)器人利用的是一個(gè)物理支管彈簧（見(jiàn)參考文獻(xiàn)[5]。單臂機(jī)器人是一個(gè)決定在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器人中是否能用虛擬彈簧替代實(shí)體彈簧的測(cè)試平臺(tái)。 當(dāng)單臂機(jī)器人完成試用，我們將模擬一個(gè)使用可控制的虛擬支撐彈簧。 ·彈性串聯(lián)執(zhí)行裝置的特性 如果在實(shí)體彈簧中沒(méi)有得到效率補(bǔ)償，機(jī)器人靈活的保持控制, 彈簧彈回完全支配合成力。 ·高密度，移動(dòng)性，液壓動(dòng)力系統(tǒng) 為了使機(jī)器手臂更實(shí)用，必須要研制高動(dòng)力和高能量系統(tǒng)。燃油驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)是一個(gè)使人感興趣的選擇。然而，現(xiàn)在缺少輕便的解決方法，而且專家這方面的知識(shí)比腿部機(jī)器人的知識(shí)更加集中。單臂機(jī)器人是可以成為一個(gè)能給與其他機(jī)器人提供液壓發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展項(xiàng)目和測(cè)試平臺(tái) 。 在機(jī)器人的設(shè)計(jì)中, 我們反復(fù)利用了個(gè)仿真設(shè)計(jì)程序。我們以各種不同的速度和不同的總數(shù)塊運(yùn)行了機(jī)械手，現(xiàn)實(shí)模擬而且得到了物理參數(shù)和聯(lián)合轉(zhuǎn)力矩、速度、和運(yùn)動(dòng)范圍要求。使用這些功率的聯(lián)合器,我們能夠計(jì)算出系統(tǒng)的壓力和流程需求，而且可以選出一些符合那些規(guī)格部件來(lái)。然后在SolidWorks里把這些部件連同機(jī)械手結(jié)構(gòu)一起做成模型，得到的新的機(jī)械性能被加載到模型里進(jìn)行模擬。重復(fù)這一個(gè)程序，直到原型設(shè)計(jì)成份選擇出來(lái)。 2.模擬仿真 為了確定單臂機(jī)器人的電力需求，我們用Yobotics Simulation Construction Set軟件進(jìn)行了最真實(shí)的模擬。在模擬實(shí)驗(yàn)中，我們假設(shè)彈力腿部的回彈力為0。這是一個(gè)非常保守的設(shè)定，因?yàn)橛涊d數(shù)據(jù)顯示奔跑的動(dòng)物和幾乎所有移動(dòng)機(jī)器人的彈力腿部的回彈力都很大。我們打算最后修改彈力腿部構(gòu)造的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在，先假設(shè)回彈力為0，其一確保電力系統(tǒng)超過(guò)最終機(jī)器人所需的要求，其二因?yàn)閺椓ν炔渴潜容^難模擬的，我們要準(zhǔn)確的確定它提供哪種電力儲(chǔ)備系統(tǒng)。 我們總結(jié)了模擬機(jī)器人以3.5m/s速度行走時(shí)的控制法（圖1），算法類似于Raibert （見(jiàn)參考文獻(xiàn)[5]）的三工位計(jì)算，但是稍做了修改。工步通過(guò)控制垂直方向的上下速度進(jìn)行控制，而不是通過(guò)底部的彈簧片組的壓縮得到。因?yàn)閱伪蹤C(jī)器人的腿部彈簧是假設(shè)的，并且臀部和膝蓋的力是任意假設(shè)給定的，所以這完全有可能。相對(duì)來(lái)說(shuō)，大多數(shù)可移動(dòng)機(jī)器人的腿部彈簧是真的并且規(guī)定了相應(yīng)的跳躍。如果真實(shí)的速度比需要達(dá)到的速度更少，除了經(jīng)過(guò)腳安置控制向前的速度之外，需要增加一個(gè)速度控制機(jī)延遲推進(jìn)。 我們?cè)诟鞣N不同的身體塊中做模擬以完善機(jī)械手的設(shè)計(jì)。到目前為止，當(dāng)輕量級(jí) (94 磅) 模擬速度為3.5m/s時(shí), 重量級(jí)的模擬速度只有2.5m/s。圖1表示的是94 磅重的機(jī)器人在 速度是3.5 m/s時(shí)模擬賽跑的一個(gè)截圖。 圖1 43公斤(94磅)單臂機(jī)器人以3.5 m/s的速度模擬賽跑的圖像動(dòng)畫 圖像間隔0.05秒。從右向左運(yùn)動(dòng)。 在運(yùn)動(dòng)中，聯(lián)合關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)力矩、速度和力量在一個(gè)完全的周期期間改變。表 1顯示了模擬奔跑時(shí)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)力矩、速度、力量和范圍的最大值。液壓系統(tǒng)的組成部分按照聯(lián)合關(guān)節(jié)處的力量數(shù)據(jù)來(lái)選擇。 表1 模擬聯(lián)合關(guān)節(jié)處以最大速度運(yùn)動(dòng)時(shí)的力量要求 最大臀部轉(zhuǎn)力矩 360 Nm 266 ft-lb 最大膝轉(zhuǎn)力矩 360 Nm 263 ft-lb 最大臀部速度 24 rad/sec 224 RPM 最大膝速度 28 rad/sec 264 RPM 最大臀部力 4450 W 5.96 HP 最大膝力 4205 W 5.63 HP 最大總力 6025 W 8.07 HP 平均力 1550 W 2.08 HP 最大臀部旋轉(zhuǎn) 1.70 rad 97.3 deg 最大膝旋轉(zhuǎn) 1.12 rad 63.7 deg 3.液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)前，我們對(duì)于單臂機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)做一些設(shè)想。 1) 假設(shè)動(dòng)力元件牢牢的裝在機(jī)器人的身體部位并且用電纜和滑輪機(jī)構(gòu)和關(guān)節(jié)處連接好。通過(guò)放置在機(jī)器人身體上的動(dòng)力元件（正如直接安置在機(jī)器人腿上的反推裝置），可以將機(jī)器人腿的質(zhì)量減到最小，并可以使它達(dá)到很快的運(yùn)動(dòng)速度。 2) 假設(shè)動(dòng)力元件是線性的，而不是螺旋的。液壓直活塞相比螺旋液壓活塞更容易運(yùn)用，更便宜更輕。此外，用螺旋液壓活塞很難執(zhí)行連續(xù)的彈性沖擊。這是因?yàn)橄鄬?duì)于壓縮彈簧，扭彈簧性能很差，并且生產(chǎn)扭彈簧的過(guò)程很復(fù)雜。 圖2 單臂機(jī)器人的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖 圖2表示的是單臂機(jī)器人的液壓循環(huán)圖。紅線表示的高壓供應(yīng)路線，藍(lán)線表示的低壓返回路線。恒量泵由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，給油箱外的低壓油增壓并使它們沖過(guò)各種障礙。如果流進(jìn)去，液體正常的通過(guò)一個(gè)節(jié)流閥，在這對(duì)蓄電池加壓。電腦控制著的電磁閥可以間隔的通過(guò)一個(gè)油液冷卻器阻止液體回流到油箱。當(dāng)積聚的力已經(jīng)達(dá)成被需要的最大值如一個(gè)壓力感應(yīng)器所測(cè)量的壓力的時(shí)候，運(yùn)用并聯(lián)電路。高壓力液體被儲(chǔ)存在油箱中，直到二個(gè)伺服閥門之中任意一個(gè)啟動(dòng)。如果壓力在積聚者中變成太高,一個(gè)壓力減輕閥門將會(huì)交替地把液壓油轉(zhuǎn)移回到油庫(kù)。伺服閥門控制每個(gè)活塞的壓力和流量。 如活塞被循環(huán),回返液體經(jīng)過(guò)油冷卻器被送回到油庫(kù),如此完成周期。 3.1液壓成分選擇 液壓的系統(tǒng)配置相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)。困難在于在沒(méi)有設(shè)計(jì)說(shuō)明書的情況下挑選出符合單臂機(jī)器人力量要求的組成部件，還要留下余量。圖 3 是成份選擇程序的示意圖。 圖3 成分選擇過(guò)程示意圖 3.2.滑輪和活塞直徑 我們從模擬中為單腳架估算了運(yùn)動(dòng)的聯(lián)合轉(zhuǎn)力矩、速度和范圍。力量經(jīng)過(guò)繞過(guò)滑輪的鋼電纜被傳送到關(guān)節(jié)，而且這些鋼的電纜由液壓活塞驅(qū)動(dòng)。在選擇活塞和滑輪直徑方面，假定操作壓力為3000PSI,這是一個(gè)廣泛承認(rèn)的超高壓標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)壓力超過(guò)3000PSI時(shí)，設(shè)備變成非常重而且貴。 考慮滑輪直徑的同時(shí)，還必須考慮電纜壽命。非常小的皮帶輪對(duì)鋼索會(huì)產(chǎn)生顯著的彎曲應(yīng)力，從而使電纜壽命退化。按照電纜制造業(yè)情況，滑輪直徑應(yīng)該是大約包圍在它周圍的電纜的直徑的25 倍。我們初步選擇了一個(gè)直徑為0.188英寸的電纜，因?yàn)樗臄嗔褟?qiáng)度（ 2000磅）差不多達(dá)到設(shè)計(jì)要求。根據(jù)制造業(yè)者的 25X 因素,我們得到了一個(gè)直徑為4.68 寸的滑輪。取整數(shù),使用一個(gè)直徑為4.75英寸的滑輪。用這個(gè)帶輪直徑和3000PSI的設(shè)計(jì)壓力，計(jì)算出扭矩為266英尺-磅條件下的活塞直徑是 0.770 英寸。保守起見(jiàn)，選擇了活塞直徑為0.75英寸。注意驅(qū)動(dòng)力（指電纜力）為0.75英寸直徑的活塞是1324磅，少于額定強(qiáng)度電纜2000磅。汽缸直徑為0.75英寸和滑輪直徑4.75英寸，模擬產(chǎn)生的最大壓力和流速如表2所示。 表2 活塞直徑為0.750英寸，帶輪直徑為4.75英尺時(shí)模擬的最大壓力值和流量 最大臀部主動(dòng)器壓力 20.68 MPa 3000 PSI 最大膝主動(dòng)器壓力 20.68 MPa 3000 PSI 最大值髖舵機(jī)流速 4.02e-4 m3/s 6.38 GPM (24.5 in3/s) 最大值膝動(dòng)器流速 3.895e-4 m3/s 6.17 GPM (23.8 in3/s) 最大總動(dòng)器流速 6.385e-4 m3/s 10.12 GPM (39.0 in3/s) 平均流速 1.98e-4 m3/s 3.14 GPM (12.1 in3/s) 在圓筒和滑輪直徑選擇方面，我們用了模擬模型為單臂機(jī)器人結(jié)束產(chǎn)生壓力和流程需求而且延長(zhǎng)時(shí)間的時(shí)期。從這個(gè)壓力和流量的數(shù)據(jù)中抽取了平均流量、洪峰流量和壓降。這方面的資料，用來(lái)選擇主要系統(tǒng)組件，包括伺服閥、散熱器、蓄能器、齒輪泵等。 …… 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告 學(xué) 生 姓 名： 徐超（大） 學(xué) 號(hào)： 05010243 專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化 設(shè)計(jì)(論文)題目： 兩足行走機(jī)器人 臂部結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì) 指 導(dǎo) 教 師: 路建萍 劉 艷 2009 年 3 月 22 日 開(kāi)題報(bào)告填寫要求 1。開(kāi)題報(bào)告（含“文獻(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見(jiàn)及所在專業(yè)審查后生效； 2。開(kāi)題報(bào)告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁(yè)上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師簽署意見(jiàn)； 3。“文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書寫（或打?。┰诒鹃_(kāi)題報(bào)告第一欄目?jī)?nèi)，學(xué)生寫文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇科技論文的信息量，一般一本參考書最多相當(dāng)于三篇科技論文的信息量（不包括辭典、手冊(cè)）； 4。有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國(guó)標(biāo)GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2009年3月15日”或“2009-03-15”。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告 1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫 2000字左右的文獻(xiàn)綜述： 文 獻(xiàn) 綜 述 摘要 本文詳細(xì)介紹了研究?jī)勺悴叫袡C(jī)器人的組成，機(jī)器人的原因，兩足步行機(jī)器人的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)外兩足步行機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞 兩足機(jī)器人組成 研究原因 前景 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 1 機(jī)器人的硬體組成 在種類繁多的機(jī)械人當(dāng)中，最讓人感興趣的就是仿人類機(jī)械人了。因?yàn)槿祟愂亲罡呒?jí)的動(dòng)物，能讓機(jī)械人各項(xiàng)機(jī)能達(dá)到人類的高度是每一個(gè)從事此工作的科學(xué)家不斷追求的夢(mèng)想。 人體外形各項(xiàng)器官基本可劃分為動(dòng)作器官、感覺(jué)器官、思維器官三部分，機(jī)械人套件里的電子模組也是按這三部分來(lái)劃分的。動(dòng)作器官包括：可以讓我們機(jī)械人唱歌的發(fā)音模組、可以裝飾和指示的發(fā)光模組、速度可以調(diào)節(jié)的馬達(dá)模組等。感覺(jué)器官包括：可以分辨黑白甚至是不同顏色的灰度測(cè)量模組、可以檢測(cè)碰撞的觸碰檢測(cè)模組等。 思維器官包括：RCU，也就是中央控制器，整個(gè)機(jī)器人的核心模組。當(dāng)然還有一些輔助功能的拼裝配件等等[1]。 2 研究?jī)勺悴叫袡C(jī)器人的原因 世界著名機(jī)器人學(xué)專家，日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授說(shuō)過(guò)：“機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有的最大特征之一是步行功能”。步行功能的具備為擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)辟了無(wú)限廣闊的前景研究?jī)勺悴叫袡C(jī)器人的原因，概括起來(lái)有如下4個(gè)：(1)我們希望研制出兩足步行機(jī)構(gòu)，使它們能在許多結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性環(huán)境中行走，以代替人進(jìn)行作業(yè)或延伸和擴(kuò)大人類的活動(dòng)領(lǐng)域。(2)我們希望更多地了解和掌握人類的步行特性，并利用這些特性為人類服務(wù)。(3)兩足步行系統(tǒng)具有非常豐富的動(dòng)力學(xué)特性，在這一方面的研究可以拓寬力學(xué)及機(jī)器人學(xué)的研究方向。(4)兩足步行機(jī)器人可以作為一種智能機(jī)器人在人工智能中發(fā)揮重要的作用[2]。 3 兩足步行機(jī)器人應(yīng)用前景 實(shí)用的兩足步行機(jī)器人由兩條腿和一個(gè)平臺(tái)(腰部)組成。腿的作用是為平臺(tái)提供移動(dòng)能力，而平臺(tái)的作用則是提供一個(gè)基礎(chǔ)，以便安裝機(jī)械手、CCD攝象機(jī)、機(jī)載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和蓄電池。顯然，這種帶機(jī)械手的兩足步行機(jī)器人能非常靈活地從事較多的工作。但是，對(duì)于這種兩足步行機(jī)器人來(lái)說(shuō)，平臺(tái)的穩(wěn)定性對(duì)于有效地控制機(jī)械手末端操作器的位置和姿態(tài)是至關(guān)重要的，而兩條腿的步態(tài)又對(duì)平臺(tái)的穩(wěn)定性起決定作用。因此，如何規(guī)劃好腿的步態(tài)，協(xié)調(diào)地控制兩條腿的運(yùn)動(dòng)以保持平臺(tái)及整個(gè)兩足步行機(jī)器人的穩(wěn)定就成為一個(gè)主要問(wèn)題[3～6]。 目前，兩足步行機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域主要是康復(fù)醫(yī)學(xué)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，兩足步行機(jī)器人在無(wú)人工廠、核電站、海底開(kāi)發(fā)、宇宙探索、康復(fù)醫(yī)學(xué)以及教育、藝術(shù)和大眾服務(wù)行業(yè)等領(lǐng)域都有著潛在而廣闊的應(yīng)用前景。 4 兩足步行機(jī)器人研究的現(xiàn)狀 從8O年代中期到現(xiàn)在，雖然理論研究和樣機(jī)研制不象1985年以前那樣豐富，但也頗具特色。重要的是，國(guó)內(nèi)正是在這一時(shí)期全面開(kāi)展了兩足步行機(jī)器人的研究。下面，首先看看美國(guó)的有關(guān)情況。 1985年，美國(guó)的Hodgins和Raibert等人研制了一個(gè)用來(lái)進(jìn)行奔跑運(yùn)動(dòng)和表演體操動(dòng)作的平面型兩足步行機(jī)器人，這個(gè)機(jī)器人有3個(gè)自由度。1986年，他們用這個(gè)機(jī)器人進(jìn)行奔跑實(shí)驗(yàn)，著重研究奔跑過(guò)程中出現(xiàn)的彈射飛行狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)中，這個(gè)機(jī)器人的最大速度高達(dá)4.3米／秒。1988年和1990年，他們又用這個(gè)機(jī)器人進(jìn)行翻筋斗動(dòng)作實(shí)驗(yàn)。Hodgins和Raibert研究這兩種運(yùn)動(dòng)是因?yàn)樗鼈兒胸S富的動(dòng)力學(xué)內(nèi)容，尤其是兩者都具有彈射飛行狀態(tài)。 在美國(guó)研究?jī)勺悴叫袡C(jī)器人的科學(xué)家中，鄭元芳(Y·F·Zheng)博士是一個(gè)非常杰出的人物。他在80年代初由中國(guó)去了美國(guó)，并于1984年在俄亥俄州立大學(xué)獲博士學(xué)位，然后一直在克萊姆森大學(xué)工作，最近又回到俄亥俄州立大學(xué)任職。在克萊姆森大學(xué)期間，他主持研制了兩臺(tái)步行機(jī)器人，分別命名為SD一1和SD一2。SD—l具有4個(gè)自由度，SD一2則有8個(gè)自由度。其中，SD一2是美國(guó)第一臺(tái)真正擬人的兩足步行機(jī)器人。1986年，SD一2機(jī)器人成功地實(shí)現(xiàn)了平地上前進(jìn)、后退以及左、右側(cè)行。1987年，這個(gè)機(jī)器人又成功地實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)步行。鄭元芳博士也因他在機(jī)器人領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)而獲得美國(guó)1987年度“總統(tǒng)青年研究員”獎(jiǎng) 。 1984年，鄭元芳博士對(duì)兩足步行機(jī)器人與環(huán)境接觸時(shí)的碰撞效應(yīng)進(jìn)行了研究。1987年，他提出了一種用于兩足步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的監(jiān)控系統(tǒng)。1989年，他研究了兩足步行機(jī)器人的擾動(dòng)抑制問(wèn)題。1990年他首次提出了使兩足步行機(jī)器人能走斜坡的控制方案，并利用SD一2機(jī)器人進(jìn)行了成功的實(shí)驗(yàn) 。此外，鄭元芳博士還從神經(jīng)生理學(xué)的角度對(duì)人類肌肉的多級(jí)傳感與多級(jí)驅(qū)動(dòng)原理進(jìn)行了研究，并提出了采用這種原理設(shè)計(jì)兩足步行機(jī)器人的方法[7]。 下面我們?cè)倏纯磭?guó)內(nèi)在兩足步行機(jī)器人方面的研究情況。 我國(guó)從80年代中期才開(kāi)始研究?jī)勺悴叫袡C(jī)器人，當(dāng)時(shí)主要的研究單位是哈爾濱工業(yè)大學(xué)和國(guó)防科技大學(xué)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制成功的第一臺(tái)兩足步行機(jī)器人重7Okg，高l10cm，有10個(gè)自由度，采用直流電機(jī)經(jīng)諧波減速驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)由一臺(tái)IBM—PC／XT計(jì)算機(jī)和l0個(gè)MCS一51單片機(jī)系統(tǒng)組成。1989年l0月，這個(gè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了平地上的前進(jìn)，左、右側(cè)行以及上、下樓梯的運(yùn)動(dòng)，步幅可達(dá)45cm，步速為l0秒／步，為靜態(tài)步行[8～12]。 最近哈爾濱工業(yè)大學(xué)又研制了一臺(tái)l2自由度的兩足步行機(jī)器人，井正在進(jìn)行動(dòng)態(tài)步行的實(shí)驗(yàn)。 我們南京航空學(xué)院從1989年秋天起也開(kāi)展了一個(gè)兩足步行機(jī)器人的研究計(jì)劃，現(xiàn)在已研制出一臺(tái)8自由度空間運(yùn)動(dòng)型的兩足步行機(jī)器人，命名為NAIWR—1。目前，這一計(jì)劃正在實(shí)施中?？傆^起來(lái)，兩足步行機(jī)器人研究的現(xiàn)狀是：國(guó)外，主要是日本和美國(guó)，對(duì)兩足步行機(jī)器人的研究已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平，研制出了能靜態(tài)或動(dòng)態(tài)行走的多種樣機(jī)。國(guó)內(nèi)由于起步較晚，前一段剛完成靜態(tài)穩(wěn)定步行的研究，目前，正處于準(zhǔn)動(dòng)態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定步行的研究階段。雖然國(guó)內(nèi)的研究水平還不象國(guó)外那樣高，但在短短的五六年時(shí)間能達(dá)到今天的水平，已經(jīng)是相當(dāng)驚人的了！ 5 兩足步行機(jī)器人研究的發(fā)展趨勢(shì) 概括起來(lái)，兩足步行機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)包括如下l0個(gè)方面：(1)能動(dòng)態(tài)穩(wěn)定地高速步行。(2)能以自由步態(tài)全方位靈活行走。(3)具有良好的地形適應(yīng)性。(4)具有極強(qiáng)的越障和回避能力。(5)具有很高的載重／自重比。(6)可靠性高、工作壽命長(zhǎng)。(7)具有豐富的內(nèi)感知和外感知系統(tǒng)。(8)控制系統(tǒng)和能源裝置機(jī)載化。(9)具有完全的自律能力。(10)具有靈活的操作能力(安裝一個(gè)或多個(gè)機(jī)械手) [13,14]。 6 結(jié)束語(yǔ) 本文較詳細(xì)地介紹了國(guó)內(nèi)外兩足步行機(jī)器人研究的主要情況。我們相信，隨著整個(gè)機(jī)器人技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，在不久的將來(lái)，兩足步行機(jī)器人一定能夠真正進(jìn)入實(shí)用化階段，在各行各業(yè)中發(fā)揮重要作用。 參考文獻(xiàn) [1] Todd D J .Walking machines ,an introduction to legged robots Kogan Page Ltd.London,1985. 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[14] 費(fèi)仁元等.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)和分析.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1998.  畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告 ２．本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段（途徑）： 本課題是設(shè)計(jì)兩足行走機(jī)器人—臂部結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)擺大臂、擺小臂的功能。 主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)是重心前后移動(dòng)與身體左右平衡難以協(xié)調(diào)的問(wèn)題，尤其是正步行走、身體不傾斜的前提下更難以實(shí)現(xiàn)。 我們?cè)O(shè)計(jì)小組選擇簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模仿人類行走的機(jī)器人，以此提高我們的機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力。 我們采用以下創(chuàng)新點(diǎn)： (1) 先是用3D軟件PRO/E設(shè)計(jì)出機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)和各個(gè)零件的結(jié)構(gòu)，直觀的展現(xiàn)了我們所設(shè)計(jì)的雙足行走機(jī)器人。 (2) 采用了17臺(tái)舵機(jī)，腿部共有8臺(tái)舵機(jī)每條腿個(gè)有4個(gè)舵機(jī)，臂部共有4臺(tái)舵機(jī)，每條手臂個(gè)2個(gè)，軀干4臺(tái)舵機(jī)還有頭1臺(tái)，合理控制，以此解決了簡(jiǎn)單控制條件下機(jī)器人難以實(shí)現(xiàn)正步行走的難點(diǎn)問(wèn)題。 （3）大小臂均可沿錐面做往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可組合出多種姿態(tài)。 （4）充分體現(xiàn)了以機(jī)為主、機(jī)電結(jié)合的特色。  畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告 指導(dǎo)教師意見(jiàn)： 1．對(duì)“文獻(xiàn)綜述”的評(píng)語(yǔ)： 該生的文獻(xiàn)綜述結(jié)合所要研究地課題比較緊密，從文中可以看出該生對(duì)所要做地工作進(jìn)行了較深入地學(xué)習(xí)。 2．對(duì)本課題的深度、廣度及工作量的意見(jiàn)和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）結(jié)果的預(yù)測(cè)： 本課題要做什么步驟敘述很清楚，設(shè)計(jì)思路正確，工作量合理，預(yù)計(jì)該生能順利并很好地完成該課題。 指導(dǎo)教師： 年 月 日 所在專業(yè)審查意見(jiàn)： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日 該方案是兩足行走機(jī)器人—臂部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)，雙足步行機(jī)器人的一個(gè)主要問(wèn)題就是雙足動(dòng)態(tài)步行的固有不穩(wěn) 定性。為了使其穩(wěn)定行走并能夠做靈活的仿人動(dòng)作，機(jī)器人本體設(shè)計(jì)和行走步態(tài)規(guī)劃都很重要。在進(jìn)行機(jī)器人 本體設(shè)計(jì)時(shí)需要著重考慮的問(wèn)題有關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩的限制，主要機(jī)構(gòu)的剛度，擺動(dòng)腿著地時(shí)沖擊載荷對(duì)機(jī)器人本 體可能帶來(lái)的損壞，桿件間連接，機(jī)體重量、材料以及易于操作維修等等。 依據(jù)仿生學(xué)原理，肢體的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度要盡量與人的肢體長(zhǎng)度比例相近，為了提高行走穩(wěn)定性，將機(jī)器人的兩足設(shè) 計(jì)得較大。為了簡(jiǎn)化 動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì) ， 關(guān)節(jié)和 關(guān)節(jié) 雙關(guān)節(jié) 結(jié)構(gòu)， 了關(guān)節(jié) 度及 性，可以近 為 與 的 動(dòng)是 的。 材料的 要本著重量 ，高剛度的原 。機(jī)器人本體主體材料 ， 材料重量 、?度高。 雙足行走機(jī)器人臂部￠6個(gè)￡件，2?￥機(jī)和?§currency1'“ ??，理?長(zhǎng)fi175mm，高fi50mm。 fl肢有6個(gè) ￠度，分–是?部?jī)蓚€(gè) ￠度和?部一個(gè) ￠度。?部?jī)蓚€(gè) ￠度分–·制 ? ???和fl” 擺動(dòng)，?部一個(gè) ￠度·制fl”擺動(dòng)。 ?… 將￥機(jī)‰ 的?度設(shè)定在90°， 有`于fl肢有擺動(dòng)的′地。??￥機(jī)ˉ大?度是180°。?˙?… ?度設(shè)定在90°時(shí)，與¨件相¨ 不 ?生§?，可以 `的??簡(jiǎn)?的ˇ大臂和ˇ—臂等動(dòng)作。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 27 頁(yè) 共 27 頁(yè) 1 緒論 1.1 引言 機(jī)器人是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，仿人型機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。研究仿人型機(jī)器人需要結(jié)合機(jī)械、電子、信息論、人工智能、生物學(xué)以及計(jì)算機(jī)等諸多學(xué)科知識(shí)，同時(shí)其自身的發(fā)展也促進(jìn)了這些學(xué)科的發(fā)展。雙足步行機(jī)器人是仿人型機(jī)器人的一種。 1959年，世界上誕生了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，開(kāi)創(chuàng)了機(jī)器人發(fā)展的新紀(jì)元。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，仿人型機(jī)器人的研究與應(yīng)用迅猛發(fā)展。世界著名機(jī)器人專家、日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授說(shuō)過(guò)：“機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有的最大特征之一是步行功能”。其中雙足行走是步行方式中自動(dòng)化程度最高、最為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。偉大的發(fā)明家愛(ài)迪生也曾說(shuō)過(guò)這樣一句話：“上帝創(chuàng)造人類，兩條腿是最美妙的杰作”。雙足步行系統(tǒng)具有非常豐富的動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)步行的環(huán)境要求很低，既能在平地上行走，也能在非結(jié)構(gòu)性的復(fù)雜地面上行走，對(duì)環(huán)境有很好的適應(yīng)性。步行功能的具備為擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)辟了無(wú)限廣闊的前景。 研究雙足步行機(jī)器人的原因和目的，主要有以下幾個(gè)方面：希望研制出雙足步行機(jī)構(gòu)，使它們能在許多結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)環(huán)境中行走，以代替人進(jìn)行作業(yè)或延伸和擴(kuò)大人類的活動(dòng)領(lǐng)域；希望更多得了解和掌握人類得步行特性，并利用這些特性為人類服務(wù)，例如：人造假肢。雙足步行系統(tǒng)具有豐富的動(dòng)力學(xué)特性，在這方面的研究可以拓寬力學(xué)及機(jī)器人的研究方向；雙足步行機(jī)器人可以作為一種智能機(jī)器人在人工智能中發(fā)揮重要的作用。 科幻小說(shuō)和電影作品中，人們將像人一樣行走、思考、行為的機(jī)器人作為機(jī)器人研究的最高境界?？茖W(xué)工作者也一直將實(shí)現(xiàn)類人行為的機(jī)器人作為工作的最高目標(biāo)去追求。步行機(jī)器人特別是雙足步行機(jī)器人的研究是整個(gè)類人機(jī)器人研究的前奏，是實(shí)現(xiàn)類人機(jī)器人的必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。在具有許多優(yōu)點(diǎn)的步行機(jī)器人中，由于雙足步行機(jī)器人體積較小，所以他們對(duì)環(huán)境有最好的適應(yīng)性。這種機(jī)器人除結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單外，在靜、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定步行方面，都是最困難的，但這種困難并不是不能克服。實(shí)用的雙足步行機(jī)器人由兩條腿和平臺(tái)（腰部）組成。腿的作用是為平臺(tái)提供移動(dòng)能力，而平臺(tái)的作用則是提供一個(gè)基礎(chǔ)，以便安裝機(jī)械手、CCD攝像機(jī)、機(jī)載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和電池等。顯然，這種帶機(jī)械手的雙足步行機(jī)器人外形上更像人，能非常靈活地從事較多的工作。但是，對(duì)于這種雙足步行機(jī)器人來(lái)說(shuō)，平臺(tái)的穩(wěn)定性對(duì)于有效地控制機(jī)械手末端操作器的位置和姿態(tài)是至關(guān)重要的，而兩條腿的步態(tài)又對(duì)平臺(tái)的穩(wěn)定性起決定作用。因此，如何規(guī)劃好腿的步態(tài)，協(xié)調(diào)地控制兩條腿的運(yùn)動(dòng)以保持平臺(tái)及整個(gè)雙足步行機(jī)器人的穩(wěn)定就成為一個(gè)主要問(wèn)題。雙足步行機(jī)器人可以是很復(fù)雜的系統(tǒng)，當(dāng)然也可以是構(gòu)造簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。 1.2 機(jī)器人的發(fā)展及技術(shù) 1.2.1 機(jī)器人的發(fā)展 20世紀(jì)40年代，伴隨著遙控操縱器和數(shù)控制造技術(shù)的出現(xiàn)，關(guān)于機(jī)器人技術(shù)的研究開(kāi)始出現(xiàn)。60年代美國(guó)的ConsolidatedContr01公司研制出第一臺(tái)機(jī)器人樣機(jī)，并成立了Unimation公司，定型生產(chǎn)了Unimate機(jī)器人。20世紀(jì)70年代以來(lái)，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，機(jī)器人技術(shù)逐漸發(fā)展為專門學(xué)哈爾濱工程大學(xué)碩十學(xué)位論文。1970年，第一次國(guó)際機(jī)器人會(huì)議在美國(guó)舉行。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，數(shù)百種不同結(jié)構(gòu)、不同控制系統(tǒng)、不同用途的機(jī)器人已進(jìn)入了實(shí)用化階段。目前，盡管關(guān)于機(jī)器人的定義還未統(tǒng)一，但一般認(rèn)為機(jī)器人的發(fā)展按照從低級(jí)到高級(jí)經(jīng)歷了三代。第一代機(jī)器人，主要指只能以“示教-再現(xiàn)”方式工作的機(jī)器人，其只能依靠人們給定的程序，重復(fù)進(jìn)行各種操作。目前的各類工業(yè)機(jī)器人大都屬于第一代機(jī)器人。第二代機(jī)器人是具有一定傳感器反饋功能的機(jī)器人，其能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對(duì)象的簡(jiǎn)單信息，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理、分析，機(jī)器人按照己編好的程序做出一定推理，對(duì)動(dòng)作進(jìn)行反饋控制，表現(xiàn)出低級(jí)的智能。當(dāng)前，對(duì)第二代機(jī)器人的研究著重于實(shí)際應(yīng)用與普及推廣上。第三代機(jī)器人是指具有環(huán)境感知能力，并能做出自主決策的自治機(jī)器人。它具有多種感知功能，可進(jìn)行復(fù)雜的邏輯思維，判斷決策，在作業(yè)環(huán)境中可獨(dú)立行動(dòng)。第三代機(jī)器人又稱為智能機(jī)器人，并己成為機(jī)器人學(xué)科的研究重點(diǎn)，但目前還處于實(shí)驗(yàn)室探索階段。機(jī)器人技術(shù)己成為當(dāng)前科技研究和應(yīng)用的焦點(diǎn)與重心，并逐漸在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)防建設(shè)等方面發(fā)揮巨大作用?？梢灶A(yù)見(jiàn)到，機(jī)器人將在21世紀(jì)人類社會(huì)生產(chǎn)和生活中扮演更加重要的角色。 1.2.2 機(jī)器人技術(shù) 機(jī)器人學(xué)是一門發(fā)展迅速的且具有高度綜合性的前沿學(xué)科，該學(xué)科涉及領(lǐng)域廣泛，集中了機(jī)械工程、電氣與電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)控制工程、生物科學(xué)以及人工智能等多種學(xué)科的最新科研成果，代表了機(jī)電一體化的最新成就。機(jī)器人充分體現(xiàn)了人和機(jī)器的各自特長(zhǎng)，它比傳統(tǒng)機(jī)器具有更大的靈活性和更廣泛的應(yīng)用范圍。機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類生產(chǎn)和社會(huì)進(jìn)步的需要，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)工具進(jìn)化的必然。目前，機(jī)器人及其自動(dòng)化成套裝備己成為國(guó)內(nèi)外備受重視的高新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，與此同時(shí)它正以驚人的速度向海洋、航空、航天、軍事、農(nóng)業(yè)、服務(wù)、娛樂(lè)等各個(gè)領(lǐng)域滲透。目前，雖然機(jī)器人的能力還是非常有限的，但是它正在迅速發(fā)展。隨著各學(xué)科的發(fā)展和社會(huì)需要的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)出現(xiàn)了許多新的發(fā)展方向和趨勢(shì)，如網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人技術(shù)、虛擬機(jī)器人技術(shù)、協(xié)作機(jī)器人技術(shù)、微型機(jī)器人技術(shù)和雙足步行機(jī)器人技術(shù)等。 1.3 雙足步行機(jī)器人研究概況 1.3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀分析 最早系統(tǒng)地研究人類和動(dòng)物運(yùn)動(dòng)原理的是Muybridge，他發(fā)明了電影用的獨(dú)特?cái)z像機(jī)，即一組電動(dòng)式觸發(fā)照相機(jī)，并在1877年成功地拍攝了許多四足動(dòng)物步行和奔跑的連續(xù)照片。后來(lái)這種采用攝像機(jī)的方法又被Demeny用來(lái)研究人類的步行運(yùn)動(dòng)。從本世紀(jì)30年代到50年代，蘇聯(lián)的Bernstein從生物動(dòng)力學(xué)的角度也對(duì)人類和動(dòng)物的步行機(jī)理進(jìn)行深入的研究，并就步行運(yùn)動(dòng)作了非常形象化的描述。 真正全面、系統(tǒng)地開(kāi)展兩足步行機(jī)器人的研究是始于本世紀(jì)60年代．迄今，不僅形成了兩足步行機(jī)器人一整套較為完善的理論體系，而且在一些國(guó)家，如日本、美國(guó)和蘇聯(lián)等都已研制成功了能靜態(tài)或動(dòng)態(tài)步行的兩足步行機(jī)器人樣機(jī)。這一部分，我們主要介紹隊(duì)60年代到1985年這一時(shí)期，在兩足步行機(jī)器人領(lǐng)域所取得的最重要進(jìn)展。 在60年代和70年代，對(duì)步行機(jī)器人控制理論的研究產(chǎn)生了3種非常重要的控制方法，即有限狀態(tài)控制、模型參考控制和算法控制。這3種控制方法對(duì)各種類型的步行機(jī)器人都是適用的。有限狀態(tài)控制是由南斯拉夫的Tomovic在1961年提出來(lái)的 ，模型參考控制是由美國(guó)的Farnsworth在1975年提出來(lái)的，而算法控制則是由南斯拉夫米哈依羅·鮑賓研究所著名的機(jī)器人學(xué)專家Vukobratovic博士在1969年至1972年問(wèn)提出來(lái)的。這3種控制方法之間有一定的內(nèi)在聯(lián)系。有限狀態(tài)控制實(shí)質(zhì)上是一種采樣化的模型參考控制，而算法控制則是一種居中的情況[1]。 在兩足步行機(jī)器人的發(fā)展史上，Vukobratovic博士是一個(gè)非常突出的人物。他在整個(gè)70年代就兩足步行機(jī)器人的理論研究和假肢的設(shè)計(jì)發(fā)表了很多有影響的論文。他提出了用歐拉角描述兩足步行系統(tǒng)的通用數(shù)學(xué)模型；指出了由于步行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和控制性能的特殊性，用一般控制理論不能滿意地解決人工實(shí)現(xiàn)步行的問(wèn)題，并相應(yīng)地提出了算法控制的概念；研究了類人型兩足步行系統(tǒng)在單腳和雙腳支撐期機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，并建立了從運(yùn)動(dòng)副組合到關(guān)節(jié)力矩計(jì)算等各項(xiàng)運(yùn)算的KINPAIR算法，分析了類人型兩足步行系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定性，并提出了相應(yīng)的姿態(tài)控制算法；對(duì)類人型兩足步行系統(tǒng)進(jìn)行了能量分析和頻率分析．此外，他還與合作者一起為截癱病人和小兒麻痹癥患者設(shè)計(jì)了一系列半動(dòng)力型和動(dòng)力型輔助行走裝置 。特別重要的是，他和Stepanenko博士一起在1972年提出了“零力矩點(diǎn)ZMP”的概念ZMP概念的提出對(duì)兩足步行機(jī)器人控制產(chǎn)生了非常重要的影響，為有效地控制兩足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)開(kāi)辟了一條嶄新的途徑[2]。 在步態(tài)研究方面，蘇聯(lián)的Bessonov和Umnov定義了“最優(yōu)步態(tài)”，Kugushev和Jaro- shevskij定義了自由步態(tài)。這兩種步態(tài)不僅適應(yīng)于兩足而且也適應(yīng)于多足步行機(jī)器人。其中，自由步態(tài)是相對(duì)于規(guī)則步態(tài)而言的。如果地面非常粗糙不平，那么步行機(jī)器人在行走時(shí)，下一步腳應(yīng)放在什么地方，就不能根據(jù)固定的步序來(lái)考慮，而是應(yīng)該象登山運(yùn)動(dòng)員那樣走一步看一步，通過(guò)某一優(yōu)化準(zhǔn)則來(lái)確定，這就是所謂的自由步態(tài)。 在兩足步行機(jī)器人的穩(wěn)定性研究方面，美國(guó)的Hemami等人曾提出將兩足步行系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的簡(jiǎn)化模型看作是一個(gè)倒立振子(倒擺)，從而可以將兩足步行的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)解釋為使振子直立移動(dòng)的問(wèn)題。此外，從減小控制的復(fù)雜性考慮，Hemami等人還曾就兩足步行機(jī)器人的“降階模型”問(wèn)題進(jìn)行了研究。 在步行模式這方面的研究中，日本加藤一郎教授及其合作者1980年提出了“準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步行的概念 ，這是一種介于靜態(tài)步行和動(dòng)態(tài)步行之間的步行方式。它既具有靜態(tài)步行的特點(diǎn)又具有動(dòng)態(tài)步行的特點(diǎn)，其步速要比靜態(tài)步行快，而實(shí)現(xiàn)起來(lái)又不象動(dòng)態(tài)步行那樣困難。 最早采用最優(yōu)理論來(lái)研究類人型兩足步行系統(tǒng)是美國(guó)的Chow和Jacobson。他們?cè)?971年發(fā)表的論文中， 具有約束條件的力學(xué)模型和性能最優(yōu)準(zhǔn)則作為兩足步行優(yōu)化問(wèn)題的核心，而以一種簡(jiǎn)化模型作為研究對(duì)象。但最后，他們僅是以局部耗能最少為基礎(chǔ)得出了一個(gè)優(yōu)化結(jié)果。 前面我們?cè)赋鯲ukobratovic也對(duì)類人型兩足步行系統(tǒng)進(jìn)行了能量分析，但他僅限于導(dǎo)出各關(guān)節(jié)及整個(gè)步行系統(tǒng)的功率隨時(shí)間的變化關(guān)系，并沒(méi)有過(guò)多地涉及能耗最優(yōu)這個(gè)問(wèn)題．但在他的研究中，Vukobratovic得出了一個(gè)有用的結(jié)論，即步行姿態(tài)越平滑，類人型兩足步行系統(tǒng)所消耗的功率就越少。 下面介紹一下樣機(jī)研制方面的主要情況。早在50年代中期，美國(guó)通用電氣公司就制造了一臺(tái)名為“Hardiman”的步行車，但當(dāng)時(shí)的驅(qū)動(dòng)和伺服控制技術(shù)顯然還不足以使Hardiman進(jìn)入實(shí)用化階段。 1986年至1971年間，牛津大學(xué)的Witt等人曾制造和完善了一個(gè)兩足步行機(jī)器人。當(dāng)時(shí)他們的主要目的是為癱瘓者和下肢殘疾者設(shè)計(jì)實(shí)用的輔助行走裝置。這個(gè)機(jī)器人在平地上走得非常好，步速為0.28m／s，功率消耗約4瓦 。 1972年，日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授及其合作者設(shè)計(jì)的Wabot(前身為WL-5)是迄今為止最上象的一個(gè)兩足步行機(jī)器人，它除有兩條腿之外，還具有許多其它擬人的特征Wabot首次步行是在1973年，它具有一定的自律性，能完成低速度的靜態(tài)穩(wěn)定步行。 后來(lái)，加藤他們又制造了一系列兩足步行機(jī)器人，這些機(jī)器人一般都是液壓驅(qū)動(dòng)的，每條腿上一般具有5個(gè)自由度，典型的步長(zhǎng)和步行周期分別是15厘米和l5秒，并且它們都能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步行。特別值得一提的是，這些科學(xué)家在1984年成功地使他們研制的WL-lORD兩足步行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)步行，步幅為43.18厘米，步速達(dá)到1.3步每秒。WL-10RD機(jī)器人重84公斤，在其本體上安裝了一臺(tái)Z8002微型計(jì)算機(jī)，用來(lái)控制它的步行運(yùn)動(dòng)。 在80年代初，東京大學(xué)的Miura和Shimoyama研制了5種類型的兩足步行機(jī)器人，它們依次被命名為BIPER-1。所有這些機(jī)器人都不能保持靜態(tài)穩(wěn)定，但在適當(dāng)?shù)目刂谱饔孟露寄軐?shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)步行。BIPER-1和BIPER-2其能側(cè)行；BIPER-3是一個(gè)高蹺型機(jī)器人，腳與地面以點(diǎn)狀接觸，它既能側(cè)行，也能前進(jìn)、后退；BIPER-4的兩條腿具有與人完全相同的自由度；而B(niǎo)IPER-5則與BIPER-3相似，但BIPER-5的所有儀器．如計(jì)算機(jī)等，都安裝在其本體上。 1982年，東京理工學(xué)院的Funabashi等人設(shè)計(jì)了一個(gè)名為MEG-2的兩足步行機(jī)器人，在該機(jī)器人的連桿機(jī)構(gòu)上安裝有重力和慣性力補(bǔ)償裝置。在1985年的實(shí)驗(yàn)中，該機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了高速步行。 此外，日本還有很多科學(xué)家和技術(shù)人員在8O年代也研制了一些兩足步行機(jī)器人。其中有的采用最優(yōu)調(diào)節(jié)器和數(shù)字控制理論來(lái)控制兩足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，有的用形狀記憶合金作為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，而有的則是研究軌跡產(chǎn)生算法或試將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論用于步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制。在1985年以前，樣機(jī)的研制主要是日本的科學(xué)家做出了突出的貢獻(xiàn)。 1.3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀分析 國(guó)內(nèi)雙足步行機(jī)器人的研制工作起步較晚，我國(guó)是從20世紀(jì)80年代開(kāi)始雙足步行機(jī)器人領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的。1986年，我國(guó)開(kāi)展了“七五”機(jī)器人攻關(guān)計(jì)劃，1987年，我國(guó)的“863”高技術(shù)計(jì)劃將機(jī)器人方面的研究開(kāi)發(fā)列入其中。目前我國(guó)從事機(jī)器人研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)的單位主要是高校和有關(guān)科研院所等。最初我國(guó)進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)研究的主要目的是跟蹤國(guó)際先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，隨后取得了一定的成就。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)自1986年開(kāi)始研究雙足步行機(jī)器人，先研制成功靜態(tài)步行雙足機(jī)器人HIT-I，高 110cm，重70kg，有10個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)平地上的前進(jìn)、左右側(cè)行以及上下樓梯的運(yùn)動(dòng)，步幅45cm，步速為10秒/步，后來(lái)又相繼研制成功了HIT-II和HIT-III，重42kg，高 103cm，有12個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)了步長(zhǎng)24cm，步速2.3步每秒的步行。目前正在研制的HI下IV機(jī)器人，全身可有52個(gè)自由度，其在運(yùn)動(dòng)速度和平衡性方面都優(yōu)于前三型行走機(jī)器人[3～7]。 國(guó)防科技大學(xué)在1988年春成功地研制了一臺(tái)平面型6自由度的雙足機(jī)器人KDW-1，它能前進(jìn)、后退和上下樓梯，最大步幅為40cm，步速為4步每秒，1989年又研制出空間型 KDW-II，有10個(gè)自由度，高69cm，重13kg實(shí)現(xiàn)進(jìn)退、上下臺(tái)階的靜態(tài)穩(wěn)定步行以及左右的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步行。1990年在KDW-II的平臺(tái)上增加兩個(gè)垂直關(guān)節(jié)，發(fā)展成KDW-III，有12個(gè)自由度，具備了轉(zhuǎn)彎功能，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的全方位行走。1995年實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)行走，步速0.8步每秒，步長(zhǎng)為20cm～22cm，最大斜坡角度達(dá)13度。2000年底在KDW-III的基礎(chǔ)上研制成功我國(guó)首臺(tái)仿人形機(jī)器人“先行者”，動(dòng)態(tài)步行，可在小偏差、不確定的環(huán)境行走，周期達(dá)每秒兩步，高1.4m，重20kg，有頭、眼、脖、身軀、雙臂、雙足，且具備一定的語(yǔ)言功能[8～13]。 上海交通大學(xué)于1999年研制的仿人形機(jī)器人SFHR，腿部和手臂分別有12和10個(gè)自由度，身體上有2個(gè)自由度。共有24個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)了周期3.8s，步長(zhǎng)10cm的步行運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人本體上裝有2個(gè)單軸陀螺和一個(gè)三軸傾斜計(jì)，用于檢測(cè)機(jī)器人的姿態(tài)信息，并配備了富士通公司的主動(dòng)視覺(jué)系統(tǒng)，是研究通用機(jī)器人學(xué)、多傳感器集成以及控制算法良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 北京理工大學(xué)在歸國(guó)博士黃強(qiáng)教授的帶領(lǐng)下，高起點(diǎn)地進(jìn)行仿人形機(jī)器人研究，于2002年12月通過(guò)驗(yàn)收的仿人形機(jī)器人BHR-l，高 158cm，重76kg，32個(gè)自由度，步幅0.33m，步速每小時(shí)1公里。能夠根據(jù)自身力覺(jué)、平衡覺(jué)等感知機(jī)器人自身的平衡狀態(tài)和地面高度的變化，實(shí)現(xiàn)未知地面的穩(wěn)定行走和太極拳表演，使中國(guó)成為繼日本之后，第二個(gè)研制出無(wú)外接電纜行走，集感知、控制、驅(qū)動(dòng)、電源和機(jī)構(gòu)于一體的高水平仿人形機(jī)器人國(guó)家。 此外，清華大學(xué)正在研制仿人形機(jī)器人THBIP-I，高1.7m，重130kg，32個(gè)自由度，在清華大學(xué)985計(jì)劃的支持下，項(xiàng)目也在不斷取得進(jìn)展。南京航空航天大學(xué)曾研制了一臺(tái)8自由度空間型雙足步行機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)步行功能[13,14]。 本課題源于“第一屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”中兩足行走機(jī)器人。目前，機(jī)器人大多以輪子的形式實(shí)現(xiàn)行走功能階段。真正模仿人類用腿走路的機(jī)器人還不多，雖有一些六足、四足機(jī)器人涌現(xiàn)，但是兩足機(jī)器人還是鳳毛麟角。我們這個(gè)課題，探索設(shè)計(jì)僅靠巧妙的機(jī)械裝置和簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)模擬人類行走的機(jī)器人。其分功能有：交替邁腿、搖頭、擺大臂、擺小臂。 2 雙足機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 引言 兩足步行機(jī)器人是研究?jī)勺悴叫械膶?shí)驗(yàn)對(duì)象，不同的兩足步行機(jī)器人在自由度、驅(qū)動(dòng)方式、重量、高度、結(jié)構(gòu)特征等方面都存在很大的差異。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)不同，其控制方式也有所區(qū)別。為了對(duì)兩足步行機(jī)器人進(jìn)行深入的研究，使其實(shí)現(xiàn)預(yù)定的步行功能，必須對(duì)其機(jī)構(gòu)有深入的了解和認(rèn)識(shí)。 2.2 雙足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析 兩足步行機(jī)器人是對(duì)人類自身的模仿，但是人類總共有上肢52對(duì)，下肢62對(duì)，背部112對(duì)，胸部52對(duì)，腰部8對(duì)，頸部16對(duì)，頭部25對(duì)之多的肌肉。從目前的科學(xué)發(fā)展情況來(lái)看，要控制具有400個(gè)雙作用式促進(jìn)器的多變量系統(tǒng)是不可能的，因此，在設(shè)計(jì)步行機(jī)械時(shí)，人們只考慮移動(dòng)的基本功能。例如，只考慮在平地或者具有已知障礙物的情況下的步行[15]。 鄭元芳博士從仿生學(xué)的角度對(duì)類人機(jī)器人的腿部自由度配置進(jìn)行了深入的研究，得出關(guān)節(jié)扭矩最小條件下兩足步行機(jī)器人的自由度配置。他認(rèn)為髖部和踝部設(shè)兩個(gè)自由度，可使機(jī)器人在不平地面上站立，髖部再加一個(gè)扭轉(zhuǎn)自由度，可改變行走方向，踝關(guān)節(jié)處加一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度可使腳板在不規(guī)則表面上落地，這樣機(jī)器人的腿部需要有7×2個(gè)自由度(髖關(guān)節(jié)3個(gè)，膝關(guān)節(jié)1個(gè)，踝關(guān)節(jié)3個(gè))。 但是，無(wú)論現(xiàn)在的兩足步行機(jī)器人還是擬人機(jī)器人都還只能在規(guī)則路面上行走，所以各研究機(jī)構(gòu)都選擇了6×2個(gè)自由度(髖關(guān)節(jié)3個(gè)，膝關(guān)節(jié)1個(gè)，踝關(guān)節(jié)2個(gè))，如:哈爾濱工業(yè)大學(xué)的HIT-III、國(guó)防科技大的“先行者”、本田公司的ASIMO和索尼公司的SDR和QRIO。 具有6×2個(gè)自由度的機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制都特別的復(fù)雜。按照在能完成研究目標(biāo)的情況下，自由度最少的設(shè)計(jì)原則，在過(guò)去的四十年中，為了不同的研究目標(biāo)，人們?cè)O(shè)計(jì)了許多具有不同自由度的兩足步行機(jī)器人，按照行走過(guò)程中的穩(wěn)定方式，兩足步行機(jī)器人一般分為三類: （1）靜態(tài)機(jī)器人，這類步行機(jī)器人的COM(Cenier of Mass)始終處于支撐哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文多邊形(單腳支撐期為支撐腳的輪廓線，雙腳支撐期為兩只腳的外邊沿所圍成的凸多邊形)內(nèi)，所以只能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)行走。 （2）動(dòng)態(tài)機(jī)器人，這類步行機(jī)器人有踝關(guān)節(jié)，依靠踝關(guān)節(jié)來(lái)保證它的ZMP點(diǎn)(Zero Momeni Cenier)始終處于支撐多邊形內(nèi)，所以可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)行走和動(dòng)態(tài)行走。 （3）完全動(dòng)態(tài)機(jī)器人，這類步行機(jī)器人的踝關(guān)節(jié)沒(méi)有驅(qū)動(dòng)，甚至沒(méi)有踝關(guān)節(jié)。所以，支撐多邊形在單腳支撐期縮小成一個(gè)點(diǎn)，在雙腳支撐期縮小為一條線段，所以，這類機(jī)器人不能保持靜態(tài)平衡，只能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)行走。 下面，我們按照自由度數(shù)從少到多的原則，參考曾經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)的兩足步行機(jī)器人模型，分析不同結(jié)構(gòu)的兩足步行機(jī)器人的特點(diǎn)。為了計(jì)算機(jī)器人的自由度，我們將采用以下原則：假設(shè)機(jī)器人固定于一端，考慮單腳支撐機(jī)器人開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)情況下的自由度。同時(shí)就機(jī)器人雙腳支撐閉鏈結(jié)構(gòu)情況下的冗余自由度進(jìn)行分析。自由度數(shù)最少的兩足步行機(jī)器人只有一個(gè)自由度，如圖2.1所示。 圖2.1這類機(jī)器人沒(méi)有軀干，兩條腿直接鉸鏈在一起。這類機(jī)器人理論上只有一個(gè)自由度，實(shí)際上，為了防止擺動(dòng)腿擺動(dòng)時(shí)和地面干涉，這兩條腿都必須是可以伸縮的。加上這兩個(gè)平移自由度，這個(gè)機(jī)器人實(shí)際上有3個(gè)自由度。它的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型是平面的，沒(méi)有側(cè)向運(yùn)動(dòng)，在徑向平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)象一個(gè)兩腳圓規(guī)。在雙腳支撐期，沒(méi)有冗余自由度。這類兩足步行機(jī)器人不能保持靜態(tài)平衡，屬于完全動(dòng)態(tài)機(jī)器人，在僅受重力作用時(shí)，可以在斜面上行走。 圖2.1 一個(gè)自由度的兩足步行機(jī)器人 圖2.2表示的是有四個(gè)自由度的兩足步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。這類機(jī)器人由一個(gè)軀干和兩條變結(jié)構(gòu)的腿組成。這個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型也是平面的，沒(méi)有側(cè)向運(yùn)動(dòng)，為了防止側(cè)向傾倒，兩只固定在小腿上的腳在和徑向面垂直的方向上排列。徑向面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)包括5個(gè)連桿(軀干和兩條變結(jié)構(gòu)的腿)和4個(gè)自由度。這類機(jī)器人屬于完全動(dòng)態(tài)機(jī)器人，它可以在水平面上沿直線行走幾步，然后就會(huì)因?yàn)閿[動(dòng)腿著地時(shí)的沖擊過(guò)大而跌倒。 圖2.2 四個(gè)自由度的兩足步行機(jī)器人 圖2.3表示的是具有八個(gè)自由度的兩足步行機(jī)器人。這類機(jī)器人由一個(gè)軀干和兩條腿組成，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)各有一個(gè)前向自由度，踝關(guān)節(jié)有一個(gè)前向自由度和一個(gè)側(cè)向旋轉(zhuǎn)自由度。它在側(cè)向面的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)倒立擺模型，像一個(gè)只有踝關(guān)節(jié)一個(gè)自由度的剛體，這個(gè)側(cè)向關(guān)節(jié)使它可以側(cè)向平衡。在徑向面的運(yùn)動(dòng)包括7個(gè)連桿和6個(gè)關(guān)節(jié)。這類機(jī)器人可以在水平地面和斜坡上行走，并且可以上下樓梯。但是由于只有踝關(guān)節(jié)處的一個(gè)側(cè)向關(guān)節(jié)，所以對(duì)側(cè)向關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能和控制精度都要求較高，往往會(huì)側(cè)向傾倒。 圖2.3 八個(gè)自由度的兩足步行機(jī)器人 真正實(shí)現(xiàn)擬人行走的機(jī)器人是具有十二個(gè)自由度的兩足步行機(jī)器人，如圖2.4所示，這類機(jī)器人艘關(guān)節(jié)有3個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)有1個(gè)自由度，踝關(guān)節(jié)有2個(gè)自由度。在側(cè)向面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)包括5個(gè)連桿和4個(gè)自由度，在徑向面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)包括7個(gè)連桿和6個(gè)自由度。由于髖關(guān)節(jié)有繞豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，所以這類機(jī)器人可以轉(zhuǎn)彎。在雙足支撐期，這類步行機(jī)器人具有6個(gè)冗余自由度。這類兩足機(jī)器人屬于動(dòng)態(tài)機(jī)器人，可以在普通的平整地面(塑料瓷磚、鋪砌地面或者草地)上和平整的斜坡上行走，還可以上下樓梯，側(cè)向行走，后退和轉(zhuǎn)彎。并且這類機(jī)器人可以方便地在上體增加胳膊和頭頸，已經(jīng)為研究者廣泛接受。 圖2.4 具有十二個(gè)自由度的兩足步行機(jī)器人 通過(guò)上面的分析，可以看出，兩足步行機(jī)器人是從完全動(dòng)態(tài)機(jī)器人發(fā)展到動(dòng)態(tài)機(jī)器人的。大部分兩足步行機(jī)器人在雙腳支撐期都可以順利地將重心從一只腳轉(zhuǎn)移到另一只腳。但是，相對(duì)地，在單足支撐期有許多問(wèn)題，不管機(jī)器人結(jié)構(gòu)怎么樣，都受到擺動(dòng)腿著地時(shí)的巨大的沖擊，從而無(wú)法保證側(cè)向的平衡，尤其是沒(méi)有膝關(guān)節(jié)的機(jī)器人。解決擺動(dòng)腿著地時(shí)的沖擊是兩足步行機(jī)器人研究的一個(gè)重要的課題。 2.3雙足機(jī)器人的自由度配置 綜上所述，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)取名(X-W-Robot)即XWR型的雙足步行機(jī)器人模型，如圖2.6所示。顯著的結(jié)構(gòu)特征就是采用多關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。行走機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)平地前后行、爬斜坡等功能。動(dòng)力源采用舵機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，這樣不但可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)精度高以及大大增加關(guān)節(jié)所能達(dá)到的最大角度，而且驅(qū)動(dòng)源全為電機(jī)，便于集中控制和程序化控制。 圖2.6 雙足步行機(jī)器人模型 圖2.6模仿人類，肩關(guān)節(jié)三個(gè)自由度，前向和側(cè)向自由度，一般不考慮轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。肘關(guān)節(jié)兩個(gè)自由度前向和側(cè)向自由度，腕關(guān)節(jié)一個(gè)自由度。踝關(guān)節(jié)有兩個(gè)自由度，前向和側(cè)向自由度:膝關(guān)節(jié)只有一個(gè)前向自由度，髖關(guān)節(jié)處要模擬人類髖關(guān)節(jié)行為理論上要求有三個(gè)正交的自由度，但在機(jī)器人直線前進(jìn)時(shí)只需要正交的前向和側(cè)向自由度，同樣不考慮。關(guān)節(jié)編號(hào)如表2.1所示。 表2.1 機(jī)器人關(guān)節(jié)編號(hào) 關(guān)節(jié)標(biāo)號(hào) 對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié) 運(yùn)動(dòng)范圍／° 關(guān)節(jié)標(biāo)號(hào) 對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié) 運(yùn)動(dòng)范圍／° 1 左踝關(guān)節(jié)側(cè)向 －30～30 2 左踝關(guān)節(jié)前向 －30～30 3` 左膝關(guān)節(jié) －90～10 4 左髖關(guān)節(jié)前向 －30～80 5 左髖關(guān)節(jié)側(cè)向 －30～30 6 左腿轉(zhuǎn)彎關(guān)節(jié) －60～60 7 右腿轉(zhuǎn)彎關(guān)節(jié) －60～60 8 右髖關(guān)節(jié)側(cè)向 －30～30 9 右髖關(guān)節(jié)前向 －30～80 10 右膝關(guān)節(jié) －90～10 11 右踝關(guān)節(jié)前向 －30～0 12 右踝關(guān)節(jié)側(cè)向 －30～30 雙足步行機(jī)器人的一個(gè)主要問(wèn)題就是雙足動(dòng)態(tài)步行的固有不穩(wěn)定性。為了使其穩(wěn)定行走并能夠做靈活的仿人動(dòng)作，機(jī)器人本體設(shè)計(jì)和行走步態(tài)規(guī)劃都很重要。在進(jìn)行機(jī)器人本體設(shè)計(jì)時(shí)需要著重考慮的問(wèn)題有關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩的限制，主要機(jī)構(gòu)的剛度，擺動(dòng)腿著地時(shí)沖擊載荷對(duì)機(jī)器人本體可能帶來(lái)的損壞，桿件間連接，機(jī)體重量、材料以及易于操作維修等等。 依據(jù)仿生學(xué)原理，肢體的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度要盡量與人的肢體長(zhǎng)度比例相近，為了提高行走穩(wěn)定性，將機(jī)器人的兩足設(shè)計(jì)得較大。為了簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算，踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)處采用雙關(guān)節(jié)交叉結(jié)構(gòu)，減弱了關(guān)節(jié)藕合程度及非線性，可以近似認(rèn)為前向平面與側(cè)向平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)是解藕的。 材料的選取要本著重量輕，高剛度的原則。機(jī)器人本體主體材料選用鋁合金，這種材料重量輕、硬度高。 2.4 驅(qū)動(dòng)方式的選擇和舵機(jī)工作原理 2.4.1 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 驅(qū)動(dòng)器用于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)本體各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)功率。目前驅(qū)動(dòng)方式主要有氣動(dòng)、液壓和伺服電機(jī)。驅(qū)動(dòng)器在雙足步行機(jī)器人中的作用就相當(dāng)于人體的肌肉，如果把連桿以及關(guān)節(jié)想象為機(jī)器人的骨骼，那么驅(qū)動(dòng)器就起到肌肉的作用，它通過(guò)移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)連桿來(lái)改變機(jī)器人的構(gòu)型。驅(qū)動(dòng)器必須有足夠的功率對(duì)負(fù)載加速或者減速。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)器本身要精確、靈敏、輕便、經(jīng)濟(jì)、使用方便可靠且易于維護(hù)。 目前己經(jīng)有很多種驅(qū)動(dòng)器，常用的有以下幾種: (1)電動(dòng)機(jī):舵機(jī)、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)； (2)液壓驅(qū)動(dòng)器； (3)氣壓驅(qū)動(dòng)器； (4)形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器； (5)磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器等。 液壓驅(qū)動(dòng)是由高精度的剛體和活塞一起完成的?；钊蛣傮w采用滑動(dòng)配合，壓力油從液壓缸的一端進(jìn)入，把活塞推向液壓缸的另一端，調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)部活塞兩端的液體壓力和進(jìn)入液壓缸的油量即可控制活塞的運(yùn)動(dòng)。以前在大型的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中，液壓系統(tǒng)使用非常普遍，它具有驅(qū)動(dòng)力矩大，功率重量比較高，工作平穩(wěn)可靠，系統(tǒng)響應(yīng)速度快以及傳動(dòng)中的力、速度、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等特點(diǎn);但是也存在成本高、重量大、工藝復(fù)雜以及可能發(fā)生泄漏甚至高溫爆炸等缺點(diǎn)，同時(shí)因其固有的笨重性，不宜用作雙足步行機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器。 氣動(dòng)具有成本低、控制簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。氣動(dòng)裝置在原理上和液壓系統(tǒng)非常相似，它以壓縮空氣為氣源驅(qū)動(dòng)氣缸做直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并用人工或電磁閥哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文進(jìn)行控制。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的制造精度要求沒(méi)有液壓元件高，易于高速控制，無(wú)污染，但由于位置控制困難，只能用于1/2自由度(受限的關(guān)節(jié)，被限定為幾個(gè)可能的值)的開(kāi)關(guān)類型關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)插入、點(diǎn)位搬運(yùn)等簡(jiǎn)單操作，并且其工作穩(wěn)定性差，壓縮空氣需要除水。液壓驅(qū)動(dòng)與氣壓驅(qū)動(dòng)不能實(shí)現(xiàn)自帶能源，更直接決定了其難于應(yīng)用到雙足步行機(jī)器人系統(tǒng)中。 步行機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)都是旋轉(zhuǎn)副。在廉價(jià)的計(jì)算機(jī)問(wèn)世之前，控制旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的主要困難是計(jì)算量大，所以當(dāng)時(shí)認(rèn)為采用直線驅(qū)動(dòng)方式比較好。今天，電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制的費(fèi)用已經(jīng)大大降低，大功率晶體管己經(jīng)廣泛使用，只需要采用幾個(gè)晶體管就可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)大功率伺服電機(jī)。同樣，微型計(jì)算機(jī)的價(jià)格也越來(lái)越便宜，計(jì)算機(jī)費(fèi)用在機(jī)器人總費(fèi)用中所占的比例大大降低。甚至在每個(gè)關(guān)節(jié)或自由度中都采用一個(gè)微處理器?；谏鲜龇治隹梢钥闯?，電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有成本低、精度高、易于控制、可靠且維修方便等特點(diǎn)，是最常用的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器。 直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，形狀一記憶合金等驅(qū)動(dòng)器目前還處于研究和開(kāi)發(fā)階段，在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)變得非常有用。本雙足步行機(jī)器人采用舵機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。舵機(jī)是一種最早應(yīng)用在航模運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)力裝置，它的控制信號(hào)是一個(gè)脈寬調(diào)制信號(hào)，所以很方便和數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行接口。只要能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的控制信號(hào)的數(shù)字設(shè)備都可以用來(lái)控制舵機(jī)，比如PLC、單片機(jī)等。而且舵機(jī)體積緊湊，便于安裝，輸出力矩大，穩(wěn)定性好，控制簡(jiǎn)單，所以舵機(jī)己經(jīng)廣泛地應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域。 2.4.2 舵機(jī)的工作原理 機(jī)器人的動(dòng)力來(lái)源都是舵機(jī)，機(jī)器人控制系統(tǒng)主要控制的對(duì)象就是舵機(jī)，對(duì)舵機(jī)必須有一個(gè)清華粗的認(rèn)識(shí)，舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并具有保持力矩的控制系統(tǒng)。舵機(jī)的工作原理是：控制電路板接受來(lái)自信號(hào)線的控制信號(hào)，控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)一系列齒輪組，減速后傳動(dòng)至輸出舵盤。多級(jí)的輸出軸和位置反饋電位器是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)位置反饋電位器，電位器將輸出一個(gè)電壓信號(hào)到控制電路板，進(jìn)行反饋，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度，從而達(dá)到目標(biāo)停止。 控制信號(hào)由接受機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得只留偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，決定電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)讀一定時(shí)，通過(guò)級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。舵機(jī)結(jié)構(gòu)由如下組成。 (1)電動(dòng)機(jī)：為舵機(jī)提供動(dòng)力。 (2)減速箱：將電動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速降低，并獲得打的轉(zhuǎn)矩。 (3)電位器：為系統(tǒng)提供輸出軸的反饋。 (4)電子控制板: 用來(lái)分析控制信號(hào)和反饋位置直接的關(guān)系，控制電動(dòng)機(jī)正傳、反轉(zhuǎn)還是停機(jī)。 3 雙足行走機(jī)器人的3D圖 3.1 總體結(jié)構(gòu)PRO/E圖及實(shí)物圖 雙足行走機(jī)器人由42個(gè)鋁合金材質(zhì)的零件，17臺(tái)舵機(jī)，145個(gè)螺母螺栓，若干導(dǎo)線，和AVR控制板等組成，理論高約385mm，寬約242mm。 自由度從廣義上來(lái)說(shuō)就是在某一方向上能夠旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)。它是機(jī)器人性能中的一個(gè)重要的參數(shù)，和舵機(jī)聯(lián)系在一起。一般來(lái)說(shuō)，有多少個(gè)舵機(jī)就有多少個(gè)自由度。在設(shè)計(jì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，要考慮到機(jī)器人的仿人特點(diǎn)。在每個(gè)關(guān)節(jié)處都要設(shè)立自由度，那樣才能完成類似人的動(dòng)作。 頭部?jī)H一個(gè)自由度，轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。肩關(guān)節(jié)三個(gè)自由度，前向和側(cè)向自由度，不考慮轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。肘關(guān)節(jié)兩個(gè)自由度前向和側(cè)向自由度，腕關(guān)節(jié)一個(gè)自由度。踝關(guān)節(jié)有兩個(gè)自由度，前向和側(cè)向自由度:膝關(guān)節(jié)只有一個(gè)前向自由度，髖關(guān)節(jié)處要模擬人類髖關(guān)節(jié)行為理論上要求有三個(gè)正交的自由度，但在機(jī)器人直線前進(jìn)時(shí)只需要正交的前向和側(cè)向自由度，同樣不考慮。模型和實(shí)物見(jiàn)圖3.1、3.2和3.3所示。 (a) 雙足行走機(jī)器人正面PRO/E圖 (b) 雙足行走機(jī)器人正面實(shí)物圖 圖3.1 雙足行走機(jī)器人正面 (a) 雙足行走機(jī)器人反面PRO/E圖 (b) 雙足行走機(jī)器人反面實(shí)物圖 圖3.2 雙足行走機(jī)器人反面 圖3.3 雙足行走機(jī)器人側(cè)面 3.2 臂部結(jié)構(gòu)PRO/E及實(shí)物圖 雙足行走機(jī)器人臂部由6個(gè)零件，2臺(tái)舵機(jī)和若干螺釘導(dǎo)線組成，理論長(zhǎng)約175mm，高約50mm。 上肢有6個(gè)自由度，分別是肩部?jī)蓚€(gè)自由度和肘部一個(gè)自由度。肩部?jī)蓚€(gè)自由度分別控制胳膊前后旋轉(zhuǎn)和上下擺動(dòng)，肘部一個(gè)自由度控制上下擺動(dòng)。 安裝前將舵機(jī)初始的角度設(shè)定在90°，這樣有利于上肢有擺動(dòng)的余地。因此舵機(jī)最大角度是180°。當(dāng)把安裝角度設(shè)定在90°時(shí)，與配件相配合不會(huì)放生干涉，可以順利的完成簡(jiǎn)單的甩大臂和甩小臂等動(dòng)作。見(jiàn)圖3.4所示。 (a) 雙足行走機(jī)器人臂部PRO/E圖 (b) 雙足行走機(jī)器人臂部實(shí)物圖 圖3.4 雙足行走機(jī)器人臂部圖 3.3 部分零件PRO/E圖及實(shí)物圖 “輝盛”MG945舵機(jī)。如圖3.5所示。 圖3.5 舵機(jī) 此零件為鋁制，長(zhǎng)55mm，寬50mm，高16mm。主要用于連接兩個(gè)舵機(jī)，中間2個(gè)孔用于連接圖3.7所示零件盒舵機(jī)。相對(duì)的3個(gè)孔是用來(lái)連接舵機(jī)的軸，其中單個(gè)孔是連接舵機(jī)軸，2個(gè)孔用來(lái)連接齒輪。如圖3.6所示。 (a) 雙足行走機(jī)器人臂部零件PRO/E圖 (b) 雙足行走機(jī)器人臂部零件實(shí)物圖 圖3.6 臂部零件 此零件為鋁制，長(zhǎng)62mm，寬20mm，高32mm。如圖3.7所示。主要用于固定舵機(jī)，如圖3.7（b）所示。用4個(gè)螺栓使舵機(jī)緊緊的固定在此零件上。然后通過(guò)上面的零件和2個(gè)螺栓把圖3.7所示的兩個(gè)舵機(jī)連接在一起，組成了臂部的主體部分。 (a) 雙足行走機(jī)器人臂部零件PRO/E圖 (b) 雙足行走機(jī)器人臂部零件實(shí)物圖 圖3.7 臂部零件圖 手部零件如圖3.8所示。 圖3.8 手 4 雙足行走機(jī)器人的制作 4.1 機(jī)器人舵機(jī)的調(diào)制 為了表現(xiàn)機(jī)器人擬人特性，當(dāng)通電以后要讓機(jī)器人處于立正狀態(tài)也稱作初始位置（Homeposition）。初始位置是機(jī)器人類似于人類，在重力的作用下，正處于能量最低的消耗狀態(tài)。 每個(gè)機(jī)器人組裝完畢后，首先調(diào)試出的就是初始位置狀態(tài)。如圖3.1和如圖3.2分別是處于初始位置的正面和側(cè)面圖。 舵機(jī)的初始角度是在安裝時(shí)各個(gè)舵機(jī)所處的角度。一般的情況下，我們都將舵機(jī)調(diào)節(jié)為90°，這樣便于安裝。安裝時(shí)，我有這樣的體會(huì)：不讓胳膊處于伸直狀態(tài)，讓它處于垂下?tīng)顟B(tài)和軀干上的舵機(jī)連接。如果這樣就會(huì)發(fā)現(xiàn)，剛安裝的胳膊不能夠舉過(guò)頭部，需要重新安裝。因?yàn)閯偛虐惭b的兩個(gè)舵機(jī)發(fā)生了運(yùn)動(dòng)干涉，各個(gè)舵機(jī)具有耦合關(guān)系，雖然兩個(gè)舵機(jī)均處于90°的狀態(tài)，但是安裝以后兩個(gè)舵機(jī)的活動(dòng)空間發(fā)生了變化。 機(jī)器人的初始姿態(tài)是指將各個(gè)舵機(jī)連接在一起時(shí)機(jī)器人所處的姿態(tài)。在將胳膊和大腿與軀干連接時(shí)，舵機(jī)的初始角度都是90°，但是沒(méi)有按初始的姿態(tài)安裝，可能就會(huì)產(chǎn)生某一個(gè)舵機(jī)活動(dòng)干涉，不能完成類人動(dòng)作。 4.2 雙足行走機(jī)器人制作的前期工作 前期我們小組認(rèn)真查閱機(jī)器人的資料，我們分析了機(jī)器人所需的材料后，我們買了如下所需的材料。 （1）雙足行走機(jī)器人最主要的零件就是舵機(jī)，我們?cè)谀暇┵?gòu)買到。如圖4.1所示。 圖4.1 “輝盛”MG945舵機(jī) “輝盛”MG945舵機(jī)參數(shù)如表4.1所示。 表4.1 “輝盛”MG945舵機(jī)參數(shù) 尺寸 重量 速度 扭力 使用電壓 40.8×9.9×37.3mm 56.3g 0.24sec/60度 12kg/cm 4.8V～7.2V （2） 鋁制板是在泰州購(gòu)買到，長(zhǎng)度為1.5m，寬度為0.4m，厚度約為1mm。還有所需若干螺栓螺母。我們還購(gòu)買了若干工具。如尖嘴鉗、銼刀一套。 （3） 雙足行走機(jī)器人的零件是先畫了簡(jiǎn)易的圖紙，去廠里拜訪了工人師傅一起完成了制作，主要是采用了線切割機(jī)進(jìn)行切割，然后在用折彎?rùn)C(jī)精確做成零件。 4.3 機(jī)器人組裝 機(jī)器人的組織是將17臺(tái)舵機(jī)以搭積木的方式搭成人形。機(jī)體大部分是由舵機(jī)組成的，各個(gè)舵機(jī)之間是由一些板金件連接而成，組裝順序按如下7步順序。 （1） 用螺釘先將安裝的配件單個(gè)組裝。 （2） 用螺釘將配件和舵機(jī)組裝在一起，如圖4.1所示。注意在安裝腳部和臂部舵機(jī)時(shí)，首先將舵機(jī)的外殼放在里面，然后將舵機(jī)的數(shù)據(jù)線從配件的側(cè)面方孔穿過(guò)。 圖4.1 小臂 （3） 組裝機(jī)器人的兩個(gè)上肢，每個(gè)上肢有2個(gè)舵機(jī)組成，具有2個(gè)自由度，如圖4.2所示。安裝前將舵機(jī)初始的角度設(shè)定在90°，這樣有利于上肢有擺動(dòng)的余地。因此舵機(jī)最大角度是180°。當(dāng)把安裝角度設(shè)定在90°時(shí)，與配件相配合不會(huì)發(fā)生干涉，能完成一些簡(jiǎn)單的甩大臂和甩小臂等動(dòng)作。 圖4.2 臂部 （4） 組裝機(jī)器人的兩個(gè)下肢，每個(gè)下肢有4個(gè)人舵機(jī)組成，如圖4.3所示。組裝機(jī)器人的軀干，由4個(gè)舵機(jī)組成，控制胳膊前后旋轉(zhuǎn)和大腿左右擺動(dòng)。 圖4.3 腿部 （5） 組裝機(jī)器人的軀干，由4個(gè)舵機(jī)組成，具有4個(gè)自由度如圖4.3所示。安裝前將舵機(jī)初始的角度設(shè)定在90°，在安裝時(shí)，先從一面開(kāi)始安裝，這樣有利于緊固螺釘。此處由于受到空間的限制，操作比較困難，那么在安裝時(shí)一定要注意緊固每個(gè)螺釘。 圖4.3 軀干 （6） 安裝機(jī)器人頭。先將上肢兩個(gè)舵機(jī)和機(jī)器頭舵機(jī)的數(shù)據(jù)放在好，這樣有利于整體布置數(shù)據(jù)。然后用4個(gè)螺釘緊固住。 （7） 組裝成一個(gè)整體，分別將上肢與軀干連接在一起。注意安裝時(shí)，大腿是處于并攏狀態(tài)，胳膊處于伸直狀態(tài)。 在組裝前，首先要有整體的布局，然后再分步組裝。 組裝好了實(shí)物后，此機(jī)器人能簡(jiǎn)單的完成向搖頭、前行走、向后行走、甩大臂和甩小臂燈運(yùn)動(dòng)，但是還不能在有障礙物的地面、不平整的地面上行走走。機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)器人自身的穩(wěn)定性還不怎么好，還需要更好的優(yōu)化結(jié)構(gòu)和選擇更好的材料，使機(jī)器人的穩(wěn)定性更好。 結(jié)束語(yǔ) 兩足機(jī)器人的研制開(kāi)始于本世紀(jì)60年代末，雖然只有四十多年的歷史。然而，兩足機(jī)器人的研究工作進(jìn)展迅速，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者正從事于這一領(lǐng)域的研究，如今已成為機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的主要研究方向之一。 本章首先介紹了兩足行走機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和制作過(guò)程，此雙足行走機(jī)器人能簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)前后運(yùn)動(dòng)，甩大臂，甩小臂等運(yùn)動(dòng)。 在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)進(jìn)行以下研究: 復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn):規(guī)劃出仿人機(jī)器人在快速動(dòng)態(tài)步行中拐彎、乃至跑動(dòng)和起跳的步態(tài)。轉(zhuǎn)彎動(dòng)作的步態(tài)規(guī)劃應(yīng)考慮兩個(gè)垂直平面的禍合作用，還應(yīng)考慮擺動(dòng)腳的沖擊。奔跑時(shí)，由于擺動(dòng)腳離地時(shí)速度較高，所以帶來(lái)的沖擊也比較大，可以考慮采取在腳底板加軟墊以及減小機(jī)器人的質(zhì)心在豎直方向的變化幅度、快慢等措施來(lái)減小沖擊。 本文所提出的機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)幾個(gè)簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)，但考慮到時(shí)間緊促，還不是很完善。比如結(jié)構(gòu)方面還不是非常堅(jiān)固和牢靠，有待進(jìn)行更加完善；在用軟件控制時(shí)，軟件還不是那么穩(wěn)定，有時(shí)會(huì)互相干擾；還有在穩(wěn)定性方面還不是做的很好，還需改進(jìn)設(shè)計(jì)和零件的進(jìn)一步精確等。在實(shí)際制作中，還要根據(jù)實(shí)際情況修改己有的理論。 在這3個(gè)月來(lái)我們小組在知道老師劉老師的指導(dǎo)和幫助下，大家齊心協(xié)力，共同努力，為了同一個(gè)目標(biāo)奮斗。在這之間我學(xué)會(huì)了在團(tuán)隊(duì)里相互合作，使自己得到了鍛煉，我相信會(huì)使我受益匪淺。 致 謝 在即將完成畢業(yè)設(shè)計(jì)階段的學(xué)習(xí)之際，我首先特別感謝導(dǎo)師劉艷老師1年來(lái)對(duì)我的無(wú)限關(guān)懷和悉心指導(dǎo)。尤其在我最需要幫助的時(shí)候，導(dǎo)師給予我方方面面的照顧，使我能夠順利完成學(xué)業(yè)。留言老師嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的工作作風(fēng)、精益求精的治學(xué)態(tài)度、循循善誘的悉心教導(dǎo)，使我受益非淺、能夠?qū)W有所成;不僅學(xué)到了許多知識(shí)，更重要的是學(xué)到了思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的方法及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度。論文研究工作的完成，不僅是我的辛勞付出，同時(shí)也傾注了導(dǎo)師的心血與關(guān)懷。在此向?qū)熈粞岳蠋熤乱灾孕牡母兄x! 同時(shí)感謝所有關(guān)心、愛(ài)護(hù)、和幫助我的老師、同學(xué)和朋友們，感謝一起共同學(xué)習(xí)組友許峰、黃俊、徐昕晏、吳玉坤對(duì)我的幫助。 最后，謹(jǐn)將此文獻(xiàn)給養(yǎng)育我健康成長(zhǎng)的父母，感謝他們多年來(lái)在生活上、精神上、物質(zhì)上給予我的支持、關(guān)心和鼓勵(lì)，謝謝他們的付出和為我所做的一切。 參 考 文 獻(xiàn) [1] 張永學(xué). 雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃及步行控制研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文. 2001. 1～60. 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