兩足行走機(jī)器人——臂部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)

兩足行走機(jī)器人——臂部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì),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) 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(zhuān)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(lèi)，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(lèi)的活動(dòng)領(lǐng)域；希望更多得了解和掌握人類(lèi)得步行特性，并利用這些特性為人類(lèi)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。科學(xué)工作者也一直將實(shí)現(xiàn)類(lèi)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(lèi)人機(jī)器人研究的前奏，是實(shí)現(xiàn)類(lèi)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(zhuān)門(mén)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(lèi)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(chēng)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(lèi)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(mén)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(zhuān)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(mǎn)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(chē)，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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)自身的模仿，但是人類(lèi)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(lèi)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(lèi): （1）靜態(tài)機(jī)器人，這類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)機(jī)器人沒(méi)有軀干，兩條腿直接鉸鏈在一起。這類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)機(jī)器人可以轉(zhuǎn)彎。在雙足支撐期，這類(lèi)步行機(jī)器人具有6個(gè)冗余自由度。這類(lèi)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(lèi)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(lèi)，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(lèi)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。活塞和剛體采用滑動(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(lèi)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(pán)。多級(jí)的輸出軸和位置反饋電位器是相連的，舵盤(pán)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(lèi)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(lèi)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(chēng)作初始位置（Homeposition）。初始位置是機(jī)器人類(lèi)似于人類(lèi)，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(lèi)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(mǎi)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(mǎi)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(mǎi)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(mǎi)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(huà)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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