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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 I 頁(yè) 共 I 頁(yè)
目 錄
1 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 機(jī)器人的發(fā)展及技術(shù) 1
1.3 兩足機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外研究概況 2
1.4 本課題的主要工作 7
2 雙足機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 8
2.1 引言 8
2.2 兩足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析 8
2.3 機(jī)器人設(shè)計(jì)思路 9
2.4 機(jī)器人設(shè)計(jì)方案 10
2.5 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 12
3 雙足機(jī)器人的具體制作 13
3.1 雙足機(jī)器人的材料選擇 13
3.2 雙足機(jī)器人的零件加工 13
3.3 兩足機(jī)器人的組裝 16
3.4 兩足機(jī)器人相關(guān)數(shù)據(jù) 19
3.5 兩足機(jī)器人總體尺寸 19
3.6 舵機(jī)具體參數(shù) 19
4 課題總結(jié) 20
結(jié)束語(yǔ) 21
致謝 22
參考文獻(xiàn) 23
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 25 頁(yè) 共 23 頁(yè)
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(guó)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。
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(guó)的Consolidated Control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，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(guó)際機(jī)器人會(huì)議在美國(guó)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[1]。
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[2]。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。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[3]。
1.3 兩足機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外研究概況
1.3.1 雙足機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)
首先，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』蛞馔馐鹿适チ诉@種能力，雙足步行技術(shù)的發(fā)展會(huì)促進(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(cè)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、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)?；谏鲜鲈颍菊n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(cè)及控制技術(shù)研制奠定基礎(chǔ)。
1.3.3 國(guó)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(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。
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 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(zhǎng)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(guó)人I·Kato試制了“Wap3”，最大步幅15mm，周期45s。1971年至1986年間，英國(guó)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/s[4]。
加拿大的Tad·McGee主要研究被動(dòng)式兩足機(jī)器人，即在無(wú)任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(wú)任何主動(dòng)控制和能量供給，具有簡(jiǎn)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(guó)BIP2000計(jì)劃是由法國(guó)de mecanique 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(guó)”之稱的日本。其中最具有代表性的研究機(jī)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WAP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13Okg，高0.9m，實(shí)現(xiàn)步幅15cm，每步45s的靜步行；同年又研制出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-10DR雙足機(jī)器人，增加了踝關(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的協(xié)助下用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Meltran 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MeltranⅡ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(Advanced Step 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方式。雙腳步行技術(shù)方面采用了新開發(fā)“I-WALK(Intelligent Real-time Flexible Walk)”。I-WALK是在過去的步行技術(shù)的基礎(chǔ)上組合了新的“預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)控制功能”，它可以實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)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(cè)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 × 2個(gè)自由度、下肢和足部6 × 2個(gè)自由度，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 5×2=10個(gè)，腿部6×2=12個(gè)，獨(dú)立的5個(gè)手指5× 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(Intelligent 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)器人身高154cm，體重58kg。研究人員先請(qǐng)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(guó)內(nèi)研究概況
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)器人方面的研究開發(fā)列入其中。目前我國(guó)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年開始研究雙足步行機(jī)器人[ 5～9 ]，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-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秒每步的步行。目前正在研制的HIT-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。
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-Ⅰ[10～11]，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0.8s每步，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。
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月通過驗(yàn)收的仿人形機(jī)器人BHR-1，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、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(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[12～13]。
1.4 本課題的主要工作
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。在機(jī)器人研究領(lǐng)域處于國(guó)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(wàn)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(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)分析
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 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，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)[10])。
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”。
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，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(jiǎn)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?cè)O(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?cè)O(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。
圖2.2 雙足步行機(jī)器人模型
圖2.2雙足機(jī)器人，頭部?jī)H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2.6 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(jiǎn)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 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?rùn)C(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(jiǎn)稱WEDM）是在電火花加工基礎(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(jiǎn)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。
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(jiǎn)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]。
3.2.3 折彎?rùn)C(jī)的相關(guān)簡(jiǎn)單介紹
圖3.4是折彎?rùn)C(jī)機(jī)床，圖3.5是折彎?rùn)C(jī)刀口。
圖3.4 折彎?rùn)C(jī)機(jī)床 3.5 折彎?rùn)C(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M3×11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)。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)
兩足機(jī)器人所有零部件清單，如表3.1。
表3.1 零部件清單
名稱 型號(hào) 數(shù)量
舵機(jī) 12（N×m） 17
鋁制零件 42
螺栓螺帽 M3×11(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×寬mm）
總體 385×242
手臂 175×50
腿部 185×40
腳 64×20
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
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(gòu)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?cè)诓牧线x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(yǔ)
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(gòu)買和加工、以及進(jìn)行機(jī)器人的組裝等的全過程，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(qǐng)各位老師給予指正和教導(dǎo)，本人表示深深的謝意。
致 謝
首先，我要感謝的是指導(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(chéng)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！
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(wàn)事如意！
參 考 文 獻(xiàn)
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