兩足步行機器人綜合設(shè)計計算說明書

可修改歡迎下載精品Word可修改歡迎下載精品Word可修改歡迎下載精品Word兩足步行機器人設(shè)計說明書姓名：學(xué)號：班級：指導(dǎo)老師：2021年6月目錄TOC\o"1-4"\h\z\u第1章問題的提出 11.1設(shè)計背景 11.2課題的研究意義與應(yīng)用前景 11.3主要設(shè)計思想 2第2章設(shè)計要求與設(shè)計數(shù)據(jù) 32.1高度的設(shè)置 32.2自由度的設(shè)置 52.3各關(guān)節(jié)活動范圍確實定 6髖關(guān)節(jié)的運動 6膝關(guān)節(jié)的運動 6踝關(guān)節(jié)的運動 72.4關(guān)節(jié)驅(qū)動方式的選擇 7第3章機構(gòu)選型設(shè)計 83.1兩足步行機器人機構(gòu)設(shè)計 8腿部機構(gòu)設(shè)計簡圖： 8手臂機構(gòu)設(shè)計 133.2設(shè)計方案的評價與選擇 13腿部方案的評價與選擇 13手臂方案的評價與選擇 15第4章機構(gòu)尺度綜合 154.1凸輪的尺寸設(shè)計 15臀部凸輪設(shè)計 15膝關(guān)節(jié)凸輪設(shè)計 204.2平面連桿機構(gòu)的尺寸設(shè)計 24手臂平面連桿機構(gòu)運動規(guī)律分析 24手臂平面連桿機構(gòu)尺寸設(shè)計與計算 25第5章機構(gòu)運動及動力分析 275.1動態(tài)靜力分析 275.2運動仿真分析集成 28腳尖分析 29手臂分析 33第6章結(jié)論 366.1兩足步行機器人機構(gòu)特點 366.2設(shè)計的主要特點 366.3設(shè)計結(jié)果 37第7章收獲與體會 37第8章致謝 38參考文獻 38附錄1 40附錄二 60附錄三 63第1章問題的提出1.1設(shè)計背景類人機器人一直是機器人領(lǐng)域的研究熱點，是目前科技開展最活潑的領(lǐng)域之一。當(dāng)前機器人的移動方式主要是四種，分別是：輪式、履帶式、步行、爬行。世界著名機器人學(xué)專家、日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授說過：“機器人應(yīng)當(dāng)具有的最大特征之一是步行功能〞。這是因為，步行有其它移動方式所無法比較的優(yōu)越性。其優(yōu)點主要表現(xiàn)在如下兩個方面：首先，兩足步行機器人具有較強的越障能力，相比輪式和履帶式更能通過不平整、不規(guī)那么的路面，減少了移動盲區(qū)，擴大了運動范圍。其次，兩足步行機器人的能耗小，與其他足式機器人相比具有體積小、重量輕、動作靈活等特點，同時能夠取代人類從而將人類從工作環(huán)境對人體有害或者高強度、長時間、高重復(fù)性的勞動中解脫出來，因而具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的研究意義。雙足行走是類人機器人最根本也是最難實現(xiàn)的功能，因此以實現(xiàn)雙足步行為目標(biāo)的兩足步行機器人研究是智能型類人機器人研究的根底，而實現(xiàn)機器人的穩(wěn)步行走更是兩足步行機器人研究中的首要任務(wù)。同時雙足機器人的研究對機器人的機械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動裝置提出了許多特殊要求，將導(dǎo)致傳統(tǒng)機械的重大變革，是工程上少有的多自由度系統(tǒng)。那么設(shè)計這樣一個純機構(gòu)的兩足步行機器人將在很大程度上滿足現(xiàn)代人類開展需求，一方面可實現(xiàn)根底機械式多自由度穩(wěn)步步行，另一方面降低能耗、減小體積、延長使用壽命，具有廣泛而重要的意義。1.2課題的研究意義與應(yīng)用前景目前國內(nèi)外對雙足步行機器人的研究已經(jīng)到了較成熟的領(lǐng)域，應(yīng)用前景也更加廣闊，應(yīng)用領(lǐng)域主要有：1．為殘疾人〔下肢癱瘓者或截肢者〕提供室內(nèi)和戶外行走工具。利用人工假腿、腿椅或步行座椅盡可能使殘疾人恢復(fù)正常行走功能，減少對他人的依賴。2．極限環(huán)境下代替人工作業(yè)，核電站內(nèi)的監(jiān)視和維護作業(yè)，遙控救災(zāi)、滅火，爆炸物的處置〔如探雷、排雷等〕等。3．在教育、藝術(shù)和群眾效勞行業(yè)等領(lǐng)域都有著潛在而廣闊的應(yīng)用前景。娛樂機器人，可作為人類同伴的機器人是開展的新方向，這將使雙足機器人逐漸走向普通居民中。為了更好的了解人類的行走機理，也為了日后為下肢癱患者提供理想的假肢，以及為方便人類出行的自動兩足步行椅提供理論根底，本論文致力于研究雙足步行機器人的行走規(guī)律、傳動機理并用機械結(jié)構(gòu)加簡單的控制來模擬人類的行走，并通過研究和模擬步行更好地分析和探討步行機器人。兩足步行機器人的機械本體機構(gòu)與步態(tài)規(guī)劃是實現(xiàn)機器人穩(wěn)定行走的根底，因此，以實現(xiàn)具有根本行走功能的兩足步行機器人的研究對于研制節(jié)能型、智能型類人機器人具有重要的理論價值。1.3主要設(shè)計思想雙足步行機器人具有多關(guān)節(jié)、多驅(qū)動器、多自由度的特點，其自由度的設(shè)置、各關(guān)節(jié)的活動范圍直接影響機器人外在美觀、行走方式、活動范圍、建模方式、步態(tài)規(guī)劃以及控制方案等。機構(gòu)設(shè)計：設(shè)計出模擬人體步行的機構(gòu),步行的復(fù)雜程度直接控制了機構(gòu)的難易程度,用純機械的機構(gòu)來實現(xiàn)較難的人體行走過程,必然會有很大的誤差,但我們一致追求機構(gòu)的盡量精確和逼真,研究自己行走時的各個過程,以以下圖是我們得出的人行走時的幾個主要過程:圖1-1人體步行主要過程如上圖所示,步行主要有七個過程,由左右腿相互交替邁腿,收腿,到達向前走的目的。第2章設(shè)計要求與設(shè)計數(shù)據(jù)一個兩足步行機器人除了滿足可向前行走的根本要求，還必須具有一定的穩(wěn)定性、方便性、平安性。針對這些性能要求，進行了機器人高度、自由度、各關(guān)節(jié)活動范圍、關(guān)節(jié)驅(qū)動方式的選擇的討論和設(shè)計分析。2.1高度的設(shè)置兩足步行機器人的高度選擇〔包括各局部高度〕對于步行穩(wěn)定十分重要。高度過高，重心也隨之過高，穩(wěn)定性減??；而如果高度過低，人坐在上面腳會拖在地上。為了到達可推廣水平，按照中華人民共和國國家標(biāo)準GB/T53975—1983進行設(shè)計，其中人體根本測量工程達57個，就其類別而言可分為：高度：即在人體的上、下方向測量的高度；長度：直線長度指兩測點之間的直線距離，曲線長度指沿人體外表過測點的曲線圍長；寬度：測量頭部、面部和軀干部時，寬度指在左、右方向上對稱的兩個測點之間的直線距離；測量上肢時，寬度指繞骨側(cè)的兩個測量點之間的距離；測量下肢時，寬度指脛骨側(cè)和腓骨側(cè)的兩個測量點之間的直線距離；厚度：指人體前、前方向上，兩個測量點之間的直線距離；圍經(jīng)：指通過或經(jīng)過人體某一部位上的測量點圍長。目前，國內(nèi)在人機工程方面所采取的人體尺寸數(shù)據(jù)均來自“中國成年人人體尺寸〞〔GB10000——88〕，是由國家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)行，反映了我國不同地區(qū)的人體尺寸差異。由于數(shù)據(jù)本身沒有提供足夠的三維信息，這就決定了在某種意義上，我們根據(jù)其建立的三維人體模型只能是一種簡化的模型。我們引用并參考與機器人設(shè)計密切關(guān)系的人體數(shù)據(jù)?！惨弧橙梭w主要尺寸人體主要尺寸包括：身高、體重、上臂長、前臂長、大腿長、小腿長共六項。表2-1列出了我國成年人的人體主要尺寸。表2-1我國成年人人體主要尺寸百分比數(shù)年齡分組測量工程男〔18—60〕女〔18—55〕550909555090951.1身高/mm158316781754177514841570164016591.2體重/kg48597075425263711.3上臂長/mm2893133333382622843033021.4前臂長/mm2162372532581932132292341.5大腿長/mm4284654965054024384674761.6小腿長/mm338369396403313344370375〔二〕人體水平尺寸人體水平尺寸包括：胸厚、肩寬、最大肩寬、臀寬和坐姿臀寬。表2-2我國成年人的人體水平尺寸年年齡分組百分位數(shù)測量項目男〔18—60〕女〔18—55〕550909555090952.1胸厚/mm1862122372451701992302392.2肩寬/mm3443753974033203513713772.3最大肩寬/mm3984314604693633974284382.4臀寬/mm2823063273342903173403462.5坐姿臀寬/mm285321347355310344374382這是以某種人體尺寸極限作為設(shè)計參數(shù)的設(shè)計原那么：設(shè)計的最大尺寸參考選擇人體尺寸的低百分位，設(shè)計的最小尺寸參考選擇人體尺寸的高百分位；受人體伸及度限制的尺寸應(yīng)該根據(jù)低百分位確定，受人體屈曲限制的尺寸應(yīng)該根據(jù)高百分位確定。由以上參考資料確定其機器人的尺寸：正常的成年人身高大概在170cm到190cm之間，其下肢高度大概100cm到120cm間，踝關(guān)節(jié)到地面、膝關(guān)節(jié)到踝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)到膝關(guān)節(jié)的距離分別大約是5cm、40~50cm、50~60cm。兩足步行機器人的高度選擇〔包括各局部高度〕對于步行穩(wěn)定十分重要。高度過高，重心也隨之過高，穩(wěn)定性減??；而如果高度過低，如果設(shè)計的是步行椅，人坐在上面腳會拖在地上。參考上述人體身高數(shù)據(jù)，以及現(xiàn)有兩足步行機器人，確定兩足步行機器人的總高度〔距地面〕為180cm左右，其中大腿和小腿分別為50和40cm，踝關(guān)節(jié)高度為15cm。2.2自由度的設(shè)置兩足步行機器人應(yīng)盡可能模仿人類雙腿可以完成的動作，而這其中的一個重點就是如何設(shè)置機器人的自由度。人的下肢是一個復(fù)雜的運動系統(tǒng)，依靠下肢二百多對肌肉、三十多塊骨骼，能夠完成十分復(fù)雜的協(xié)調(diào)動作。人所能實現(xiàn)的動作是包括靈長類動物在內(nèi)的兩足類行走動物中最完美的。在長期進化過程中，人體的關(guān)節(jié)已經(jīng)至臻完美，結(jié)構(gòu)簡單而又相當(dāng)靈活。美國Clemson大學(xué)鄭元芳博士曾經(jīng)撰文分析兩足步行機器人腿部的自由度配置問題，他認為兩足步行機器人能完成步行所需的自由度每條腿最少為4個，而如果要到達類似人類步行的程度那么每條腿需要8個，即髖關(guān)節(jié)3個、膝關(guān)節(jié)1個、踝關(guān)節(jié)3個、腳部1個〔類似腳趾〕。但是，目前絕大多數(shù)以有的兩足步行機器人都采用的是6自由度的設(shè)計，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)的HIT-III、國防科技大學(xué)的“先行者〞、本田公司的ASIMO和HRP以及前文所述豐田公司的i-foot。絕大多數(shù)步行機器人采用12自由度設(shè)計。這類機器人髖關(guān)節(jié)具有3個自由度，膝關(guān)節(jié)具有1個自由度，踝關(guān)節(jié)具有2個自由度，可以實現(xiàn)前向運動和側(cè)向運動。而且由于髖關(guān)節(jié)具有旋轉(zhuǎn)自由度，所以這類機器人可以轉(zhuǎn)彎。這類機器人可以在水平地面和傾斜地面行走，可以實現(xiàn)上下樓梯以及轉(zhuǎn)彎、后退等動作。這類機器人和人類的兩腿已經(jīng)十分類似。如圖2-2所示：圖2-1具有12個自由度的兩足步行機器人鑒于純機構(gòu)確定12個自由度的兩足步行機器人有難度，我們初步?jīng)Q定采用6自由度的步行機器人。另外，加上手臂的甩動動作，賦予肩部一個pitch方向的運動自由度，因此總共是8自由度的步行機器人。2.3各關(guān)節(jié)活動范圍確實定兩足步行機器人的目的是模仿人類步行運動，因此兩足步行機器人各關(guān)節(jié)的運動范圍應(yīng)該和人類根本相同。在設(shè)計兩足步行之前，應(yīng)先確定人體下肢各關(guān)節(jié)的活動范圍。人體的髖關(guān)節(jié)是由髖骨的髖臼和股骨的股骨頭構(gòu)成，類似于球關(guān)節(jié)，共有三個轉(zhuǎn)動軸，三個轉(zhuǎn)動自由度。本設(shè)計僅限于平地步行，故初步設(shè)定為一個轉(zhuǎn)動自由度，即大腿的抬升和下降。人體的膝關(guān)節(jié)是由股骨的內(nèi)外側(cè)髖的關(guān)節(jié)面和脛骨的內(nèi)外側(cè)踝的上關(guān)節(jié)面既髖骨的后關(guān)節(jié)面構(gòu)成的。膝關(guān)節(jié)僅有一個轉(zhuǎn)動軸，具有一個轉(zhuǎn)動自度，即大腿和小腿的連接局部膝蓋控制的屈伸動作。人體的踝關(guān)節(jié)其實是足關(guān)節(jié)的一個組成局部，近似一個球關(guān)節(jié)，具有三個轉(zhuǎn)動軸，三個轉(zhuǎn)動自由度。同理，我們僅僅只考慮平地步行的狀態(tài)，設(shè)定踝關(guān)節(jié)只有一個轉(zhuǎn)動自由度，即適應(yīng)地面時的轉(zhuǎn)動動作。兩足步行機器人各關(guān)節(jié)活動范圍和人體不完全相同。這主要是由于以電機作為驅(qū)動的機器人關(guān)節(jié)的靈活性要比人類的關(guān)節(jié)差很多，因此兩足步行機器人的關(guān)節(jié)活動范圍要比人體略大。參考已有的一些兩足步行機器人關(guān)節(jié)運動范圍，確定兩足步行機器人各關(guān)節(jié)的運動范圍如表2-3、2-4所示。表2-3人體各關(guān)節(jié)運動范圍髖關(guān)節(jié)Yaw-45°到45°Roll-45°到20°Pitch-125°到15°膝關(guān)節(jié)Pitch0°到130°踝關(guān)節(jié)Pitch-45°到20°Roll-20°到30°表2-4兩足步行機器人各關(guān)節(jié)運動范圍關(guān)節(jié)活動范圍髖關(guān)節(jié)-100°到40°膝關(guān)節(jié)0°到50°踝關(guān)節(jié)-20°到35°肩關(guān)節(jié)0°到30°2.4關(guān)節(jié)驅(qū)動方式的選擇目前機器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式主要有氣動、液動和伺服電機。驅(qū)動部件在兩足步行椅機器人中的作用相當(dāng)于人體的肌肉，如果把連桿以及關(guān)節(jié)想象成機器人的骨骼，那么驅(qū)動器就起到了肌肉的作用。兩足步行機器人各個關(guān)節(jié)都是轉(zhuǎn)動副，主要是實現(xiàn)相對回轉(zhuǎn)或者擺動。而大多數(shù)電機正是實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動的。故初步確定采用電機提供原動力，靠機械機構(gòu)傳遞動力。第3章機構(gòu)選型設(shè)計3.1兩足步行機器人機構(gòu)設(shè)計3.1.1腿部機構(gòu)設(shè)計簡圖：方案一:滑塊連動機構(gòu)此方案的特點是小腿的伸縮轉(zhuǎn)動是由大腿控制的，區(qū)別方案一的是小腿大腿沒有分開控制，由連動控制，另一特點是大腿的伸縮又是由大腿的轉(zhuǎn)動角度控制的，如以以下圖：圖3-1機器人大小腿聯(lián)動控制圖3-2臀部和大腿連接局部圖3-3機器人膝關(guān)節(jié)機構(gòu)簡圖圖中F框表示機器人的臀部，G框表示大腿，鉸鏈A固結(jié)在F上，用以連接大腿和臀部，鉸鏈C和D固結(jié)在G上，滑塊B軸心固結(jié)在F上，當(dāng)大腿繞A點逆時針轉(zhuǎn)動時〔即大腿往前伸〕，∠CBH變大，此時滑塊B下滑，又由于BE桿的作用，使得點E逆時針轉(zhuǎn)動，那么桿EDF也繞點D轉(zhuǎn)動，此時F繞點D順時針轉(zhuǎn)動，由Ｉ處的球形鉸可以控制桿Ｋ〔即小腿〕繞點Ｊ逆時針轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)小腿的往前伸。方案二：采用凸輪機構(gòu)利用凸輪的運動規(guī)律，設(shè)計凸輪輪廓曲線來較準確的控制機構(gòu)的運動路線，此方案分別對大腿和小腿的不同運動特點采用不同的凸輪輪廓曲線，使運動更形象逼真，而凸輪又靠電機來帶動，用這種方法來實現(xiàn)機器人的行走。以下幾圖為此方案的機構(gòu)簡圖：圖3-4機器人單邊腿部的機構(gòu)簡圖該圖即為機器人單邊腿部的機構(gòu)簡圖，分別用了2個凸輪機構(gòu)，4個滑塊機構(gòu)，9個活動構(gòu)件，11個低副，2個高副和2個虛約束。圖3-5機器人臀部機構(gòu)上圖方框表示機器人臀部局部，凸輪轉(zhuǎn)動中心、橫向滑桿和兩個機架都固定在臀部上，B處圓是與凸輪相切的圓柱，用來控制橫向滑塊的前進和后退，A桿是大腿的簡圖，一端插在B處的一個滑塊上，同時與C處的鉸鏈相接，用以固定大腿和臀部的連接，另一端連接小腿局部，如以以下圖：圖3-6機器人膝關(guān)節(jié)的機構(gòu)簡圖上圖即為大腿和小腿連接局部，即膝關(guān)節(jié)局部，橫桿G焊接在大腿A桿上，用以固定凸輪和虛線處的橫向滑桿，E桿為小腿簡圖，F(xiàn)處的鉸鏈用以連接小腿和大腿，使小腿能繞大腿旋轉(zhuǎn)，E桿一端與滑塊連接用以控制小腿的轉(zhuǎn)動角度，另一端連接腳掌，如以以下圖：圖3-7機器人的腳掌機構(gòu)簡圖手臂機構(gòu)設(shè)計由于手臂的運動過程很簡單，也不是我們的主要研究對象，因此我們僅設(shè)計出一種適宜的方案，用以配合腿部的機構(gòu)進行仿真，因此手臂機構(gòu)簡圖如下：圖3-8手臂平面連桿機構(gòu)簡圖圖中AD桿即為機器人手臂，滑塊B的滑槽設(shè)置在機器人臀部，滑塊B的移動靠臀部處的大凸輪帶動，從而使得點E繞點A轉(zhuǎn)動，即手臂繞點A轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)了手臂和腿部運動的同時性，并且不會出現(xiàn)同手同腳的情況，使得機器人的步行更加逼真。3.2設(shè)計方案的評價與選擇方案一的設(shè)計思路就是想讓小腿由大腿控制，產(chǎn)生連動的效果，因此方案一充分運用連桿和滑塊機構(gòu)，將大腿的轉(zhuǎn)動角度轉(zhuǎn)化為控制小腿的主要參數(shù)，角度越大小腿彎曲程度越大，即實現(xiàn)了大腿和小腿的連動，并將小腿的主控參數(shù)巧妙的設(shè)置成了角度的變化。其中的一大特點是利用了一個球形鉸鏈，能夠同時控制小腿的前伸和后退。但方案一的一大缺點就是運動太受限制，角度只有增加和減少，從而小腿只有前伸和后退，關(guān)鍵是角度和小腿都是同時對應(yīng)的運動，不能到達一些復(fù)雜的過程〔如圖3-9〕，造成行走很格式僵硬化，不夠貼切現(xiàn)實人們的步行特點，比照圖如下：圖3-9方案一行走特點方案二考慮了方案一的弊端，對各種機構(gòu)進行了理論分析，決定用凸輪結(jié)構(gòu)來控制大小腿的運動情況。由于方案一的經(jīng)驗，大小腿的連動必然會導(dǎo)致機器人行走的僵硬化，不夠真實，因此就分別采用2個凸輪來對大小腿進行控制，由于凸輪的運動規(guī)律特性，可以利用凸輪的推程、遠修止過程、回程、以及近休止過程與機器人腿部的各個過程向?qū)?yīng)，比方控制小腿時，可以將控制小腿的凸輪遠休止角與大腿和小腿同時回退的過程相對應(yīng)，這樣使得另一只腿部伸出時這邊的腿部保持直線，如此往復(fù)，就到達了機器人的往前行走，如以以下圖：圖3-10方案二行走特點通過對方案一二的綜合分析還考慮，建立了綜合評價指標(biāo)如下：表3-1機器人機構(gòu)設(shè)計方案評價體系評價工程得分等級評價尺度目標(biāo)完成情況F1完全實現(xiàn)功能要求根本實現(xiàn)功能要求局部實現(xiàn)功能要求不能實現(xiàn)功能要求10520行走穩(wěn)定程度F2非常穩(wěn)定根本穩(wěn)定不穩(wěn)定但不影響行走不穩(wěn)定完全不能行走10520逼真程度F3很逼真比較逼真不太逼真完全看不懂10520復(fù)雜程度F4簡單不復(fù)雜一般復(fù)雜復(fù)雜10520機構(gòu)可調(diào)性能F5方便可調(diào)一般可調(diào)不可調(diào)1050對以上方案打分如下：表3-2機器人機構(gòu)設(shè)計方案評價結(jié)果方案F1F2F3F4F5評價總分方案一5225519方案二1010521037從評分標(biāo)準來看，我們選擇了方案二用以控制腿部的運動。3.2.2手臂方案的評價與選擇如前面所說，由于手臂的運動過程很簡單，也不是我們的主要研究對象，因此我們僅設(shè)計出一種適宜的方案，用以配合腿部的機構(gòu)進行仿真，此方案如前文所示。第4章機構(gòu)尺度綜合4.1凸輪的尺寸設(shè)計4.1.1臀部凸輪設(shè)計〔一〕臀部凸輪從動件運動規(guī)律分析凸輪機構(gòu)采用的是偏心距為0的對心從動件凸輪機構(gòu),主要利用了凸輪的推程、遠休止過程和回程三個過程。推程采用正弦加速度運動規(guī)律，即〔〕推程角定為90度，那么=90，即〔〕由于大腿需要在抬高的同時小腿伸展過程中保持不動，所以大腿需要在空中停留數(shù)秒，故采用了大腿凸輪的的遠休止過程，此時〔〕遠休止角定為90度；在另一只腳往前行的同時，這條抬高的腿也相對在往后退，所以對凸輪的回程采用等減速運動規(guī)律，即〔〕回程角取為180度。表4-1臀部凸輪從動件運動規(guī)律設(shè)計表凸輪轉(zhuǎn)角從動件運動規(guī)律凸輪運動方程凸輪末位置0到90度正弦加速度運動規(guī)律90到180度停頓180到360度等減速運動規(guī)律〔二〕臀部凸輪輪廓曲線設(shè)計圖4-1凸輪輪廓曲線參數(shù)方程的建立由上圖幾何關(guān)系可以寫出：又由于凸輪是逆時針轉(zhuǎn)的，所以有：由此可得：由于從動件為滾子從動件，分別代入的方程，那么可得到滾子中心B〔，〕運動軌跡曲線為：時：時：時：由于從動件為滾子從動件,故基圓半徑是從動件運動過程中滾子中心到凸輪轉(zhuǎn)動中心的最小距離。由于機構(gòu)設(shè)計大小所限，故取，其中滾子半徑為1.5。經(jīng)計算，推程h取5.4。那么代入以上各式可得：時：時：時：設(shè)凸輪輪廓曲線上點C〔，〕和滾子中心B〔，〕在凸輪過點C處的法線上，那么有關(guān)系：〔為滾子半徑〕利用以上關(guān)系可以求得實際輪廓曲線上點C的坐標(biāo)為：接著往下計算代入上式得：時，時，時，〔一〕膝關(guān)節(jié)凸輪從動件運動規(guī)律分析該凸輪機構(gòu)同樣采用的是偏心距為0的對心從動件凸輪機構(gòu),主要利用了凸輪的推程、回程和近休止過程三個過程。推程采用等速運動規(guī)律，即〔〕推程角定為90度，那么=90，即：〔〕此過程及為小腿的彎曲過程；當(dāng)小腿彎曲一定程度后需要及時伸展著地，以便另一只腳的運動，故小腿彎曲后凸輪應(yīng)立即回程，回程角定為90度，故，所以回程采用等加速運動規(guī)律，即：〔〕當(dāng)腳著地后，另一只腳開始往前走，所以這只腳就相對往后走，但此時小腿相對大腿是不轉(zhuǎn)動的，只有大腿往后移，所以此時小腿應(yīng)該保持原狀，因此凸輪應(yīng)該處于近休止?fàn)顟B(tài)，取近休止角為180度，此時：表4.2膝關(guān)節(jié)凸輪從動件運動規(guī)律設(shè)計表凸輪轉(zhuǎn)角從動件運動規(guī)律凸輪運動方程凸輪末位置0到90度等速運動規(guī)律90到180度等加速運動規(guī)律180到360度停頓〔二〕膝關(guān)節(jié)凸輪輪廓曲線設(shè)計中凸輪設(shè)計方法，由于從動件為滾子從動件，分別代入的方程，那么可得到滾子中心B〔，〕運動軌跡曲線為：時：時：時：由于從動件為滾子從動件,故基圓半徑是從動件運動過程中滾子中心到凸輪轉(zhuǎn)動中心的最小距離。由于機構(gòu)設(shè)計大小所限，故取，其中滾子半徑為1.5。經(jīng)計算，推程h取4。那么代入以上各式可得：時：時：時：設(shè)凸輪輪廓曲線上點C〔，〕和滾子中心B〔，〕在凸輪過點C處的法線上，那么有關(guān)系：〔為滾子半徑〕利用以上關(guān)系可以求得實際輪廓曲線上點C的坐標(biāo)為：接著往下計算，代入上式得：時，時，時：4.2平面連桿機構(gòu)的尺寸設(shè)計兩足步行機器人的手臂采用以臀部的凸輪帶動滑塊移動，滑塊帶動平面連桿機構(gòu)產(chǎn)生“手臂〞的5聯(lián)動的方法與兩腿的動作協(xié)調(diào)。手臂的平面連桿機構(gòu)如以以下圖所示。圖4-2手臂平面連桿機構(gòu)圖根據(jù)第二章設(shè)計要求與設(shè)計數(shù)據(jù)，成年男性上臂長約為330mm，不妨設(shè)AD=330mm。同時A點為機器人的肩部，建立以如圖為平面的XY坐標(biāo)，那么設(shè)A〔0,0〕。機器人的肩部A點與B點水平距離大約為機器人的上身長，設(shè)為600mm。當(dāng)機器人臀部凸輪轉(zhuǎn)動時，B點的滑塊左右滑動，根據(jù)上一節(jié)的計算結(jié)果，滑動距離為5.4mm?，F(xiàn)在確定B點在凸輪回程結(jié)束點、推程中某一點、遠休止點的三個坐標(biāo)分別是，，，其中。所對應(yīng)的AD的轉(zhuǎn)動角度為。為上臂處于第一位置〔即自然垂下〕時的肩膀轉(zhuǎn)角，為上臂抬高到上限位置時的肩膀轉(zhuǎn)角。具體如以以下圖所示：圖4-3手臂平面連桿機構(gòu)運動規(guī)律圖中,。從圖中容易看出，因為EAD是繞固定點A轉(zhuǎn)動的一個剛體，AD的轉(zhuǎn)動角直接等于AE的轉(zhuǎn)動角。根據(jù)所要實現(xiàn)的精確位置可以寫出從第一精確位置到第二和第三精確位置的位移矩陣和。==由于點E是該剛體上的點，由剛體的位移矩陣方程有：同時，點E又是連架桿BE上的點，連架桿BE的運動形式是繞點B轉(zhuǎn)動，且B點水平往復(fù)移動。點E到點B的距離應(yīng)保持不變，有運動約束方程：代入上式中，可得到2個含有兩未知數(shù)的設(shè)計方程，這樣的方程組能夠解出唯一解。設(shè)計要求實現(xiàn)的連桿精確位置如下表所示，那么可進行如下的數(shù)值計算：表4-3設(shè)計要求實現(xiàn)的連桿精確位置0-6002.7-6005.4-600因為假設(shè)了，那么設(shè)計方程可以整理關(guān)于變量的如下的線性方程組：代入表4-1中和的值化簡線性方程組，可以得到：解之得：，桿長第5章機構(gòu)運動及動力分析5.1動態(tài)靜力分析以大腿機構(gòu)為例，進行機構(gòu)的動態(tài)靜力分析：大腿受力分析：〔如圖5-1所示〕圖5-1大腿BAGF桿受力分析〔2〕小腿受力分析：〔如圖5-2所示〕圖5-1小腿EFH桿受力分析5.2運動仿真分析集成課程設(shè)計要求所有的零部件的造型都在solidworks中完成，并在其中進行相應(yīng)的機構(gòu)設(shè)置及仿真設(shè)置，然后對設(shè)置好的機構(gòu)進行運動學(xué)及動力學(xué)求解，并分析求解結(jié)果。圖5-1導(dǎo)入模型，加載力矩，進行仿真設(shè)置如圖，進行相應(yīng)的機構(gòu)設(shè)置及仿真設(shè)置，下面以手臂肩部的轉(zhuǎn)動為例，對機器人的肩部加載Z方向的力矩。以以下圖描述了在機構(gòu)運動過程中構(gòu)件力矩動態(tài)變化的情況。圖5-2Z方向力矩幅值對機器人的四個電機進行設(shè)置并仿真運動。取腳尖一點代表腳部運動。5.2.1腳尖分析腳尖位移分析圖5-1腳尖X方向位移分量可以從圖中看出腳尖位移大致符合勻速運動，即位移隨時間的推移而呈直線上升，即等速運動，符合設(shè)計要求，人正常行走時即為勻速運動，此結(jié)果說明這種方案的設(shè)計是可行的。圖5-2腳尖Y方向位移分量腳尖速度分析圖5-3腳尖XY方向速度分量圖5-4腳尖X方向速度分量由于腳部有前伸和后縮兩個主要動作，所以速度線圖有正負兩種速度，收腿時出現(xiàn)了一個小峰值，可能是由于大腿和小腿共同運動時間差導(dǎo)致的。圖5-5腳尖Y方向速度分量Y方向也出現(xiàn)了正負速度，是由于腳部的抬高和放低兩個過程。腳尖加速度分析圖5-6腳尖X方向加速度分量加速度大致圍繞在一個恒定值，隨著時間的推移，出現(xiàn)了波動，是由于振動的不斷加強導(dǎo)致。圖5-7腳尖Y方向加速度分量手臂分析手臂位移分析圖5-8手臂X方向位移分量圖5-9手臂Y方向位移分量由以上兩圖可以看出手臂的擺動根本符合勻速運動，與腳部的伸縮相互配合，到達人行走的狀態(tài)，手腳相互交替擺動。手臂速度分析圖5-10手臂XY方向速度分量圖5-11手臂X方向速度分量圖5-12手臂Y方向速度分量手臂加速度分析圖5-13手臂X方向加速度分量圖5-14手臂Y方向加速度分量第6章結(jié)論6.1兩足步行機器人機構(gòu)特點本次設(shè)計中我們利用了凸輪的運動規(guī)律，設(shè)計了凸輪輪廓曲線來較準確地控制機構(gòu)的運動路線，大致到達了人體步行動作的連貫性和穩(wěn)定性標(biāo)準。并且分別對大腿和小腿的不同運動特點采用不同的凸輪輪廓曲線，使運動更形象逼真，而凸輪又靠電機來帶動，以這種方法來實現(xiàn)機器人的行走。6.2設(shè)計的主要特點此次設(shè)計對兩足步行機器人的設(shè)計及空間運動步態(tài)規(guī)劃開展研究，具有一定的啟發(fā)性和應(yīng)用價值。機構(gòu)設(shè)計的主要特點如下。一、純機械機構(gòu)、步行穩(wěn)定、動作流暢在總結(jié)多種兩足步行機器人腿部構(gòu)型的優(yōu)缺點根底上，提出一種能夠利用純機械構(gòu)件實現(xiàn)行走的機構(gòu)，該機構(gòu)巧妙地將凸輪傳動引入到平面連桿機構(gòu)中，有效地克服一般機器人存在的行走不穩(wěn)定、動作僵硬等缺點，還具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、驅(qū)動力矩大、運動平穩(wěn)等優(yōu)點。應(yīng)用這種腿部機構(gòu)模塊設(shè)計了可以帶動手臂甩動的8自由度空間兩足步行機器人，使該機器人具有良好的整體性能。二、小功率電機驅(qū)動、節(jié)能降耗、平安環(huán)保該兩足步行機器人采用電機驅(qū)動控制，在模擬控制的約40mm/s的平均行走速度下，假設(shè)機器人重量為50kg，經(jīng)過估算可知每一個電機的功率不到30w，充分證明機器人確實完成了節(jié)能降耗、平安環(huán)保的改進。三、兼并機構(gòu)的高效合理與外觀的協(xié)調(diào)美觀基于仿生學(xué)和人體工程學(xué)，注重了結(jié)合機器人機構(gòu)的高效合理和外觀的協(xié)調(diào)美觀，在設(shè)計中詳細考慮到將一些傳動軸隱藏到機器人的胸膛和臀部中，使組建完成的機器人不僅傳動精度高、動作流暢，而且具有結(jié)構(gòu)優(yōu)良、外形自然、步行行為類人等特點。凸輪方案與滑塊方案比照，其最主要的缺點是大小腿有各自的凸輪和電機帶動，使得自由度增多，不便于初始調(diào)節(jié)。關(guān)于方案的優(yōu)劣比照，前文已經(jīng)詳細談到，這里不再贅述。另外，機器人的研制堪稱一個國家科技開展水平的衡量標(biāo)準之一，我們的設(shè)計固然存在著許多的缺點。首先是機器人的重心移動問題，在我們的論文討論中根本忽略了，然而這卻是一個十分重要和根本的問題。然后關(guān)于機器人的傳感控制局部，這在電氣和計算機專業(yè)的碩士論文中非常常見，更是構(gòu)型分析和性能要求的重點，但遺憾的是本論文并未涉足。其三，由于知識水平的欠缺，我們沒有對機器人的步態(tài)規(guī)劃和運動理論分析及優(yōu)化方面進行研究。6.3設(shè)計結(jié)果從三維仿真效果看，設(shè)計的兩足步行機器人行走穩(wěn)定自然、動作連貫流暢，大小腿的抬動和放低動作到達了準確位置的要求，手臂的甩動符合常人行走的特征，角度亦完全正確，根本實現(xiàn)了設(shè)計目標(biāo)和要求。從運動學(xué)仿真的結(jié)果看，位移曲線相當(dāng)光滑并且隨時間的推移而呈直線上升，即等速運動，符合設(shè)計要求，人正常行走時即為勻速運動，此結(jié)果說明這種方案的設(shè)計是可行的；速度曲線由于腳步的位置變化而有正負之分，收腿時出現(xiàn)了一個小峰值，可能是由于大腿和小腿共同運動時間差導(dǎo)致的。Y方向也出現(xiàn)了正負速度，是由于腳部的抬高和放低兩個過程，總體較為穩(wěn)定；加速度曲線大致恒定，隨時間推移出現(xiàn)了小的波動，是由振動的不斷加強導(dǎo)致的。第7章收獲與體會首先,對機械原理這門課程有了更深入的了解。平時只停留在一個初等的感性認識水平,沒有真正的理解透所學(xué)的具體原理該如何應(yīng)用的問題,但在自己做設(shè)計過程中老在問為什么,如何解決,通過這樣的想法，使自己對自己所學(xué)的理論有了深入的理解.在設(shè)計過程中,如何才能把所學(xué)的理論運用到實際中,這才是我們學(xué)以所獲,學(xué)以致用的真正宗旨,這也是當(dāng)我們從這個專業(yè)畢業(yè)后所必需具有的能力,這也更是從學(xué)到時間的過程,才能為自己在以后的工作中游刃有余,才能為機械工業(yè)的開展盡綿薄之力.其次對所學(xué)的專業(yè)課產(chǎn)生了很大的興趣，對專業(yè)軟件的運用更加熟練。在做設(shè)計的過程中,發(fā)現(xiàn)機械的很多東西滲透在我們生活的方方面面,小到鐘表,大到航天器。這也給自己很大的學(xué)習(xí)范圍和任務(wù)，更給了自己很大的開展空間和興趣的培養(yǎng)。在設(shè)計機構(gòu)和動畫模擬以及運動模擬分析的過程中，不斷地操作如AutoCAD、SOLIDWORKS、ADAMS這些機械設(shè)計專業(yè)軟件，不僅穩(wěn)固了機構(gòu)簡圖、運動原理的知識，而且讓我們在短短的時間里快速地學(xué)會了新的制圖軟件，觸摸了高端的機械設(shè)計工具，為畢業(yè)以后的機械行業(yè)繼續(xù)深造提供了必要的軟件根底。最后對團隊的合作有了更深的體會。每個人不可能方方面面都會，這就需要團隊組員各自發(fā)揮自己的優(yōu)點，說出各自的想法，取長補短，這樣才能從別人身上學(xué)到自己所缺的能力和品質(zhì)，在現(xiàn)代的企業(yè)合作中，團隊合作精神是很重要的，各個產(chǎn)品的開發(fā)都需要很多人傾注心血，這樣才能使企業(yè)有長遠的開展。設(shè)計過程中我主要負責(zé)文獻資料的查找與整理，方案評價和選擇，傳動設(shè)計與計算，設(shè)計說明書的編寫，PPT制作。黃凱主要負責(zé)方案設(shè)計，三維建模，運動仿真，凸輪設(shè)計與校核，動力學(xué)仿真結(jié)果的分析。機構(gòu)尺寸共同設(shè)計完成。這門課程的結(jié)束是我們這學(xué)期學(xué)習(xí)的終點，但卻是我們再學(xué)習(xí)、再創(chuàng)造的開端，學(xué)海無涯，天外有天，我們將繼續(xù)加強對機械綜合設(shè)計這門學(xué)科的學(xué)習(xí)和研究，以更飽滿的熱情投入到今后的學(xué)習(xí)生活中，做不斷探索，勇于創(chuàng)新的西南交大機械學(xué)子。第8章致謝本次課程設(shè)計原本是設(shè)計一個兩足步行椅，然后得到了何朝明老師的建議和悉心指導(dǎo)，最后完成了這個行走機器人，在此對他表示衷心地感謝。參考文獻YusukeSetal.Designofabattery-poweredmulti-purposebipedallocomotorwithparallelmechanism[A].proceedingsofthe20**IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems[C].Lausanne,Switzerland:20**.2658-2663.郭清.教學(xué)雙足行走機器人的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2021.陳禮順.空間超冗余度機器人機構(gòu)設(shè)計及運動規(guī)劃研究[D].成都:西南交通大學(xué)，2021.8宋繼祥等.兩足步行機器人的靜態(tài)平衡分析[J].煤礦機械,20**,〔28〕:72-74李紅兵.兩足步行機器人機構(gòu)設(shè)計及步態(tài)規(guī)劃研究[D].南京:東南大學(xué),2021.5梁靜強.雙足步行機器人機構(gòu)設(shè)計及運動學(xué)仿真[D].南昌航空大學(xué),20**.6ShuujiKajitaandKazuoTANI.ExperimentStudyofBasedDynamicWalkingintheLinearPendulumMode[J].Proceedingofthe1995IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation,2885-2889.GONGTao,CAIZ-ixing.Parallelevolutionarycomputingand3-tierloadbalanceofremoteminingrobot[J].Trans.NonferrousMet.Soc.China,20**,〔13〕:948-952QHuang,SKajitaetal.AHighStability,SmoothwalkingPaternforaBipedRobot.ProceedingofICRA'99,65-71.LIUChanghuanetc.BipedRobotwithTriangleConfiguration[J].CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERING,2021,〔25〕:20-28附錄1建模過程：〔一〕大腿的建?！捕承⊥冉！踩衬_掌建?！菜摹炒笫直鄣慕！参濉惩尾康慕！擦成仙斫！财摺城案鞑考！舶恕惩馆喭ㄟ^SOLIDWORKS使用參數(shù)自動生成。生成的大小凸輪如下?！簿拧逞b配與組建工作?！彩辰o凸輪裝以驅(qū)動馬達〔十一〕模擬環(huán)境下進行動力學(xué)仿真附錄二

附錄三一、兩足步行機器人的研究現(xiàn)狀機器人是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)開展的必然產(chǎn)物，人類創(chuàng)造機器人的目的就是設(shè)法用機器人代替人類從事某種工作或效勞人類。雙足機器人的研制開始于上世紀70年代末，由于國內(nèi)外許多學(xué)者都從事于這一領(lǐng)域的研究工作，使得雙足機器人的研究工作進展迅速，如今已經(jīng)成為機器人技術(shù)領(lǐng)域的主要研究方向之一。從開展到現(xiàn)在，所經(jīng)歷的時間雖然不長，可是在各國研究人員的致力研究下，已取得了不少成果，也裝配出了不少樣機。雙足行走機器人可以按照自由度、機構(gòu)類型、控制方式等的不同來進行分類。雙足行走機器人按照步行機構(gòu)自由度數(shù)目的多少可分為多自由度步行機器人和少自由度步行機器人。少于7個自由度的為少自由度步行機器人，其它為多自由度步行機器人。多自由度步行機器人由于機構(gòu)自由構(gòu)件多，因而動作空間大、靈活性好、適應(yīng)環(huán)境能力強、變速較為方便。但由于動力源較多，因而體積大、重量較重、控制比較復(fù)雜、控制精度要求高、本錢高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、研制難度大。而少自由度步行機器人卻具有與之恰好相反的優(yōu)缺點。但少自由度步行機器人也可以應(yīng)工作環(huán)境要求在其上增加自由度，對系統(tǒng)作相應(yīng)改變，這是一個從簡單到復(fù)雜，從低級到高級的過程，從而到達滿足實用的要求。另外在一定的工作環(huán)境中，少自由度步行機器人同樣能完成一定的預(yù)期工作，而且能發(fā)揮它體積小、重量輕、價格低的優(yōu)勢、對于使用要求在一定的空間范圍內(nèi)的用戶具有很大的吸引力。所以無論從長遠的開展的觀點還是從目前的現(xiàn)實可行性出發(fā)，開發(fā)少自由度步行機器人仍是當(dāng)前的開展方向。目前認為比較成熟且廣泛被人們認識的主要有純機構(gòu)形式、仿生機構(gòu)形式和控制學(xué)的多關(guān)節(jié)等三種。純機構(gòu)形式的典型應(yīng)用有東京大學(xué)舟橋彥明教授采用的平面連桿機構(gòu)，其特點是自由度較少，具有少自由度步行機器人特點；仿生機構(gòu)形式類似于人足的純關(guān)節(jié)形式，其代表有早稻田大學(xué)加藤--fig先生研究的純關(guān)節(jié)雙足機器人〔WL．5型〕，其特點是仿照人腳形式，通過各關(guān)節(jié)的聯(lián)合動作實現(xiàn)步行移動；控制學(xué)形式如東京大學(xué)的熊那么付男先生研究的多自由度雙足機器人，完全使用控制理論來實現(xiàn)。按照應(yīng)用環(huán)境的不同，機器人可以分為工業(yè)機器人和特種機器人兩大類。所謂工業(yè)機器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度機器人。而特種機器人那么是除工業(yè)機器人之外的、用于非制造業(yè)并效勞于人類的各種先進機器人，包括效勞機器人、水下機器人、娛樂機器人、軍用機器人、農(nóng)業(yè)機器人等。效勞機器人中專門有一類為殘疾人效勞的機器人，被稱為助殘機器人。目前有一種雙足步行椅機器人正是這種助殘機器人的一種，是在擬人機器人根底上，專為下肢殘疾、行動不便的殘疾人所設(shè)計的新型助殘機器人。二、國外研究現(xiàn)狀說起國外機器人的研究現(xiàn)狀，不得不先提到日本。日本是世界上最早研究雙足步行機器人的國家之一。其研究主要集中在大學(xué)和大型公司的研究所。世界上第一臺仿人步行機器人就誕生于日本早稻田大學(xué)的加藤一郎實驗室[4]。早在1967年，早稻田大學(xué)就研制出的WL-1結(jié)構(gòu)上模仿了人體的下肢，通過雙腿模擬實驗研究出行走的根本參數(shù)。接著1969年的WL-3通過電動液壓伺服系統(tǒng)驅(qū)動下肢關(guān)節(jié)的運動可以根本實現(xiàn)人的走和坐的動作。1971年又研制出的WL-5進一步改進，雙腿各具有5個自由度，可以通過程序控制它行走方向的改變。1973年早稻田大學(xué)研制的Wabot-1是第一個完全按照人的比例研制的，實現(xiàn)了平地的靜態(tài)行走，直到現(xiàn)在，早稻田大學(xué)的機器人研究所一致在不斷改進其Wabot系列雙足步行機器人。之后加藤實驗室的WL-9DR仍然采用液壓驅(qū)動，通過16位機的控制第一次真正實現(xiàn)了準動態(tài)的擬人行走。1983年加藤實驗室研制出的WL-10R是在以前研制的根底上采用了碳纖維高強度塑料盒盤式旋轉(zhuǎn)伺服電動機驅(qū)動，可以實現(xiàn)向前向后和平面的轉(zhuǎn)彎，實現(xiàn)了每步周期1.5秒，步長40cm的平穩(wěn)動態(tài)步行。WL-10RD是在前者的根底上增加了程序控制從而實現(xiàn)平坦路面1.3秒/步，梯路面2.5秒/步的行走速度。1986年WL12以及其改進型WL-12RDIII，在腰部增加了兩個自由度，通過控制用軀干的運動來平衡下肢的運動,可以實現(xiàn)在位置路面情況下的行走。根本實現(xiàn)機器人下肢的擬人行走的自主控制。東京大學(xué)的一名名叫井上博允的教授的研究小