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机械创新设计课程设计312020年4月19日文档仅供参考机械创新设计课程设计 - 第 2 学期 题 目: 仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构设计 小组成员: 班 级: 指导教师: 成 绩: 日期: 年 6 月 目录摘 要第一章绪 论11.1.前言11.2.二足仿生机器人的概念11.3课题来源21.4设计目的21.5技术要求21.6设计意义31.7设计范围41.8国内外的发展状况和存在的问题41.8.1.国外发展状况41.8.2.国内发展状况81.8.3.存在的问题101.9.具体设计101.9.1.设计指导思想101.9.2.应解决的主要问题101.9.3.本设计采用的研究计算方法101.9.4.技术路线10第二章仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构步态规划122.1引言122.2仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构的步行概念122.3步行过程设定132.4 双足机器人步态稳定性分析152.4.1 步行稳定性判据152.4.2零力矩点定义162.4.3稳定步态的条件172.4.4小结182.5 双足机器人步态规划192.5.1 引言192.5.2 双足机器人步行过程分析192.5.3 髋关节规划202.5.4 髋关节轨迹对ZMP的影响21第三章二足机器人的机构分析233.1四连杆机构的设计233.1.1设计参数233.2 二足机器人主体设计243.2.1腿部的设计243.2.2大腿253.2.3小腿253.2.4脚263.2.5其他辅助连杆26第四章总结274.1.设计小结274.2设计感受274.3课程设计见解27参考文献28谢 辞30摘 要人类社会的发展,各种各样的机器人正渐渐的走进我们的视野,有很多的地方都用到了机器人,在机器人的领域里越来越多的人开始爱好上了机器人。能更好的适应环境和地形是仿生机器人的优点,很多人的工作能够由机器人代替完成,科学价值和实际应用价值是很重要的。类人机器人一直是机器人领域的研究热点,是当前科技发展最活跃的领域之一。它汇集了机械、 电子、通讯、自动控制、仿生等诸多学科最新的研究成果,代表了机电一体化的最高成就,反映了 一个国家智能化和自动化研究的水平。双足行走是类人机器人最基本也是最难实现的功能,因而以实现双足步行为目标的两足步行机器人研究是智能型类人机器人研究的基础。本文以实现仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构为研究目标,对实现此功能的相关技术展开了研究。主要分析了人类行走动作,在自由度配置、步态规划以及稳定性分析的基础上对仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构进行了设计。关键词:仿人二足爬楼梯行走机构,步态规划,机构设计,四杆机构,CATIA第一章 绪 论1.1. 前言步行机器人已经被广泛应用于各个领域,且二足机器人的动作近似人类,更能于现今的工作环境相配合。一般二足机器人可步行于高危险性的工作环境,跨越障碍物,上下楼梯,能补足人类体能的限制,可用于探测、救灾、搬运、服务等行业,或代替肢体残障者的双脚等。此兼具高灵活性及工作稳定的两大特点,在有危险及枯燥频繁的任务环境中扮演不可或缺的角色。此次主要研究目标是二足机器人爬楼梯机构的设计,以及对它的步态的规划。1.2. 二足仿生机器人的概念现阶段,机器人的研究应用领域不断拓宽,其中仿人机器人的 研究和应用受到普遍的关机器人的研究应用领域不断拓宽,其中仿人机器人的 研究和应用受到普遍的关注,并成为智能机器人领域中最活跃的研究热点之一。仿人二足机器人爬楼梯的设计变营运而生。 研究与人类外观特征类似,具有人类智能,灵活性,并能够与人交流,不断适应环境的仿人机器人一直是人类的梦想之一。仿人机器人的研究在很多方面已经取得了突破,如关键的机械单元,基本行走能力,整体运动,动态视觉等,可是离我们理想中的要求还相去甚远,还需要在更为具体的某些行动进行研究,仿人二足机器人爬楼梯设计奖机器人的行动具体到爬楼梯动作上,能够更加适合人类的生活和工作环境,代替人类完成各种作业,能够在很多方面拓展人类的能力,如图所示图1.1 仿生二足机器人1.3课题来源本课题来源于机械创新设计课程的研究课题。之前我们学习了有关机械原理的基本概念,基本理论,以及相关的计算方法,老师带领我们深入浅出的学习了机械方面的知识,使我们了解包括机构结构分析,运动分析,力分析以及动力学分析,对于常见的机构,例如,连杆机构,凸轮机构,齿轮机构的等也有了深入的认知。在王老师开设的机械创新设计课程上我们选择了这个课题,来将学习到的知识付诸于实践。1.4设计目的本设计主要是利用机械原理相关知识合理设计机械腿的相关尺寸及机构来实现爬楼梯的功能。1.5技术要求1.电机的选择和控制原理;2.运动学的分析和仿真;3.连杆机构,传动机构的设计;4.稳定性,重心转移。1.6设计意义双足机器人是一种非常典型的仿人机器人,国外早在60年代末就开始了双足机器人的研究开发。1968年,美国通用公司试制了一台名为”Rig”的操纵型双足机器人,揭开了双足机器人研究的序幕。随着双足机器人在各个领域的应用日趋广泛,各个国家在该领域相继投入巨资开展研究。自20世纪90年代开始,双足机器人的研究已从模仿人类腿部行走发展到全方位拟人阶段,相继诞生了P3,ASIMO等机器人。步行是人类最基本的行为方式,双足机器人具备人类的基本结构,具有类人的步行能力。双足步行机器人在外形上具有人类特征,适合用于人类生活的环境,为人们提供方便,因此具有广阔的市场前景。双足机器人与其它多足机器人相比具有体积较小、重量轻、动作灵活、迅速,而且更接近于人类步行的特点,因此它们对环境有最好的适应性,在日常生活中更具有广泛的应用前景。步行运动是双足机器人实现基本类人动作的关键,能够为仿人机器人的机构设计、优化提供理论指导和技术支持。对双足机器人步态规划进行研究,规划合理的步态并控制机器人稳定的跟踪步态实现稳定的步行运动成为双足机器人技术研究的重点。稳定的步态是双足机器人实现行走功能的基础有了稳定的步态才能显现它的灵活性和更强的适应能力,也才能使机器人其它的很多功能得以实现。另外,技术发展的角度看,步态规划研究会对传统的机械机构、传动方式和控制方法产生一定影响,从而促进仿生学及其它领域的相关研究与应用,能够更多的了解和掌握人类的步行特征,并为人类的服务,如人造假肢。1.7设计范围 一直以来移动型机器人的运动方式大致上包括,轮式,履带式,足式等。履带式爬楼梯的装置原理类似于履带装甲运兵车,原理较为简单,技术也比较成熟,而且传动效率比较高,行走重心波动很小,运动平稳。可是这类装置重量大,运动不够灵活,爬楼梯时在楼梯边缘会造成巨大的压力,对楼梯有一定的损坏,转弯不方便等问题,有很大的限制。轮组式,轮组式爬楼梯装置按轮组中使用小轮的个数可分为两轮式,三轮式,以及四轮式。单轮组式结构稳定性较差,在爬楼梯中需要有人协助才能实现。而双轮组式虽然能实现自主爬楼,但由于其体积庞大且偏重,影响了她的适用范围。步行式,其爬楼梯的执行机构由铰链杆件机构组成。上楼梯时,先将负重抬高,在向前移动,如此重复这过程。步行式爬楼梯装置模仿人类爬楼的动作,符合本组研究课题,因此采用这个方案。步行式爬楼梯装置爬楼梯时运动平稳,适合不同尺寸的楼梯,较为便捷。可是她对操作的要求很高,设计研究很复杂,运动幅度不大,动作缓慢。1.8国内外的发展状况和存在的问题1.8.1.国外发展状况从上世纪60年代开始。各国学者对两足步行机器人从理论和实践上进行了较长时间的研究工作,在理论研究上得丰硕的成果。 1973年,日本加麟一郎从工程角度研制出世界上第一台真正意义上的仿人形机器人 WABOT-1,可用日语与人交流,实现静态行走,可依据命令移动身体去抓取物体。 1986年美籍华人郯元芳博士研制了美国第一台真正意义上的类人双足步行机器人SO-2,实现平地前进和左右侧行;1987年该机器人实现动态步行,在1990年,SD-2能走斜坡。图1.8.1 HONDA 机器人P1,P2,P3经过 研究日本HONDA公司于1996年12月成功研制出第一台取足步行机器凡P1,之后相继推出p2、p3,希望机器人”能与人共存、同人协作,不受用途限制,并能完成一些人所不能完成的任务”,如图LI。P-2是世界上首台无缆自主式两足机器人。P-2型机器人经过陀螺仪、加速度传感器及六个脚底压力倍感器把地面的信息传给机器的控制单元进行判断,进而平衡身体。P-2的出现标志着一个崭新的两足机器时代的到来。 i1月12日HONDA公司开发出代表当今双足步行机器人最高研究水平的ASIMO (Advanced Step in Innovative Mobility),如图1.8.2,高120厘米重52千克,菇34个自由 度,采用Honda自行开发的处理器、Vxwocks操作系统驱动元件采用伺服电机Harmonic减速器、 镣氢电池作为动力源,行走速度O到1.6千米小时,步距可调并采用先进的IWALK技术和预测移动控制技术,实时预测下一个移动动作并提前改变重心, 可完成8宇行走和上下台阶动作。图1.8.2 ASIMO机器人 12月9日日本川田工业和产业技术综合研究所、安川电机以及清水建设公布了能够 在建筑工埴等与工人共同作业的类人型机器HRP-2。HRP-2的外形尺寸为高154cm质量为 58KG,与真人相仿。全身共有32个自由度,具体为62(腿部)+62 (手臂)+2(腰部)+2(头部)+22(手指)=32,能够很均衡地双足步行。HRP-2手臂有6个自由度(肩3,肘1,腕2),工作能力根强,机器人能够与工人一起用”手”抓起建筑材料进行搬运。腰部有2个自由度俯仰自由度是专门为俯身工作设置的。大腿固定在臂部两侧外伸的悬臂上,从而腿部的灵活性增加能够做出走”一字步”和两腿交错行走等步行动作。 HRP-2不论仰卧还是俯卧倒地后都能够自行站起,能够在地面爬行进入较小的工作空间,还能够做敲鼓、跳舞等表演。研究人员先请民间艺术家跳舞,用特殊摄像机拍摄后将画面输入电脑,井对手、脚、头、腰等32个部位的动作进行解析,再把解析数据输给HRP-2,最后利用这些数据来控制HRP-2的手脚等关节动作,从而使得HRP-2能够和人一样动作连贯地翩翩起舞。图1.8.3 HRP-2机器人 9月日本Sony公司推出SDR-4X是当前最先进的小型两足机器人。SDR-4X身高0.5m,体重5kg,具有38个自由度,能够以0.9kmh的速度行走,并能在行走中转身。该机器人可 根据家中环境的变化调节自身行为不但能够识路辨人、存储信息,还可跳舞、唱歌,与人类进行更丰富的交流。 与该公司 底发布的SDR-3X机器人相比,SDR-4X的运动和反应功能有了极大改进。 由于安装了多种传感系统、行为控制软件以及灵活的机械行走装置,牵引其每个关节的小型执行器 的功能均得到改进。新型的综合适应控制系统能够经过各路传感器采集到的信息,对机器人身上的 38个关节进行实时控制,使其在坎坷路面上行走自如。经过姿势平衡系统抵御外界压迫,能根据环境变化调整运动步伐。如前行或拐弯,它的双手各有5只灵活的手指,灵活的关节控制还可使其在自身跌倒时将损害降低到最低程度。另外,SDR-4X的积CCD彩色摄像头可进行影像识别,如判定目标方位,确定接近目标的路线。识别10多个人的脸部特征。除此之外,SDR-4X身上还安装了带有记忆功能的交流和运动控 制系统。经过内置无线局域网。机器人能够与电脑相连接并获取同步数据,识别众多词汇。如果主 人将音乐和歌词输入给它,它就可动情地唱山美妙的歌。若主人经过其内置的软件系统与电脑连接。 设计一系列动作,如舞蹈,机器人还能做出复杂而人性化的动作。图1.8.4 SDR-4X机器人1.8.2.国内发展状况国内在两足步行机器人领域的研究起步较晚,长沙国防科技大学于 11月研制出中国首台两足步行机器人先行者。先行者身高1 .4m,体重20kg,共有17个自由度,能够完成原地扭动、平地前进、后退、左右侧行和左右转弯等动作。 哈尔滨工业大学自1985- 研制出双足步行机器人:HIT-I、HIT-II和HIT-III,HIT-III实现 了步距200毫米的静态/动态步行,最快步行周期为3.2-4秒/步,能够完成前/后、侧行、转弯、上 /下台阶及上斜坡等动作。图1.8.5 HIT-I、HIT-II机器人 北京理工大学于 12月研制出仿人机器人BRI-01,是当前国内最先进的两足步行机器人。机器人高1.6米,重80千克,具有32个自由度,步速1千米/时,步距33厘米;能根据自身的平衡状态和地面高度变化,实现未知路面的稳定行走。清华大学于 4月9日研制出具有自主知识产权的仿人机器人THBIP-I样机。THBIP-I 共32个自由度。实现无缆连续稳定的平地行走、连续上下台阶行走,以及端水、太极拳和点头等动作。图1.8.6 THBIP-I1.8.3.存在的问题 综上所述,国外在这方面的研究已经有100多年的历史了,成果较多,可是大多都结构复杂,造价昂贵,远远超出人民的经济承受能力。 国内的研究相对较晚,虽然也诞生了很多专利,但由于受到体积,重量,稳定性级安全问题还没有产品真正投入使用。1.9.具体设计1.9.1.设计指导思想 面向社会应用需求,基于机械创新设计课程的课题要求,根据之前学习到的机械原理等知识,力求推动大学生设计创新能力,提高机器人应用实际的实际操控力,达到我们机械创新设计的目的。1.9.2.应解决的主要问题1.重心对于机器人行走稳定性的影响,对机体质心及其稳定性;2.二足行走机构的设计;3.两腿之间运动时的协调配合,以及周期的确定;4.运动学分析:建立合理得运动学模型,从而对不同运动阶段进行分析。1.9.3.本设计采用的研究计算方法 本设计主要经过分析仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构步态运动,结合高等代数、机械原理等相关知识以及利用互联网资源对仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构进行合理的分析与设计。1.9.4.技术路线1.收集国内外仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构的相关资料,分析并消化,总结出我们自己的方法;2.仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构的步态规划,选择合适的步态,并稳定性分析,行走步态设计;3.机构设计和运动学分析,绘制仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构的机构原理图;针对运动特征设计相应机构,改进运动机构完成设计。4.根据腿的二维平面设计示意图进行三维设计,并用CATIA软件进行机构行走仿真,动态模拟分析。研究手段研究结果成果集成网上资料查阅收集确定基本思路步态分析查阅机械原理基础知识机构设计仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构动态模拟分析机器人机构可行性分析第二章 仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构步态规划2.1引言步态是指在步行运动过程中,机器人各关节在时间和空间上的一种协调关系。合理的步态规划是机器人稳定步行的基础。步态规划不但是两足机器人实现基本拟人动作的关键,而且能够为两足机器人机构设计与优化提供理论指导。没有行走步态的规划,两足机器人最基本的步行功能也就无从实现,就失去了两足步行机器人灵活性、适应能力强等优势。而拟人机器人的其它功能,也会受到极大的影响。仿人机器人步态规划不但取决于地面条件、下肢结构、控制的难易程度,而且必须满足运动平稳性、速度、机动性和功率等要求。2.2仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构的步行概念为了便于对仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构进行步态规划,首先定义一些有关两足步行的基本概念。步态:在步行运动过程中,机器人各关节运动在时序和空间上的一种协调关系以及机器人相对环境的时空关系。一般由各关节角运动轨迹和质心轨迹来描述。 步距:在步行运动中,机器人左右脚落地位置间的纵向距离。 跨高:摆动腿在摆动过程中脚底离地面的最大距离,用于衡量机器人跨越楼体高度的大小。 步行周期:是指机器人周期性行走过程中,同一只脚顺序两次着地所用的时间。每个周期内左右腿各向前迈步一次,又可分为三个阶段,双脚支撑期、左脚支撑期和右脚支撑期。步速:是衡量机器人步行能力的一个重要指标,是指机器人单位时间内相对步行环境所移动的距离。单脚支撑:机器人仅有一只脚与地面相接触,起支撑作用,另一只脚处于摆动状态。2.3步行过程设定 因本文所述的仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构设计目标是实现爬楼梯功能,鉴于机器人行走场地具有良好的环境,在不影响机器人主要功能的前提下做出如下设定:(1)机器人在行走过程中处于静力学平衡的状态,即机器人行走方式为静态步行; (2)由于楼梯的台阶具有较为良好的水平性,我们设定机器人脚底面相对于台阶表面始终保持平行状态; (3)设定机器人以直线状态行走;(4)机器人在直线行走过程中,髋关节相对于地面的高度始终保持不变; (5)由于本机器人左右腿的关节的对称性,在以后的讨论中仅考虑右腿的运动情况,左腿的情况与右腿类似。仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构机械图如下图所示:XY平面投影定义的大腿长为R1,小腿的长度为R2。由上图能够看出,仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构髋关节向上旋转了h角度的时候,其中大腿在Y轴方向提升高度,仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构大腿Y方向提升高度能够经过下图计算:根据图中所示,得到计算的表示式子:H=R1cosa-cosh 因此能够确定的是髋关节电机旋转h角度时候在Z轴的方向上提升高度的函数关系。 由图2-5可见仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构髋关节向着前面转动1的时候立足位置点在Y轴的方向上前进了半步长为x,仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构腿部X方向前进的步长计算如下:图2-5 腿在Y方向上前进的示意图 因此说能够得出来x=R1cos1+R2cos2sin1,由表示能够确定髋关节向前转动1角度的时候,立足位置点在X方向的前进的步长为一半x的确定的关系。当1较小的时候,能够设旋转1角度后腿在X轴上的投影长度近视为L=R1+R2。2.4 双足机器人步态稳定性分析2.4.1 步行稳定性判据双足机器人步行运动过程中,两只脚交替的与地面,发生间歇性的相互作用,即交替的出现左脚单支撑,双脚支撑和右脚单支撑的状态,周期性的不断前进。双足机器人步态研究的重点就在于如何维持支撑脚与地面的相对瞬时固定,使机器人的运动过程中保持稳定步行而不发生翻倒或滑倒。当前衡量双足步行机器人稳定性有两个主要的指标:一个是整个机器人的重心在地面投影点(Center of Gravity,简称COG),COG对应的是静态稳定性;另一个是零力矩点(Zero Moment Point,简称ZMP)如图22所示,ZMP对应于动态稳定性M。静态稳定性只有在机器人运动非常缓慢时才适用,大多数情况,机器人运动具有一定的速度,需考虑它的动态稳定性。因此,研究者们己经采用了动态稳定性,最普遍的是采用零力矩点(ZMP)作为双足机器人步态稳定性判定标准。2.4.2零力矩点定义零力矩点(zeromoment point,缩写为ZMP)有关双足机器人各部位动态控制的概念,它首先由南斯拉夫学者MiomirVukobratovic在1968年1月莫斯科第三届理论与应用力学全联盟代表大会上提出,在她后来的研究工作中和发表的论文中,MiomirVukobratovic等人致力于ZMP的研究工作,1972年,Vukobratoviche Stepanenko在一篇关于双足机器人控制的论文开头定义了零力矩点。现在经过几十年的研究发展,ZMP的表述方法主要有两种:1ZMP指地面上满足地面反力的合力矩对x,Y轴分量为零的那一点,即T(Tx,Ty,Tz)表示由地面反力绕某一点产生的合力矩在ZMP点满足Tx=0,Ty=0,Tz=0,如图2.4.2所示。2ZMP指重力和惯性力的合力在地面上的投影,在这一点上合力矩为零。能够证明这两种表述方式是一致的,双足机器人稳定步行时,其ZMP具有如下性质:ZMP始终位于支撑腿的脚掌所组成的凸形有效支撑区域内,以保证ZMP的条件,满足ZMP稳定性原则p6朝。ZMP概念的引入,为双足机器人的动态步行运动分析和规划提供了一个重要的依据。图2-2重心地回投影及ZMP根据零力矩点的定义,不论哪一种步行方式,零力矩点必须落在机器人支撑脚构成的区域的一定范围内才能保证它的稳定。2.4.3稳定步态的条件对于一个给定步态,如果其在双足步行机器人上是可复现的,则称这一步态是稳定的;反之,则称这一步态是不稳定的。显然,当ZMP始终落在脚掌支撑面内时,这一步态是稳定的,也是可复现的;若ZMP超出脚掌支撑面,则这一步态是不稳定的,也是不可复现的。机器人行走时支撑脚与地面的接触面为支撑面,双脚支撑面为两脚所构成的凸多边形的面积。双足机器人动态步行的稳定性问题是步态规划的关键问题,借助理论力学工具,推导出稳定步行需满足的动力学条件。为了将ZMP的性质运用于动态步行的步态分析与设计中,首先得分析ZMP与步态轨迹之间的联系。机器人的行走方式能够划分为静态行走和动态行走两种方式。静态行走是指在行走过程的任意瞬间,机器人都处于静平衡状态,即重心在地面的投影始终处于支撑面内。静态行走的速度较慢,各杆件运动的速度和加速度都很小。摆动腿着地时脚掌和地面的相对速度可看作近似为零,不发生碰撞,且行走过程中损失的能量很小,因而在连续行走中对其运动控制不考虑惯性力的影响。静态稳定性忽略机器人的动态性能,采用重心(COG)作为稳定性标准,因此这种稳定性只有在机器人运动非常缓慢时才适用。此时,Zi=Xi=Yi=0,则ZMP点坐标变为:XZMP=XC=i=1nmiXii=1nmi,YZMP=YC=i=1nmiYii=1nmi (2.10)式(210)中:XC,YC双足机器人质心的坐标,即双足机器人的质心即为ZMP点。因此,只要使重心落在脚掌支撑面上就能保证双足步行机器人稳定的步行。式(210)中:mi各部分的质量;Xi,Yi,Zi各部分的质心,本项目中为虚拟杆件i的质心。动态行走与静态行走有很大的不同。动态行走的速度快,机器人处于动平衡状态,即动态行走不要求重心COG始终位于支撑面内,而是要求零力矩点ZMP始终位于支撑面内。动态行走时,机器人各杆件的运动速度和加速度都较大,仅以质心是否在支撑面内不能决定系统的稳定性,动态行走时ZMP坐标为:XZMP=-MyFz=i=1nmi(Zi+g)xi-i=1nmixiZi+i=1nmiyi=1nmi(Zi+g)YZMP=-MxFz=i=1nmi(Zi+g)yi-i=1nmiyiZi+i=1nmixi=1nmi(Zi+g) (2.11)在高速动态行走中,由于惯性力的作用,系统的质心和ZMP点不可能始终保持重合,当质心COG落到支撑面之外,即出现静不稳定期,如果ZMP点仍处在支撑面内,就能够保持系统的动态稳定性。在两足机器人的动态行走过程中,即使重心满足静态稳定条件而ZMP在稳定区域之外,整个双足机器人系统也是不稳定的,在其运动控制中需要充分考虑惯性力的影响,始终保持系统的动力学平衡关系。由上述推导可知,实现稳定的步态规划须满足以下条件:1由于地面与支撑脚为单面约束,即地面反力Fgz=-Fz0mi(Zi+g)0 (212)以保证机器人在行走中不会腾空,产生跑或者跳的动作。 2等效力与地面的交点P(XZMP,YZMP,0),始终位于支撑域内,即-labXZMPlaf-wrYZMPwl (2.13)以保证机器人在步行中不会绕x轴倾覆,式中乙为后脚掌的长度,0为前脚掌的长度,彬为脚掌内侧的宽度,w,为脚掌外侧的宽度。从节能的角度考虑,静态步行的驱动力矩主要克服重力矩,而动态步行能够有效地利用重力和惯性力进行重心的移动。毫无疑问,动态步行的驱动力矩比静态步行的驱动力矩要小,而且能够实现高速行走。要保证双足机器人的动态步行稳定,必须保证零力矩在行走过程中始终落在支撑区域内。ZMP越靠近支撑域的中心,机器人的动态稳定性越好,当ZMP与支撑域中心重合,机器人步行稳定裕度最大,抗颠覆能力最强,ZMP位置能够经过控制关节力矩的方法进行间接控制。2.4.4小结本节首先分析双足机器人的构造特点,建立双足机器人七连杆模型。接着介绍了用双足机器人稳定性判据的类型,阐述了零力矩点的定义及推导过程,并分别就机器人静态步行和动态步行展开分析,得出两种不同运动情况下各自的步行稳定判断条件,随后研究了双足机器人稳定步行的条件,为后面章节的步态规划和步态优化及实验奠定基础。2.5 双足机器人步态规划2.5.1 引言双足机器人的步态规划,是指机器人行走过程中其各组成部分运动轨迹的规划。步态是指机器人步行运动过程中,机器人各关节运动在时序和空间上的一种协调关系,一般由各关节运动的一组轨迹函数来描述。双足机器人步行运动过程能够分为三个阶段:起步、周期步行和停步。这三个阶段各不相同,但有着紧密的联系,起步之后紧接着就是周期步行,周期步行之后是停步,周期步行的轨迹具有周期重复性。2.5.2 双足机器人步行过程分析双足机器人的步态规划就是规划机器人的行走步态,水平地面的基本行走步态有前向步行、侧向步行和转向步行。转向步行包含了前向步行和侧向步行,是最复杂的步行。本文主要以前向周期步行作为步态规划的重点,将前向步态分解如图2.5.1所示,图中以左腿首先作为支撑腿,右腿作为摆动腿为例分解,若右腿首先作为支撑腿,左腿作为摆动腿只需将图中左右调换即可。曲腿下蹲迈左腿侧向移动重心(向左)侧向移动重心()双腿直立迈右腿图2.5.1 前向步态分析框图在双足机器人整个步行过程中,假设身躯始终保持直立,因此左、右髋关节在Z轴上的位置函数是相同的。人在平地上向前行走是双脚支撑期和单脚支撑周期性交替出现不断前进的过程。每一步可分为双脚支撑期和单脚支撑期,双脚支撑期指从前脚跟接触地面到后脚尖离开地面的时间段,即图2.5.2中OA、CD阶段,双脚都跟地面接触。单脚支撑期指从一只脚离开地面到它再次跟地面接触的时间段,在这段时间里,只有一只脚与地面接触即图32中AC时段。双足机器人的前向运动过程可分为:OA双脚支撑(左脚在前,右脚在后)_AC单脚支撑(左脚支撑,右脚摆动)一CD双脚支撑(右脚在前,左脚在后)_DF单脚支撑(右脚支撑,左脚摆动)_0A双脚支撑(左脚在前,右脚在后)一从第F状态起,就是不断重复OF的过程,而OC的过程,与CF的过程相比,只是左右状态互换,因此只要把OC时段的步态确定了,机器人整个步行运动周期的步态就能够完全确定。图2.5.2 双足机器人步行过程示意图2.5.3 髋关节规划假定髋关节在步行过程中高度H不变,髋关节的位置对ZMP的影响很大,对机器人能否保持稳定步行起到至关重要的作用。初次规划的轨迹不一定能使机器人稳定,因此在髋关节轨迹规划时设几个可调参数,经过调节参数使机器人保持稳定。如图2.5.5所示,d。表示摆动脚落地时髋关节到支撑腿踝关节的距离,d。表示摆动脚抬起时髋关节到支撑腿踝关节的距离。dxedxs图2.5.5 dxs,dxe参数说明图2.5.4 髋关节轨迹对ZMP的影响双足机器人的很大部分质量集中于上半身,故上半身的位置对ZMP的影响大,而髋关节是离上半身最近的可控自由度,故本文主要分析髋关节位置对ZMP的影响。建立机器人步行时脚掌的受力模型,如图2.5.6所示。图2.5.6 脚掌受地面作用力分布图根据文献19中对ZMP的定义,可得x方向的ZMP为:Px=x1x2dx1x2d (2.14)式中d为足底每单位长度上地面作用力的铅垂分量,为d的X坐标,Px,为地面作用力的压力中心,即ZMP,x1,x2分别为支撑脚脚跟和脚尖在基坐标系中的位置。两个可调参数dxs,dxe,如图2.5.5所示,用来调节髋关节在摆动腿离地和落地时刻髋关节中心的位置。当dxs变小时,髋关节向支撑脚后方移动,致使支撑脚所受地面作用力分布向后端偏移,由公式(2.14)可知ZMP将随之向脚跟移动。反之,若dxs变大,则髋关节前移,从而使支撑脚所受地面作用力分布前移,导致ZMP也向脚尖移动,使稳定裕度变小。同理,当dxe变小时,ZMP前移;dxe变大时,ZMP向后移。据此分析,能够调节髋关节的位置使ZMP尽量位于支撑脚的中心,保证较大的稳定裕度。第三章 二足机器人的机构分析3.1四连杆机构的设计机器人设计过程中,腿部采用了四杆机构。在前期时参考了不少有关腿部机构的资料,这个机构的选择很重要,主要原因如下:(1)执行机构决定了整个系统的复杂度,机构越复杂,涉及到的工作和配合越多,制作的精度就不容易保证。(2)执行机构关系到运动的最终状态,决定运行的姿态。(3)执行机构最终保证整个机器人系统功能的实现。3.1.1设计参数(1)连杆尺寸lAB=160mm,lBC=160mm,lCD=220mm,lDA=80mm,lAE=200mm,lEF=110mm,lFB=240mm图3.1.1 机构原理图(2)估算机身高度设置为H=400mm,在正前方运行时,左腿和右腿之间不会发生相互干涉,为了保证两腿之间有足够的距离,两髋关节之间的距离为125mm。 3.2 二足机器人主体设计用三维软件CATIA画出总设计图如下:3.2.1腿部的设计腿部结构是机器人身体里主要的部分,根据仿生学的知识,人腿部结构大致为:髋关节,和膝关节,还有踝关节和脚。本文采用曲柄摇杆机构实现其直线行走和爬楼梯功能的。两组腿交替的变换使机身能向前运动,她们每组都支撑机体的重量,并在负重的状态下使机体的前行,因此适应的刚性和承载能力是非常重要的,因此对承载能力有着限制。图3.2.1 腿3.2.2大腿3.2.3小腿3.2.4脚3.2.5其它辅助连杆第四章 总结4.1.设计小结经过这次机械原理课程设计,综合运用了机械原理及其它课程的理论知识。将理论与实际结合在了一起,培养了我们团队合作以及解决机械工程有关的实际问题,最重要的是让我们从所学专业中找到了乐趣。在本次机械原理的课程设计训练中巩固学习了机械原理设计基础、CAD二维制图软件和CATIA三维软件,也学会了怎样从前人设计中取得经验以及处理数据的能力。4.2设计感受在机械原理课程设计过程中,我们经过对已有文献的查阅结合我们自己所学的专业知识。将理论和实践完美的结合在了一起,使我们更深刻的理解了我们的专业知识。从中学到了很多知识,并认识到团队协作的重要性。在设计过程中我们遇到了很多困难和挫折但经过努力以及我们不畏困难,不抛弃,不抱怨等都是我们学到的精神品质。经过这次设计我们认识到,机械是精准、系统、经验化的学科,对于问题不能粗略的概括和认识,容不得半点偏差。面对茫然不知所措的问题时要冷静,耐心对待。再设计过程中我们不断领悟机械学科及行业精髓,对所学专业有了浓厚的兴趣,激发了我们的学习热情当然让我们对将来的职业也充满了希望。在设计过程中培养了我们的自学能力,这是我们步入社会所必备的素质。现实企业中越来越强调团队协作,这次设计是我们小组在老师指导下共同努力的结果,没有良好的团队协作能了我们是不可能完成本次机械原理课程设计的。这种团队意识使我们步入社会必备的技能,这对我们即将步入社会的大学生有着重大意义。4.3课程设计看法机械原理课程设计,对于我们将要上更多专业课程的学生有着积极的意义,让我们更近的理解本专业的特点。因此我希望我们能有相对更充分的时间,先在老师的指导下自学相关理论文献,锻炼我们在短时间内的学习能力。这样我们就能够更加完美的完成我们的课程设计,得到的体会或许更多。参考文献1 张瑞红、金德文、张济川等,不同路况下正常步态特征研究J.清华大学学报(自然科学版), ,8(40):77-802张春林编,机械创新设计M,机械工业出版社, .3陈学东 孙翊 贾文川,多足步行机器人运动规划与控制M,武汉:华中科技大学出版社, .4(美)克莱格著,机器人学导论(原书第三版)贲超等译,北京:机械工业出版社, .5刘广瑞,机器人创新制作M;西安,西北工业出版社, .6 李益民,机械制造工艺设计简明手册M,机械工业出版社, 7(美)丹尼斯克拉克,迈克尔欧文斯,机器人设计与控制M宗光华,张慧慧译,北京,北京科学出版社, .8 高国富 谢绍荣 罗军,编著,机器人传感器及其应用,北京:化学工业出版社, .9廖林清编,机械设计方法学M,重庆大学出版社, 10赵东斌、易建强、张文增等,拟人机器人TH-1 手臂运动学J 机器人, ,3(24):502-50711郭跟成、阎保定、陈文清、机器人三维图形仿真系统的设计J,洛阳工学院学报,1997,4(18):53-5712郑嫦娥,仿真机器人国内外研究动态J,机床与液压, (3),1-613谢涛、徐剑锋、张永学、强文义,仿真机器人的研究历史、现状及展望J.机器人, ,24(4)367-37414 Shabana A. 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