综合设计两足步行机器人47741.pptx

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1、LOGO机械课程综合设计机械课程综合设计机械课程综合设计机械课程综合设计两两两两足步行机器人足步行机器人足步行机器人足步行机器人姓名姓名学号学号班班级指指导老老师：设计背景设计背景较强的越障的越障能力，多自由度能力，多自由度稳步步行步步行体体积小、重量小、重量轻、动作灵活作灵活功耗、能耗功耗、能耗小小极限极限环境下代替人工作境下代替人工作业具有广泛的具有广泛的应用前景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足机器人的研制开始于上世纪70年代年代末，末，目前目前认为比比较成熟成熟且广泛被人且广泛被人们认识的主要有的主要有纯机构形式、仿生机构形式和控制学的多机构形式、仿

2、生机构形式和控制学的多关关节等等三种三种。按照移。按照移动方式方式主要分主要分为四四种，分种，分别是：是：轮式、履式、履带式、步行、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移动方式相比，具有无法方式相比，具有无法比比拟的的优越性：越性：设计背景背景 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年年诞生于日本早稻田大学的加藤一生于日本早稻田大学的加藤一郎郎实验室。早稻田大学就研制出的室。早稻田大学就研制出的 WL-1结构上模仿了人体的下肢，通构上模仿了人体的下肢，通过双双腿模腿模拟实验研究出行走的基本参数。后来的研究出行走的基本参数。后来的WL

3、-3通通过电动液液压伺服系伺服系统驱动下肢关下肢关节的运的运动可以基本可以基本实现人的走和坐的人的走和坐的动作。再后来又研制出的作。再后来又研制出的WL-5进一步改一步改进，双腿各具有，双腿各具有 5 个自由度，可以通个自由度，可以通过程序控制它行走方向的改程序控制它行走方向的改变，从此步行机器人一步步逐从此步行机器人一步步逐渐发展起来。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 年年底已底已经推出了推出了P 系列系列1,2,3 型仿人双足步行机器人。型仿人双足步行机器人。P2的的问世将双足步行机世将双足步行机

4、器人的研究工作推向了高潮。其中器人的研究工作推向了高潮。其中P2和和P3都使用了大量的都使用了大量的传感器如陀螺感器如陀螺仪、重力重力传感器、力矩感器、力矩传感器和感器和视觉传感器，基于感器，基于这些些传感器感器实现稳定的定的动态行行走。走。设计背景背景 国内，双足步行机器人的研制工作起步国内，双足步行机器人的研制工作起步较晚，相晚，相继有几所高有几所高校校进行了行了这方面的研究并取得了一定的成果。其中以哈方面的研究并取得了一定的成果。其中以哈尔滨工工业大学和国防科技大学最大学和国防科技大学最为典型。典型。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

5、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足步行机器人具有多关节、多多驱动器、多自由度的特点，其器、多自由度的特点，其自自由度的由度的设置、各关置、各关节的活的活动范范围直直接接影响机器人外在美影响机器人外在美观、行走方式、行走方式、活活动范范围、建模方式、步、建模方式、步态规划划以以及及控制方案等。控制方案等。研究意义：研究意义：那么那么设计一个一个纯机构的两足步行机器人将在很机构的两足步行机器人将在很大程度上大程度上满足足现代代人人类发展需求，一方面可展需求，一方面可实现基基础机械式多机械式多自由度自由度稳步步行，步

6、步行，另一方面另一方面降低能耗、降低能耗、减小体减小体积、延延长使用寿命使用寿命，具有广泛而重要的具有广泛而重要的意意义。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：机构初步机

7、构初步设计思路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：参照人体尺寸机器人高度：参照人体尺寸设计自由度的自由度的设置置：F=6 采用采用电机提供原机提供原动力，力，靠机械机构靠机械机构传递动力力。一个一个两足步行机器人除了两足步行机器人除了满足可向前行走的基本要求，足可向前行走的基本要求，还必必须具有具有一定的一定的稳定性、方便性、安全性。定性、方便性、安全性。针对这些性能要求，些性能要求，进行行了了机器人机器人高度、自由度、各关高度、自由度、各关节活活动范范围、关、关节驱动方式的方式的选择的的讨论和和设计分析。分析。机构选型设计机构选型设计 为建立一个能手足建立一个能手足联动的两足

8、步行机器人，本小的两足步行机器人，本小组采用先采用先设计腿部机构，再腿部机构，再设计一个一个传动机构以机构以驱动手臂的甩手臂的甩动动作的方法，将腿作的方法，将腿部和手臂的机构分开部和手臂的机构分开设计。腿部机构腿部机构设计方案方案方案一、滑方案一、滑块联动机构机构 此此方案的特点是小腿的伸方案的特点是小腿的伸缩转动是由大腿控制的，区是由大腿控制的，区别方案二的方案二的是是小腿大腿没有分开控制，由小腿大腿没有分开控制，由连动控制，另一特点是大腿的伸控制，另一特点是大腿的伸缩又是又是由由大腿的大腿的转动角度控制的，如下角度控制的，如下图：方案一、滑方案一、滑块联动机构机构机器人大小腿机器人大小腿联

9、动控制控制臀部和大腿臀部和大腿连接部分接部分方案一、滑方案一、滑块联动机构机构机器人膝关机器人膝关节机构机构简图 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，大腿，铰链A固固结在在F上，上，用以用以连接接大腿和臀部，大腿和臀部，铰链C和和D固固结在在G上，滑上，滑块B轴心固心固结在在F上，当上，当大大腿腿绕A点逆点逆时针转动时（即大腿（即大腿往前往前伸伸），），CBH变大，此大，此时滑滑块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逆逆时针转动，那么杆，那么杆EDF也也绕点点D转动，此此时F绕点点D顺时针转动，由，由处的的球球形形铰可以控制杆可以控制杆

10、(即小腿即小腿)绕点点逆逆时针转动，实现小腿的往前伸。小腿的往前伸。选型型设计二、采用凸二、采用凸轮机构机构方案二、凸方案二、凸轮机构机构 利用利用凸凸轮的运的运动规律，律，设计凸凸轮轮廓曲廓曲线来来较准确的控制准确的控制机机构构的运的运动路路线，此方案分，此方案分别对大腿和小腿的不同运大腿和小腿的不同运动特点采用特点采用不不同同的凸的凸轮轮廓曲廓曲线，使运，使运动更形象逼真，而凸更形象逼真，而凸轮又靠又靠电机来机来带动，用用这种方法来种方法来实现机器人的行走。以下几机器人的行走。以下几图为此方案的机构此方案的机构简图：方案二、采用凸方案二、采用凸轮机构机构机器人机器人单边腿部的机构腿部的机构

11、简图 该图即即为机器人机器人单边腿部的腿部的机构机构简图，分，分别用了用了2个凸个凸轮机构，机构，4个个滑滑块机构，机构，9个活个活动构件，构件，11个低副，个低副，2个个高副和高副和2个虚个虚约束。束。方案二、采用凸方案二、采用凸轮机构机构机器人臀部机构机器人臀部机构 凸凸轮转动中心、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处圆是是与与凸凸轮相切的相切的圆柱，柱，用来用来控制控制横向滑横向滑块的前的前进和和后退后退，A杆是大腿的杆是大腿的简图，一端插在一端插在B处的的一一个个滑滑块上，同上，同时与与C处的的铰链相接，用以相接，用以固定固定大腿大腿和臀部的和

12、臀部的连接，接，另另一端一端连接小腿接小腿部分。部分。方案二、采用凸方案二、采用凸轮机构机构机器人膝关机器人膝关节的机构的机构简图 横杆横杆G焊接在接在大腿大腿A杆上，用以固定杆上，用以固定凸凸轮和虚和虚线处的横向的横向滑滑杆杆，E杆杆为小腿小腿简图，F处的的铰链用以用以连接接小小腿腿和大腿，使小腿和大腿，使小腿能能绕大腿旋大腿旋转，E杆杆一端一端与与滑滑块连接用以控制接用以控制小小腿腿的的转动角度，另角度，另一端一端连接接脚掌，如下脚掌，如下图：机构机构设计选型型手臂机构手臂机构设计方案方案 由于由于手臂的运手臂的运动过程很程很简单，也不是我，也不是我们的主要研究的主要研究对象，因此象，因此

13、我我们仅设计出一种合适的方案，用以配合腿部的机构出一种合适的方案，用以配合腿部的机构进行仿真，因此手臂机构行仿真，因此手臂机构简图如下：如下：图中中AD杆即杆即为机器人手臂，滑机器人手臂，滑块B的的滑槽滑槽设置在机器人臀部，滑置在机器人臀部，滑块B的的移移动靠臀部靠臀部处的大凸的大凸轮带动，从而使得点从而使得点E绕点点A转动，即手臂，即手臂绕点点A转动，实现了了手臂和腿部运手臂和腿部运动的同的同时性，并且性，并且不会不会出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。设计方案的方案的评价与价与选择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

14、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价与选择腿部方案的腿部方案的评价与价与选择 综合上述机构合上述机构设计方案，本小方案，本小组通通过分析和分析和评价体系价体系对方案方案进行行了了评价与价与选择。设计方案的方案的评价与价与选择腿部方案的腿部方案的评价与价与选择 方案一的方案一的设计思路即思路即让小腿由大腿控制，小腿由大腿控制，产生生连动的效果，的效果，因此方案一充分运用因此方案一充分运用连杆和滑杆和滑块机构，将大腿的机构，将大腿的转动角度角度转化化为控制小腿的主要参数，角度越大小腿弯曲程度越大，即控制小腿的主

15、要参数，角度越大小腿弯曲程度越大，即实现了了大腿和小腿的大腿和小腿的连动，并将小腿的主控参数巧妙的，并将小腿的主控参数巧妙的设置成了角度的置成了角度的变化。其中的一大特点是利用了一个球形化。其中的一大特点是利用了一个球形铰链，能，能够同同时控制小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，关少，从而小腿只有前伸和后退，关键是角度和小腿都是同是角度和小腿都是同时对应的运的运动，不能达到一些复，不能达到一些复杂的的过程（如程（如图一），造成行走很格式一），造成行走很格式僵硬化

16、，不僵硬化，不够贴切切现实人人们的步行特点。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方案的评价与价与选择腿部方案的腿部方案的评价价方案二的步行特点方案二的步行特点 方案二考方案二考虑了方案一的弊端，了方案一的弊端，对各种机构各种机构进行了理行了理论分分析，决定用凸析，决定用凸轮结构来控制大小腿的运构来控制大小腿的运动情况。由于方案一的情况。由于方案一的经验，大小腿的，大小腿的连动必然会必然会导致机器人行走的僵硬化，不致机器人行走的僵硬化，不够真真实，因此就分因此就分别采用采用2个凸个凸轮来来对大小腿大小腿进行控制，由于凸行控制，由于凸轮的运的运动规律特性，可以利用凸律特性，可以利

17、用凸轮的推程、的推程、远修止修止过程、回程、以及近休止程、回程、以及近休止过程与机器人腿部的各个程与机器人腿部的各个过程向程向对应，比如控制小腿，比如控制小腿时，可以将，可以将控制小腿的凸控制小腿的凸轮远休止角与大腿和小腿同休止角与大腿和小腿同时回退的回退的过程相程相对应，这样使得另一只腿部伸出使得另一只腿部伸出时这边的腿部保持直的腿部保持直线，如此往复，就，如此往复，就达到了机器人的往前行走，如下达到了机器人的往前行走，如下图：设计方案的方案的评价与价与选择 对于腿部机构的于腿部机构的设计，通，通过对方案一二的方案一二的综合分析合分析还考考虑，建，建立了立了综合合评价指价指标如下：如下：评价

18、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设计方案的方案的评价与价与选择对以上方案打分如下：以上方案打分如下：方案F1F2F3F4F5评价总分方案一5225519方案二1010521037 综合理合理论分析和分析和评分分结果，果，本小本小组选择了方案二用以控制腿部的运了方案二用以控制腿部的运动。设计方案的方案

19、的评价与价与选择手臂方案的手臂方案的评价与价与选择 如前面所如前面所说，由于手臂的运，由于手臂的运动过程很程很简单，也不是我，也不是我们的的主要研究主要研究对象，因此我象，因此我们仅设计出一种合适的方案，用以配合出一种合适的方案，用以配合腿部的机构腿部的机构进行仿真，此方案如前文所示。行仿真，此方案如前文所示。机构尺寸机构尺寸综合合设计凸凸轮尺寸尺寸设计1.臀部凸臀部凸轮设计 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。（）（）推程角定为推程角定为90

20、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 由于大腿需要在抬高的同由于大腿需要在抬高的同时小腿伸展小腿伸展过程中保持不程中保持不动，所以腿，所以腿需要在空中停留数秒，故采用了大腿凸需要在空中停留数秒，故采用了大腿凸轮的的的的远休止休止过程，此程，此时臀部凸臀部凸轮运运动规律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，即回程角取为回程角取为180度。度。臀部凸臀部凸轮从从动件运件运动规律律

21、设计表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臀部凸轮轮廓曲廓曲线设计又由于凸又由于凸轮是逆是逆时针转的，所以有：的，所以有：得到得到 由于从由于从动件件为滚子从子从动件，分件，分别代入代入 的方程，的方程，则可得到可得到滚子中心子中心B（xB，yB）运）运动轨迹曲迹曲线，并取基，并取基圆半径半径 ，滚子半径子半径为1.5，经计算，推程算，推程h取取5.4 ，同，同时结合合 ，最，最终得到臀部得到臀部凸凸轮轮廓曲廓曲线。臀部凸臀部凸轮轮廓曲廓曲线设计膝关膝关节凸凸轮轮廓曲廓曲线设计运运动规律分析律分析 该凸

22、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，即推程角定为推程角定为90度，那么度，那么 =90，即，即 此此过程及程及为小腿的弯曲小腿的弯曲过程；程；当小腿弯曲一定程度后需要及当小腿弯曲一定程度后需要及时伸展着地，以便另一只脚的运伸展着地，以便另一只脚的运动，故，故小腿弯曲后凸小腿弯曲后凸轮应立即回程，回程角定立即回程，回程角定为90度，故度，故 ，所以回程，所以回程采用等加速运采用等加速运动规律，

23、即：律，即：膝关膝关节凸凸轮轮廓曲廓曲线设计 当脚着地后，另一只脚开始往前走，所以当脚着地后，另一只脚开始往前走，所以这只脚就相只脚就相对往后走，但往后走，但此此时小腿相小腿相对大腿是不大腿是不转动的，只有大腿往后移，所以此的，只有大腿往后移，所以此时小腿小腿应该保持保持原状，因此凸原状，因此凸轮应该处于近休止状于近休止状态，取近休止角，取近休止角为180度，此度，此时：膝关膝关节凸凸轮轮廓曲廓曲线设计方法同前述臀部凸方法同前述臀部凸轮设计方法，由于从方法，由于从动件件为滚子从子从动件，分件，分别代入代入 的方程，得到的方程，得到滚子中心子中心B（xB，YB）运）运动轨迹曲迹曲线，并取基，并取

24、基圆半径半径为6.5，滚子半径子半径1.5，h为4，计算出算出轮廓曲廓曲线上上C的的轨迹方程。迹方程。平面平面连杆机构的尺寸杆机构的尺寸设计手臂平面手臂平面连杆尺寸杆尺寸设计 两足步行机器人的手臂采用以臀部的凸两足步行机器人的手臂采用以臀部的凸轮带动滑滑块移移动，滑，滑块带动平面平面连杆机构杆机构产生生“手臂手臂”的的5联动的方法与两腿的的方法与两腿的动作作协调。手臂的平面。手臂的平面连杆机构如下杆机构如下图所示。所示。根根 据第二章据第二章设计要求与要求与设计数据，成年数据，成年男性上臂男性上臂长约为330mm，不妨，不妨设AD=330mm。同。同时A点点为机器人的肩部，建机器人的肩部，建立

25、以如立以如图为平面的平面的XY坐坐标，那么，那么设A(0,0)。机器人的肩部机器人的肩部A点与点与B点水平距离大点水平距离大约为机机器人的上身器人的上身长，设为550mm。平面平面连杆机构的尺寸杆机构的尺寸设计 当机器人臀部凸当机器人臀部凸轮转动时，B点的滑点的滑块左右滑左右滑动，根据上一，根据上一节的的计算算结果，果，滑滑动距离距离为5.4mm。现在确定在确定B点在凸点在凸轮回程回程结束点、推程中束点、推程中某一点、某一点、远休止点的三个坐休止点的三个坐标分分别是是，其中其中。所。所对应的的AD的的转动角度角度为 因因为EAD是是绕固定点固定点A转动的一个的一个刚体，体，AD的的转动角直接等

26、于角直接等于AE的的转动角。根据所角。根据所要要实现的精确位置的精确位置可以写出位移矩可以写出位移矩阵方程，方程，结合运合运动约束方程，束方程，最最终得到得到2个含有个含有 的的设计方程，解出方程，解出E的第一坐的第一坐标。平面平面连杆机构的尺寸杆机构的尺寸设计最最终求得唯一解求得唯一解杆杆长按照最按照最终求得的尺寸求得的尺寸画出的画出的CAD图尺寸尺寸设计结果果CAD图三三维建模建模过程程大腿建模大腿建模过程程小腿建模小腿建模过程程三三维建模建模过程程脚的建模脚的建模过程程大臂建模大臂建模过程程三三维建模建模过程程三三维造型造型三三维造型造型视频脚部脚部S-t测量量图脚部脚部X方向位移方向位

27、移脚部脚部S-t测量量图脚部脚部Y方向位移方向位移脚部脚部v-t测量量图脚部脚部X和和Y方向速度方向速度脚部脚部a-t测量量图脚部脚部X方向加速度方向加速度脚部脚部a-t测量量图脚部脚部Y方向加速度方向加速度手部手部v-t测量量图手部手部X和和Y方向速度方向速度手部手部a-t测量量图手部手部X方向加速度方向加速度手部手部Y方向加速度方向加速度机构特点机构特点 方案的方案的优点点是利用凸是利用凸轮的运的运动规律，律，设计凸凸轮轮廓曲廓曲线来来较准准 确确的控制机构的运的控制机构的运动路路线，此方案分，此方案分别对大腿和小腿的不同运大腿和小腿的不同运动特点采用特点采用不同的凸不同的凸轮轮廓曲廓曲线，使运，使运动更形象逼真，而凸更形象逼真，而凸轮又靠又靠电机来机来带动，用，用这种方法来种方法来实现机器人的行走。机器人的行走。设计的主要特点是机器人能的主要特点是机器人能够利用利用纯机机械构件械构件实现行走。行走。方案的缺点方案的缺点是大小腿有各自的凸是大小腿有各自的凸轮和和电机机带动，使得自由度增多，使得自由度增多，不便于初始不便于初始调节。LOGOLOGO演讲完毕，谢谢观看！