兩足行走機(jī)器人

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1、但目前還處于實(shí)驗(yàn)室探索階段 [1] 1緒論 1.1引言 目前，機(jī)器人已形成一個(gè)不同技術(shù)層次、應(yīng)用于多種環(huán)境的“龐大”家族，從天 上到地下，從陸地到海洋到處都可以看到機(jī)器人的身影。世界著名機(jī)器人專家，日本 早稻田大學(xué)的加藤一郎教授曾經(jīng)指出“機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有的最大的特征之一是步行功 能”。步行機(jī)器人的研究涉及到多門學(xué)科的交叉融合，如仿生學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、控制理論 與工程學(xué)、電子工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)及傳感器信息融合等。仿人形機(jī)器人正成為機(jī)器 人研究中的一個(gè)熱點(diǎn)，其研究水平，在一定程度上代表了一個(gè)國家的高科技發(fā)展水平 和綜合實(shí)力。研究仿人形雙足步行機(jī)器人，除了具有重要的學(xué)術(shù)意義，還有現(xiàn)實(shí)的應(yīng) 用價(jià)值。

2、. 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 究開始出現(xiàn)。60年代美國的Consolidated Control 公司研制出第一臺(tái)機(jī)器人樣機(jī)， 并成立了 Un imation公司，定型生產(chǎn)了 Uni mate機(jī)器人。20世紀(jì)70年代以來，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)科。1970年，第一次國際機(jī)器人 會(huì)議在美國舉行。經(jīng)過幾十年的發(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

3、 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)象的簡單信息，通過計(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

4、的研究重點(diǎn)， 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 防建設(shè)等方面發(fā)揮巨大作用?？梢灶A(yù)見到，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 ⑵。機(jī)器人充分 體現(xiàn)了人和機(jī)器的各自特長，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

5、必然。目前，機(jī)器人及其自動(dòng)化成套裝備己成為國內(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，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。 人們普遍認(rèn)為，機(jī)器人技術(shù)將成為緊隨計(jì)算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后的又一次重大的技 術(shù)革命，它很可能將世界推向科學(xué)技術(shù)的新時(shí)代 ⑶0 1.3 兩足機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)及國內(nèi)外研究概況 1.3.1 雙足機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn) 首先

6、，雙足步行的移動(dòng)方式在地面不平整或其它惡劣條件下 （如充滿障礙物）比其 他方式要靈活得多，具有更好的機(jī)動(dòng)性。研究仿人形雙足步行機(jī)器人，以代替人類在 核電站、太空、海底及其它危害人類身心健康的復(fù)雜極端環(huán)境中工作，將大大拓展人 類的活動(dòng)空間。 其次，雙足步行機(jī)器人的步行系統(tǒng)是一個(gè)內(nèi)在的不穩(wěn)定系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)特性非常 復(fù)雜，具有多變量、強(qiáng)耦合、非線性和變結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。因此，它是控制理論和控制工 程領(lǐng)域的一個(gè)極好的研究對(duì)象，開展雙足步行技術(shù)的研究，必然推動(dòng)控制理論的發(fā)展 和控制技術(shù)的進(jìn)步。 再次，步行是人類的一種基本活動(dòng)能力，但有相當(dāng)數(shù)量的人因?yàn)榧膊』蛞馔馐鹿?失去了這種能力，雙足步行技術(shù)的發(fā)展會(huì)促

7、進(jìn)動(dòng)力型假肢的研制，將有可能解決截癱 病人和小兒麻痹癥患者的行走問題，為康復(fù)醫(yī)學(xué)做出貢獻(xiàn)。對(duì)機(jī)器人雙足動(dòng)態(tài)行走機(jī) 理的深入研究也使我們更深刻地理解人類活動(dòng)的內(nèi)在本質(zhì)， 有助于生物醫(yī)學(xué)工程和體 育運(yùn)動(dòng)科學(xué)的發(fā)展。 1.3.2 雙足機(jī)器人的步態(tài)特點(diǎn)及研究意義 步態(tài)規(guī)劃是雙足機(jī)器人失衡檢測與控制的基礎(chǔ)及預(yù)備性工作， 也是雙足步行機(jī)器 人的一項(xiàng)重要內(nèi)容。所謂的步態(tài)，是指在步行過程中，步行本體的身體各部位在時(shí)序 和空間上的一種協(xié)調(diào)關(guān)系；步態(tài)規(guī)劃就是給出機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置與時(shí)間的關(guān)系，是雙 足步行機(jī)器人研制中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，也是難點(diǎn)之一。步態(tài)規(guī)劃的好壞將直接影響到 雙足步行機(jī)器人的行走穩(wěn)定性、

8、美觀性以及各關(guān)節(jié)所需驅(qū)動(dòng)力矩的大小等多個(gè)方面， 已經(jīng)成為雙足步行機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?；谏鲜鲈?，本課題擬進(jìn)行雙足機(jī)器人 步行穩(wěn)定性研究，研制具有高度穩(wěn)定性的雙足步行機(jī)器人平臺(tái)，為進(jìn)一步的行走機(jī)器 人失衡檢測及控制技術(shù)研制奠定基礎(chǔ)。 1.3.3 國外研究概況 雙足機(jī)器人的研制開始于上世紀(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。 步行的穩(wěn)定性是兩足機(jī)器人的難點(diǎn)和關(guān)鍵，南斯拉夫?qū)W者M(jìn)emoirVakobrativitch 于1969年提出的ZMP(Zero Moment

9、Point)理論較好地解決了動(dòng)態(tài)步行穩(wěn)定性判斷問 題。ZMP點(diǎn)，即零力矩點(diǎn)，是雙足機(jī)器人所受重力、慣性力及地面反力三者合力矢的 延長線與地面的交點(diǎn)。雙足機(jī)器人一只腳著地時(shí)， ZMP點(diǎn)必須落在腳掌的范圍內(nèi)；雙 腳著地時(shí)，則位于兩只腳掌形成的凸多邊形內(nèi)。在 ZMP點(diǎn)，機(jī)器人所受的側(cè)向力和力 矩都為零。 1971年，英國人I ? Kato試制了“ Wap3,最大步幅15mm周期45s。1971年至 1986年間，英國牛津大學(xué)的Wit等人制造并完善了一個(gè)兩足步行機(jī)器人， 該機(jī)器人能 在平地上行走良好，步速達(dá)到 0.23m/s⑷。 加拿大的Tad ? McGee主要研究被動(dòng)式兩足機(jī)器人，即在無任

10、何外界輸入的情況 下，靠重力和慣性力實(shí)現(xiàn)步行運(yùn)動(dòng)。1989年，他建立了平面型的兩足步行機(jī)構(gòu)，兩腿 為直桿機(jī)構(gòu)，沒有膝關(guān)節(jié)，每條腿各由一個(gè)小電機(jī)來控制腿的伸縮，無任何主動(dòng)控制 和能量供給，具有簡單二級(jí)針擺特征，放在斜坡上，可依靠重力，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)步行。 法國 BIP2000 計(jì)劃是由法國 de meca nique des Soloders de Poiters 實(shí)驗(yàn)室和 INRIA機(jī)構(gòu)合作的一個(gè)項(xiàng)目。其目的是建立一套可以適應(yīng)未知條件行走的兩足機(jī)器人 系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)具有15個(gè)自由度的雙足步行機(jī)器人(只有軀干和腿)。 現(xiàn)代機(jī)器人發(fā)展最迅速的是有“機(jī)器人王國”之稱的日本。其中最具有代表性的 研究機(jī)

11、構(gòu)有：加藤實(shí)驗(yàn)室、日本早稻田大學(xué)、日本東京大學(xué)、日本東京理工學(xué)院、日 本機(jī)械學(xué)院、松下電工、本田公司和索尼公司等。 日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授于 1968年率先展開了雙足步行機(jī)器人的研制工 作，并先后研制出WA系列樣機(jī)。1969年研制出WAP-1平面自由度步行機(jī)器人，該機(jī) 器人具有六個(gè)自由度，每條腿有髖、膝、踝三個(gè)關(guān)節(jié)；關(guān)節(jié)處使用人造橡膠肌肉，通 過充氣、排氣引起肌肉收縮，肌肉的收縮牽引關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)步行。 1971年，研制 出WAP-3型雙足機(jī)器人，仍采用人工肌肉，具有 11個(gè)自由度，能在平地、斜坡和階 梯上行走；該機(jī)器人重130kg高0.9m,實(shí)現(xiàn)步幅15cm每步45s的靜步行；同

12、年又 研制出WL-5雙足步行機(jī)器人，該機(jī)器人采用液壓驅(qū)動(dòng)，具有 11個(gè)自由度，下肢作三 維運(yùn)動(dòng)，上軀體左右擺動(dòng)以實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人重心的左右移動(dòng)。 1973年，在WAP-5的基 礎(chǔ)上配置機(jī)械手及人工視覺、聽覺等裝置組成自主式機(jī)器人 WAROT-1 1980年，推 出WL-9DR雙足機(jī)器人，該機(jī)器人采用預(yù)先設(shè)計(jì)步行方式的程序控制方法，通過對(duì)步 行運(yùn)動(dòng)的分析及重復(fù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)步態(tài)軌跡，用設(shè)計(jì)出的步態(tài)控制機(jī)器人的步行運(yùn)動(dòng)，該 機(jī)器人采用了以單腳支撐期為靜態(tài)，雙腳切換期為動(dòng)態(tài)的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步行方案，實(shí)現(xiàn)了步 幅45cm每步9s的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步行。1984年，研制出采用踝關(guān)節(jié)力矩控制的 WL-10D取 足機(jī)器人，增加

13、了踝關(guān)節(jié)力矩控制，將一個(gè)步行周期分為單腳支撐期和轉(zhuǎn)換期。 1986 年，又成功研制了 WL-12(R)雙足機(jī)器人，該機(jī)器人通過軀體運(yùn)動(dòng)來補(bǔ)償下肢的任意 運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了步行周期1.3s，步幅30cm的平地動(dòng)態(tài)步行。 日本東京大學(xué)的Jouhou System Kougaka實(shí)驗(yàn)室研制了 H5 H6型仿人型雙足步 行機(jī)器人。該機(jī)器人總共有30個(gè)自由度，其中在H5型的步態(tài)規(guī)劃設(shè)計(jì)中充分考慮了 動(dòng)態(tài)平衡條件，采用遺傳算法來實(shí)現(xiàn)上體的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)以補(bǔ)償 ZMP軌跡的跟蹤，上體運(yùn) 動(dòng)的軌跡用三次樣條插值來實(shí)現(xiàn)。在 H5雙足機(jī)器人的頭部安裝有兩個(gè) CCD彩色攝像 頭，可以定位前面的物體并能夠在 CCD勺協(xié)助下

14、用7自由度的手來抓取的目的。 日本機(jī)械學(xué)院的S - Kajita等針對(duì)一臺(tái)具有4臺(tái)前向驅(qū)動(dòng)電機(jī)且全部安裝在機(jī)器 人的上體的五連桿平面型雙足步行機(jī)器人 Meltra n I，研究其動(dòng)態(tài)行走的控制方法。 他根據(jù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)質(zhì)量幾乎完全集中在上體的事實(shí)，為使雙足步行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、 周期性的動(dòng)態(tài)行走，對(duì)機(jī)器人上體采用了約束控制方法，提出了一種理想的線性倒立 擺模型。同時(shí)又提出了機(jī)構(gòu)軌道能量守恒的概念，來求解各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡及輸入力 矩，實(shí)現(xiàn)了在已知不平整地面上的穩(wěn)定動(dòng)態(tài)步行。1996年他們又在此樣機(jī)的基礎(chǔ)上加 載了超聲波視覺傳感器以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)提供地面信息的功能。 將視覺傳感器系統(tǒng)與針對(duì)線 性倒立擺

15、所提出的控制模式相結(jié)合構(gòu)成自適應(yīng)步態(tài)控制系統(tǒng)，使 Meltran U成功地實(shí) 現(xiàn)了在未知路面上的動(dòng)態(tài)行走。 代表雙足步行機(jī)器人和擬人機(jī)器人研究最高水平的是本田公司和索尼公司。 他們 代表了當(dāng)今兩足步行機(jī)器人和擬人型機(jī)器人發(fā)展的最高水平。本田公司從 1986年至 今己經(jīng)推出了 P系列1, 2, 3型機(jī)器人。并且于2000年11月20日，推出了新型雙 足步行機(jī)器人“ ASIMO(AdvancedStep in Innovative Mobility) ”， “ASIMO 和 “ P3' 相比，實(shí)現(xiàn)了小型輕量化，使其更容易適應(yīng)人類的生活空間，通過提高雙腳步行技術(shù) 使其更接近人類的步行

16、方式。雙腳步行技術(shù)方面采用了新開發(fā)“ I-WALK( In tellige nt Real-time Flexible Walk) ”。l-WALK是在過去的步行技術(shù)的基礎(chǔ)上組合了新的“預(yù) 測運(yùn)動(dòng)控制功能”，它可以實(shí)時(shí)預(yù)測以后的動(dòng)作，并且據(jù)此事先移動(dòng)重心來改變步調(diào)。 過去由于不能進(jìn)行預(yù)測運(yùn)動(dòng)控制，當(dāng)從直行改為轉(zhuǎn)彎時(shí)，必須先停止直行動(dòng)作后才可 以轉(zhuǎn)彎。 索尼公司于2000年11月21日在四足娛樂機(jī)器人AIBO的基礎(chǔ)上推出了人形娛樂 型機(jī)器人SDR-3X(Sony Dream Robot-3X)。SDR-3X頭部2個(gè)自由度、軀干2個(gè)自由 度、手臂4 X 2個(gè)自由度、下肢和足部6 X 2個(gè)自由度

17、，共計(jì)24個(gè)自由度。2002 年又推出SDR-4X采用64位RISC處理器，64MBDRAM共有38個(gè)自由度(頭部4個(gè)， 身體2個(gè)，胳膊5 X 2=10個(gè)，腿部6X 2=12個(gè)，獨(dú)立的5個(gè)手指5X 2=10個(gè))。2003 年12月18日，索尼公司通過對(duì)控制系統(tǒng)和 ISA(I ntellige nt Servo Actuator) 的改 進(jìn)、增加輸出力矩等方法，使 QRIO在世界上第一次實(shí)現(xiàn)了兩足步行機(jī)器人的跑動(dòng)， QRIO可以在跑步時(shí)滯空6ms雙腳跳躍時(shí)滯空10ms。 2005年1月12日，由日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的比留川博等人開發(fā)出一臺(tái)取名 “HRP-2雙足擬人機(jī)器人亮相東京。該機(jī)器人身

18、高 154cm,體重58kg。研究人員先 請民間藝術(shù)家跳舞，用特殊攝像機(jī)拍攝后將畫面輸入電腦，并對(duì)手、腳、頭、腰等 32 個(gè)部位的動(dòng)作進(jìn)行解析，然后把有關(guān)解析數(shù)據(jù)輸入給機(jī)器人，最后利用這些數(shù)據(jù)來控 制機(jī)器人手的動(dòng)作和腳步等，使“ HRP-2可以和人一樣動(dòng)作連貫，翩翩起舞。 1.3.4 國內(nèi)研究概況 國內(nèi)雙足步行機(jī)器人的研制工作起步較晚， 我國是從20世紀(jì)80年代開始雙足步 行機(jī)器人領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的。1986年，我國開展了 “七五”機(jī)器人攻關(guān)計(jì)劃，1987 年，我國的“ 863”高技術(shù)計(jì)劃將機(jī)器人方面的研究開發(fā)列入其中。目前我國從事機(jī) 器人研究與應(yīng)用開發(fā)的單位主要是高校和有關(guān)科研院所

19、等。 最初我國進(jìn)行機(jī)器人技術(shù) 研究的主要目的是跟蹤國際先進(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年開始研究雙足步行機(jī)器人[5 “ ]，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秒每步，后來又相繼研制成功了 HIT- U和HIT-叭重42kg,高103cm 有12個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)了步長 24cm 步速2.3秒每 步的步行。目前正在研制的 HIT- W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。 國防科技大學(xué)在1988年春成

20、功地研制了一臺(tái)平面型 6自由度的雙足機(jī)器人KDW- I[10t],它能前進(jìn)、后退和上下樓梯，最大步幅為 40cm步速為4s每步，1989年又 研制出空間型KDWH，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-H的平臺(tái)上增加兩個(gè)垂直關(guān)節(jié)， 發(fā)展成KDWK，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0.8s每步，步長為20c葉22cm最大斜坡角度達(dá)13度。 2000年底在KDW肛的基礎(chǔ)上研制成功我國首臺(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

21、步，高 1.4m，重20kg，有頭、眼、 脖、身軀、雙臂、雙足，且具備一定的語言功能。 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月通過驗(yàn)收的仿人形機(jī)器人 BHR-1,高158cm,重76kg，32個(gè)自

22、由度， 步幅0.33m,步速每小時(shí)1公里。能夠根據(jù)自身力覺、平衡覺等感知機(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，使中國成為繼日 本之后，第二個(gè)研制出無外接電纜行走，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［12?13］。 1.4 本課題的主要工作 本課題源于“第一屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”中兩足行走機(jī)器

23、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。在機(jī)器人研究 領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先水平的日本，推出了諸如舞蹈機(jī)器人等雙足行走機(jī)器人，但成千上 萬的傳感器和復(fù)雜的控制系統(tǒng)使這類機(jī)器人造價(jià)非常昂貴。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)分析 2.1 引言 兩足步行機(jī)器人是研究兩足步行的實(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

24、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 兩足機(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［19］， 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。 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，

25、 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 7X2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)［10］）。 但是，無論現(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 6X 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-川、國防科技大的“先行者”。 2.3 機(jī)器人設(shè)計(jì)思路 由于這個(gè)課題是本校的第一次出現(xiàn)，沒有可以借鑒的資料，

26、所以我們這個(gè)小組通 過各種途徑了解各種兩足機(jī)器人，通過模仿其他設(shè)計(jì)成功的機(jī)器人為設(shè)計(jì)主要思路， 來設(shè)計(jì)我們的兩足步行機(jī)器人，如圖 2.1，是我們這次設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。  圖2.1兩足機(jī)器人的雛形 2.4 機(jī)器人設(shè)計(jì)方案 由于我們要求設(shè)計(jì)的是比較簡單的兩足機(jī)器人， 所以有關(guān)平衡和ZMP等計(jì)算全部 省略，我們設(shè)計(jì)時(shí)候盡量把兩足機(jī)器人整體高度設(shè)計(jì)的盡量的矮一點(diǎn)，兩面設(shè)計(jì)的對(duì) 稱，腳設(shè)計(jì)盡量的大一點(diǎn)，以此達(dá)到兩足步行機(jī)器人的平衡。 通過上面所述和查閱相關(guān)兩足機(jī)器人行走的視屏，我們設(shè)計(jì)了一個(gè) 17自由度的 雙足步行機(jī)器人模型，如圖2.2所示。顯示的結(jié)構(gòu)特征就是采用多關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。動(dòng)力 源采用

27、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)源全為干電池，便于集中控制和程序化控制。 £ MM 圖2.2 雙足步行機(jī)器人模型 圖2.2雙足機(jī)器人，頭部僅一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，它和身體相連接（圖2.3）。肩關(guān)節(jié)、 大臂和小臂各一個(gè)自由度（圖2.4，圖2.5），髖關(guān)節(jié)一個(gè)自由度，大腿（圖 2.6，圖 2.7） 2個(gè)自由度，小腿和腳步各一個(gè)自由度。各個(gè)關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍理論上是180度（由 于零件之間互相干涉，關(guān)節(jié)之間活動(dòng)范圍以實(shí)際為準(zhǔn)）。 圖2.3 機(jī)器人頭部和身體 圖2.4 機(jī)器人左手臂圖 圖2.5 機(jī)器人右手臂 圖2

28、.6 機(jī)器人左腿 圖2.7 機(jī)器人左腿 雙足步行機(jī)器人的一個(gè)主要問題就是雙足動(dòng)態(tài)步行的固有不穩(wěn)定性。 為了使其穩(wěn) 定行走，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。 2.5 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 由于此次設(shè)計(jì)的兩足步行機(jī)器人只是達(dá)到簡單運(yùn)動(dòng)， 而且為了使兩足步行機(jī)器人 行走穩(wěn)定，所以對(duì)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度和配合都需要比較精確的控制，所以 所有的驅(qū)動(dòng)都是由舵機(jī)來完成如圖 2.8。 圖2.8 舵機(jī) 3

29、雙足機(jī)器人的具體制作 3.1 雙足機(jī)器人的材料選擇 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 （LY12），這種材料重量輕、硬度高，強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通鋁合金。 3.2 雙足機(jī)器人的零件加工 3.2.1 加工機(jī)器的選擇 （1） 由于選擇的是質(zhì)量輕，高剛度的鋁合金板，厚度只有 1mm所以選擇最佳 的加工方法是電火花線切割加工。 （2） 各個(gè)鋁板加工好以后，需要精確折彎，所以選擇折彎機(jī)來進(jìn)行折彎。 3.2.2 線切割的相關(guān)介紹 （1）概述 電火花線切割加工（Wire Cut Electrical Discharge Machining ，簡稱 WED） 是

30、在電火花加工基礎(chǔ)上，于20世紀(jì)50年代末最早在前蘇聯(lián)發(fā)展起來的一種新的工藝 形式，它是利用絲狀電極（鉬絲或銅絲，見圖 3.1 ）靠火花放電對(duì)工件進(jìn)行切割，簡 稱線切割。 圖3.1 鉬絲 （2）加工原理、特點(diǎn)及應(yīng)用 電火花線切割加工的基本原理(如圖 3.2 )是利用快速移動(dòng)的電極絲，對(duì)工件進(jìn) 行脈沖火花放電，腐蝕工件表面，使工件材料局部熔化和氣化，從而達(dá)到切割工件， 去除材料的目的。 導(dǎo)輪 圖3.2 電火花加工原理圖 電火花線切割加工屬于特種加工。它與傳統(tǒng)的機(jī)械加工相比，有如下優(yōu)點(diǎn)： (a) 非接觸式，適合高硬度難切削材料的加工。 (b) 十分適合復(fù)雜形孔及外形

31、的加工。 (c) 切縫細(xì)，節(jié)省寶貴的金屬材料。 (d) 加工的尺寸精度高，表面粗糙度好。 (e) 易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。 (f) 加工的殘余應(yīng)力較小。 電火花線切割加工也有它的局限性。這主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： (a) 僅限于金屬等導(dǎo)電材料的加工。 (b) 加工速度較慢，生產(chǎn)效率較低。 (c) 存在電極損耗和二次放電。 (d) 最小角部半徑有限制。 (3) 線切割機(jī)床簡介 一臺(tái)普通的線切割機(jī)床的結(jié)構(gòu)組成如圖 3.3所示。它總體上由主機(jī)，脈沖電源， 數(shù)控系統(tǒng)三部分組成。此外，機(jī)床的主機(jī)部分還附加了工作液循環(huán)系統(tǒng)。主機(jī)由床身、 工作臺(tái)、運(yùn)絲機(jī)構(gòu)、絲架和工作液系統(tǒng)等組成，是機(jī)床的主

32、要部分。脈沖電源又稱高 頻電源，其作用是把普通的50HZ交流電轉(zhuǎn)換成高頻單向脈沖電壓。數(shù)控系統(tǒng)以電腦 為核心，用程序?qū)崿F(xiàn)電極絲放電加工全過程的實(shí)時(shí)控制。 圖3.3 線切割機(jī)床 (4) 線切割程序編制 線切割編程涵蓋了切割圖形、切割路徑及切割次數(shù)等工藝信息。線切割程序有著 標(biāo)準(zhǔn)的指令格式。常用的有兩種：G 指令和3B指令，可根據(jù)實(shí)際需要來選擇。 如今的線切割機(jī)床都帶有自動(dòng)編程功能， 即操作者只需將要切割的圖形在機(jī)器繪 制出來并存盤，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)分析并生成加工程序，避免的煩瑣的手工編程，所以兩足 機(jī)器人的所有零件都是由線切割機(jī)床自動(dòng)編程[14] o 3.2.3 折彎機(jī)的相關(guān)簡單介紹

33、 圖3.4是折彎機(jī)機(jī)床，圖3.5是折彎機(jī)刀口。 圖3.4 折彎機(jī)機(jī)床 3.5 折彎機(jī)刀口 3.3 兩足機(jī)器人的組裝 3.3.1 舵機(jī)和部分配件的組裝 用M3X 11的螺栓將配件和舵機(jī)組裝在一起，如圖 3.4所示。注意在安裝舵機(jī)時(shí) 候，首先將螺栓放入側(cè)面的孔中，然后通過四個(gè)螺栓緊固舵機(jī)。數(shù)據(jù)線從鋁板側(cè)面的 方孔穿過，這樣安裝才不損壞數(shù)據(jù)線和舵機(jī)外殼。 圖3.4 舵機(jī)和配件組裝 3.3.2 兩足步行機(jī)器人的兩個(gè)上肢的組裝 兩足機(jī)器人每只上肢由兩個(gè)舵機(jī)組成，具有兩個(gè)自由度。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 1

34、80°。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，可以順利的完成一些指定動(dòng)作， 如圖3.5所示。 圖3.5 機(jī)器人兩上肢 3.3.3 兩足機(jī)器人軀干的組裝 軀干由四個(gè)舵機(jī)組成，具有四個(gè)自由度，控制胳膊前后旋轉(zhuǎn)兩個(gè)，控制大腿左右 擺動(dòng)兩個(gè)。安裝前還是將舵機(jī)初始的角度設(shè)定在 90。，配件由螺栓固定，為了美觀, 螺栓均放在里面，由于受到空間限制，操作比較困難，但是安裝時(shí)候一定要注意每個(gè) 螺栓必須緊固牢靠，防止松動(dòng)，如圖 3.6。 圖3.6 機(jī)器人軀干 3.3.4 兩足機(jī)器人腿部的組裝 兩足機(jī)器人腿部是最為重要的，所以安裝時(shí)候得更加小心仔細(xì)。

35、每個(gè)下肢由四個(gè) 舵機(jī)組成，具有四個(gè)自由度，安裝前舵機(jī)還是將初始角度設(shè)置在 90。，另外安裝時(shí)候 注意兩個(gè)腿之間的干涉，如圖3.7。 圖3.7 機(jī)器人左腿 3.3.5兩足機(jī)器人頭部的安裝 兩足機(jī)器人頭部安裝比較容易，直接將頭部用螺絲緊固在舵機(jī)上就可以了，如圖 表3.1 零部件清單 3.8 圖3.8 機(jī)器人頭部 如圖3.9 , 3.10所示，是兩足步行機(jī)器人的總裝圖，是將 17臺(tái)舵機(jī)以積木的方 式搭成人形的。機(jī)體大部分是由舵機(jī)組成的，各個(gè)舵機(jī)是由一些鋁合金件連接而成[15] 圖3.9 機(jī)器人總裝圖 圖3.10機(jī)器人總裝圖 3.4 兩足機(jī)器人相關(guān)數(shù)據(jù)

36、 名稱 型號(hào) 數(shù)量 舵機(jī) 12 (NX m) 17 鋁制零件 42 螺栓螺帽 M3X 11(mm) 145 3.5兩足機(jī)器人總體尺寸 兩足機(jī)器人的相關(guān)尺寸，如表 3.2 表3.2總體尺寸 名稱 尺寸（高X寬 mm） 總體 385X242 手臂 175X 50 腿部 185X 40 腳 64 X 20 3.6舵機(jī)具體參數(shù) 舵機(jī)的相關(guān)參數(shù)，如表3.3 表3.3舵機(jī)參數(shù) 尺寸 重量 速度 扭力 使用電壓 40.8*19.9*37.3mm 56.3g 0.24sec/60 度 12公斤/厘米 4.8V ?7.2V

37、 4課題總結(jié) 在過去的三個(gè)月里，經(jīng)歷了機(jī)器人總體方案的研究和選擇，材料的購買和加工， 到最后的組裝和調(diào)試，遇到了很多的困難。 我們總結(jié)了小組的不足，希望給下屆師弟師妹，例如： （1）何選擇一個(gè)好的可行 的總體制作方案。我們的設(shè)計(jì)方案是依靠網(wǎng)上做好的機(jī)器人為模板，進(jìn)行模仿，希望 下屆能夠設(shè)計(jì)出自己開發(fā)的機(jī)器人。（2）材料如何選擇。我們在材料選擇時(shí)，試驗(yàn)了 很多的材料，如塑料，鋁板，不銹鋼，等等，但是由于要求強(qiáng)度高，剛度高，質(zhì)量要 輕，所以選擇了鋁板。但是，鋁板相對(duì)較軟，在線切割時(shí)候很容易使鉬絲斷掉，所以 給加工帶來了很多不便，希望能找到更好的材料。 （3）材料組裝時(shí)候的問題。由于理

38、 想和現(xiàn)實(shí)存在著差異，所以當(dāng)材料加工出來進(jìn)行組裝時(shí)，出現(xiàn)很多問題，由于當(dāng)時(shí)設(shè) 計(jì)盡量緊湊，以降低重心，但是在組裝時(shí)候，出現(xiàn)了很多的干涉，裝螺母螺帽的時(shí)候 由于結(jié)構(gòu)間隙太小，安裝比較麻煩，所以希望下屆在總體設(shè)計(jì)時(shí)，在保證緊湊的同時(shí), 要留出一定間隙保證不干涉和足夠的安裝間隙。 以上就是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中本人所遇到的典型問題， 希望給下屆的畢業(yè)設(shè)計(jì)帶來啟 發(fā)。同時(shí)，希望下屆的師弟師妹能夠把這個(gè)課題做的更好。 結(jié)束語 本論文是關(guān)于兩足機(jī)器人行走結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)。從了解各式各樣的兩足機(jī)器人開 始，到分析選擇總體方案、繪制立體圖和平面圖、材料的選擇、配件的購買和加工、 以及進(jìn)行機(jī)器人的組裝等

39、的全過程，是對(duì)我所學(xué)四年知識(shí)的一個(gè)綜合檢查，也是對(duì)我 獨(dú)立思考和解決問題的一次考驗(yàn)。盡管我的設(shè)計(jì)還有很多不足的地方，需要改進(jìn)的地 方還很多，但我相信：只要我們不懈的努力，繼續(xù)加以改進(jìn)設(shè)計(jì)，總結(jié)這次的經(jīng)驗(yàn)和 教訓(xùn)，給下屆留下寶貴的經(jīng)驗(yàn)，我想他們一定會(huì)做的更好。 通過這3個(gè)月的設(shè)計(jì)，使我對(duì)自己所學(xué)的知識(shí)有了更深入了解；在指導(dǎo)老師幫助 下，通過收集各種有關(guān)資料所解決的畢業(yè)設(shè)計(jì)問題，為我即將走上工作崗位，獨(dú)自去 面對(duì)各種挑戰(zhàn)，出色地完成工作任務(wù)打下了一定的基礎(chǔ)。 由于本人水平有限，經(jīng)驗(yàn)少。文中定有許多不妥甚至錯(cuò)誤之處，請各位老師給予 指正和教導(dǎo)，本人表示深深的謝意 首先，我要感謝的是指

40、導(dǎo)老師龔光榮教授和劉艷老師，在他們的悉心指導(dǎo)下，我 順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)與制作的這段時(shí)間里，他們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，平易近人的 生活作風(fēng)，孜孜不倦的育人精神，給我留下了深刻的印象。 從今年3月初到6月底，經(jīng)過外文翻譯，開題報(bào)告，進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，到完成畢業(yè) 論文，一步一步都離不開劉老師的悉心指導(dǎo)。在課題進(jìn)行期間，老師對(duì)我的課題方向 的了解深度與研究深度，嚴(yán)謹(jǐn)而一絲不茍的治學(xué)態(tài)度，平和而循循善誘的教學(xué)態(tài)度， 不僅在學(xué)術(shù)課題上給我很深的指導(dǎo)，更是讓我了解了很多為人做研究的道理，使我受 益匪淺。在此對(duì)劉艷老師表達(dá)我最誠摯的感謝，感謝這幾個(gè)月來對(duì)我的巨大幫助。并 祝劉艷老師在今后教學(xué)研究中取得更大的成就

41、！ 其次，還要感謝一直努力工作的其他隊(duì)友：吳玉坤、徐超、黃俊、徐昕晏 最后感謝各位評(píng)審老師，能夠在百忙中抽出時(shí)間，對(duì)畢業(yè)論文提出意見，非常感 謝你們的指導(dǎo)！祝你們身體健康，萬事如意！ [1] 周遠(yuǎn)清，張?jiān)倥d等編著?智能機(jī)器人系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1989. [2] 蔣新松主編.機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1994. [3] 方建軍，何廣平.智能機(jī)器人[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004. [4] 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. ⑸ 劉志遠(yuǎn).兩足機(jī)器人動(dòng)態(tài)行走研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)

42、博士論文.1991. [6] 劉志遠(yuǎn)，戴紹安，裴潤，張栓，傅佩深.零力矩點(diǎn)與兩足機(jī)器人動(dòng)態(tài)行走穩(wěn)定 性的關(guān)系[N].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).1994. [7] 紀(jì)軍紅.HIT- U雙足步行機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士論文， 2000. [8] 麻亮，紀(jì)軍紅，強(qiáng)文義，傅佩深.基于力矩傳感器的雙足機(jī)器人在線模糊步態(tài) 調(diào)整器設(shè)計(jì)[R]. 2000. [9] 竺長安.兩足步行機(jī)器人系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)控制[D].國防科技大學(xué)博士論 文.1992. [10] 馬宏緒.兩足步行機(jī)器人動(dòng)態(tài)步行研究[D].國防科技大學(xué)博士論文.1995. [11] 包志軍.仿人型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性研究[D].上海交通大學(xué)博士論文.2000. [12] 孫富春，朱紀(jì)洪，劉國棟等.機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論-分析、系統(tǒng)及應(yīng)用[M].北京:電子 工業(yè)出版社，2004. [13] 柳洪義，宋偉剛.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2002 [14] 劉晉春，白基成，郭永豐.特種加工[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.3. [15] 解侖，王志良，李華俊.雙足步行機(jī)器人制作技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社， 2008.4.