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1 緒論 1 1 課題的研究意義 1 2 擬人步行機器人的發(fā)展及技術(shù) 1 3 擬人步行機器人優(yōu)點及國內(nèi)外研究概況 2 擬人步行機器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計 2 1 引言 2 2 擬人步行機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2 3 擬人步行機器人的自由度配置 2 4 驅(qū)動方式的選擇 3 擬人步行機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計 3 1 總體結(jié)構(gòu)圖 3 2 頭部的部件圖 3 3 身體部分部件圖 3 4 身體腿部部件圖 35 身體腳部件圖 結(jié)束語 致謝 參考文獻 擬人步行機器人的設(shè)計方案 雙足步行機器人本體的機械結(jié)構(gòu)是研究機器人的基礎(chǔ) 結(jié)構(gòu)的好壞直接影響到機器人后續(xù)的研究工作 以雙足類 人結(jié)構(gòu)特征為基礎(chǔ) 各研究結(jié)構(gòu)研制的雙足機器人在自由 度 驅(qū)動方式 重量 高度與結(jié)構(gòu)特征等方面都存在很大 的差異 機器人結(jié)構(gòu)的不同 其控制的方式也有所不同 兩足步行機器人是對人類自身的模仿 但是人類總共 有上肢 52 對 下肢 62 對 背部 112 對 胸部 52 對 腰部 8 對 頸部 16 對 頭部 25 對之多的肌肉 從目前的科學發(fā) 展情況來看 要控制具有 400 個雙作用式促進器的多變量 系統(tǒng)是不可能的 因此 在設(shè)計步行機械時 人們只考慮 移動的基本功能 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的角度對類人機 器人的腿部自由度配置進行了深入的研究 得出關(guān)節(jié)扭矩 最小條件下兩足步行機器人的自由度配置 他認為髖部和 踝部設(shè)兩個自由度 可使機器人在不平地面上站立 骸部 再加一個扭轉(zhuǎn)自由度 可改變行走方向 踝關(guān)節(jié)處加一個 旋轉(zhuǎn)自由度可使腳板在不規(guī)則表面上落地 這樣機器人的 腿部需要有 7 2 個自由度 骸關(guān)節(jié) 3 個 膝關(guān)節(jié) 1 個 踝 關(guān)節(jié) 3 個 但是 無論現(xiàn)在的兩足步行機器人還是擬人機 器人都還只能在規(guī)則路面上行走 所以各研究機構(gòu)都選擇 了 6 2 個自由度 踝關(guān)節(jié) 3 個 膝關(guān)節(jié) 1 個 踝關(guān)節(jié) 2 個 如 哈爾濱工業(yè)大學的 HIT m 國防科技大的 先行者 本 田公司的 AsIMO 和索尼公司的 SDR 和 QRIO 具有 6 2 個自 由度的機器人的機械結(jié)構(gòu)和控制都特別的復雜 按照在能 完成研究目標的情況下 自由度最少的設(shè)計原則 在過去 的四十年中 為了不同的研究目標 人們設(shè)計了許多具有 不同自由度的兩足步行機器人 按照行走過程中的穩(wěn)定方 式 兩足步行機器人一般分為三類 1 靜態(tài)機器人 這類步行機器人的 COM Censer of Mass 始終處于支撐多邊形 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 只能實現(xiàn)靜態(tài)行走 2 動態(tài)機器人 這類步行機器人有踝關(guān)節(jié) 依靠踝 關(guān)節(jié)來保證它的 ZMP 點 Zero Momeni Censer 始終處于支 撐多邊形內(nèi) 所以可以實現(xiàn)靜態(tài)行走和動態(tài)行走 3 全動態(tài)機器人 這類步行機器人的踝關(guān)節(jié)沒有驅(qū) 動 甚至沒有踝關(guān)節(jié)所以 支撐多邊形在單腳支撐期縮小 成一個點 在雙腳支撐期縮小為一條線段 所以 這類機 器人不能保持靜態(tài)平衡 只能實現(xiàn)動態(tài)行走 8 9 自由度數(shù)最少的兩足步行機器人只有一個自由度 如 圖 2 1 所示 這類機器人沒有軀干 兩條腿直接鉸鏈在一 起 這類機器人理論上只有一個自由度 實際上 為了防 止擺動腿擺動時和地面干涉 這兩條腿都必須是可以伸縮 的 加上這兩個平移自由度 這個機器人實際上有 3 個自 由度 它的運動學模型是平面的 沒有側(cè)向運動 在徑向 平面內(nèi)的運動象一個兩腳圓規(guī) 在雙腳支撐期 沒有冗余 自由度 這類兩足步行機器人不能保持靜態(tài)平衡 屬于完 全動態(tài)機器人 在僅受重力作用時 可以在斜面上行走 圖 1 一個自由度的兩足步行機器人 雙足機器人的自由度配置 我們設(shè)計了一個雙足步行機器人模型 如圖 2 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) 行走機構(gòu)能實現(xiàn) 平地前后行 爬斜坡等功能 動力源采用舵機直接動 這 樣不但可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊 傳動精度高以及大大增加關(guān)節(jié) 所能達到的最大角度 而且驅(qū)動源全為電機 便于集中控 制和程序化控制 圖 3 雙足步行機器人模型 圖 3 模仿人類 肩關(guān)節(jié)三個自由度 前向和側(cè)向自由度 一般不考慮轉(zhuǎn)動的自由度 肘關(guān)節(jié)兩個自由度前向和側(cè)向 自由度 腕關(guān)節(jié)一個自由度 踝關(guān)節(jié)有兩個自由度 前向 和側(cè)向自由度 膝關(guān)節(jié)只有一個前向自由度 髖關(guān)節(jié)處要模 擬人類髖關(guān)節(jié)行為理論上要求有三個正交的自由度 但在 機器人直線前進時只需要正交的前向和側(cè)向自由度 同樣 不考慮 5 6 畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文 設(shè)計 論文 題目 擬人步行機器人的設(shè)計 學生姓名 指導教師 二級學院 專 業(yè) 班 級 學 號 提交日期 年 月 日 答辯日期 年 月 日 金陵科技學院學士學位論文 目錄 II 目 錄 摘 要 III Abstract IV 1 緒論 1 1 1 國外仿人機器人的介紹 1 1 1 1 HODON 仿人機器人 1 1 1 2 HRP 仿人機器人 2 1 1 3 索尼仿人機器人 2 1 1 4 韓國仿人機器人 KHR 3 1 2 國內(nèi)仿人機器人的研究 4 1 2 1 先行者 仿人機器人 4 1 2 2 BHR 01 仿人機器人 5 2 擬人步行機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計分析 6 2 1 確定基本技術(shù)參數(shù) 6 2 2 擬人步行機器人的結(jié)構(gòu)分析 6 2 3 擬人步行機器人的自由度配置 9 2 4 驅(qū)動方式的選擇和舵機工作原理 11 2 4 1 驅(qū)動方式的選擇 11 2 4 2 舵機的工作原理 12 3 擬人步行機器人圖 13 3 1 總體結(jié)構(gòu)三維圖 13 3 2 臂部結(jié)構(gòu)三維 15 3 3 部分零件三維圖 15 總 結(jié) 18 參考文獻 19 致 謝 20 金陵科技學院學士學位論文 摘要 III 擬人步行機器人的設(shè)計 摘 要 機器人屬于機電一體化系列產(chǎn)品之一 擬人步行機器人已經(jīng)成為當今科學家專家們 的研究重要對象 擬人步行機器人的設(shè)計研究深入到各個領(lǐng)域 比如機械 電子 信息 論 人工智能 生物學以及計算機等諸多學科知識 機器人的發(fā)展同時也促成了這些學 科的發(fā)展 本文對一種使用在擬人步行機器人結(jié)構(gòu)進行設(shè)計 并完成總裝配圖和零件圖的繪制 要求對機器人模型進行分析 估算各關(guān)節(jié)所需轉(zhuǎn)矩和功率 完成鴕機的選型 關(guān)鍵詞 機械臂 結(jié)構(gòu)設(shè)計 擬人步行機器人 鴕機 金陵科技學院學士學位論文 Abstract IV Anthropomorphic Walking Robot Design Abstract Robot is a typical mechatronic products anthropomorphic robot walking robot is a hot research field Anthropomorphic walking robot requires a combination of mechanical electronic information theory artificial intelligence biology and computer knowledge and many other disciplines while its own development but also promote the development of these disciplines This paper an anthropomorphic walking robot for use in structural design and complete drawing and part drawing general assembly drawings Requirements for the robot model is analyzed to estimate the required torque and power of each joint complete selection of ostrich machine Keywords arm structural design anthropomorphic walking robot ostrich machine 金陵科技學院學士學位論文 1 緒論 1 1 緒論 1 1 國外仿人機器人的介紹 在機器人 美國是機器人的第一項研究中 但日本后來居上 優(yōu)良的機械技術(shù)和半 導體結(jié)合起來 在這方面 美國是世界上第一臺機器人 目前 80 的在日本機器人全 世界生產(chǎn) 人形機器的發(fā)展始于 20 世紀 60 年代末 只有三 四十年本世紀 然而 研 究進展迅速人形機器人 許多科學家都參與了這方面的研究已經(jīng)成為在機器人研究領(lǐng)域 中最重要的項目之一 許多國家在國際研究 但每個國家都有其自身的特點 日本傾向 于模仿人類的活動 主要是在歐洲 醫(yī)療服務 特別是在美國用于軍事目的 1 1 1 HODON仿人機器人 根據(jù)最有影響力的本田人形機器人人形機器人 1996 年 當?shù)诙咎镱惾藱C器人 原型 P2 圖 1 1A 他的秘密 高度 1820 毫米 寬度 600 毫米的機身重量 210 千克 共 出版的成功開發(fā)出來后 10 年 30 自由度 健身震驚國際機器人 P2 是世界無限制的樓 梯往下走的第一個人形機器人 研究 P2 跳下機器人兩足步行推向了高潮 使得本田在這 一領(lǐng)域的絕對的世界領(lǐng)先地位 1997 年 12 月本田 1800 毫米高度 1600 從原來的 210 公斤毫米減壓 130 千克 發(fā)布 P3 型雙足機器人 圖 1 1B 和 P2 型相差無幾 但重量減 輕和高度以及使用新材料鎂 3 2000 年 P2 和 P3 ASIMO 圖 1 1C 1200 毫米高 450 毫米的機身寬度問世的縮小版 重物 52 公斤 有 26 個自由度 不僅為步行 爬樓梯 各種聲音識別 也由攝像機頭捕 獲的圖像和預先設(shè)計的程序來識別各種手勢和身體動作 10 個不同的面 跑步人形機器人 以最新的技術(shù) 一旦在一定的時間段的執(zhí)行 用他的腳關(guān)同時地 面期間的機器人 目前 ASIMO 的腳從地面到 0 08s 新一代 50 毫米的距離跳投 檢查 浮動平衡 本田改善四肢和關(guān)節(jié)體控制和旋轉(zhuǎn)運動腰部的控制的結(jié)構(gòu) 改進的快速流動 的控制進行了改進中發(fā)揮重要作用 3 圖 1 1 HODON 仿人機器人 金陵科技學院學士學位論文 1 緒論 2 1 1 2 HRP仿人機器人 工業(yè)技術(shù)日本 METI 研究所于 2002 年在 1998 年開始研究人形機器人項目 經(jīng)過 五年的項目 應用 HRP 圖 1 2 機器人系列的開發(fā) 的 HRP2155 厘米身高 體重 54 千 克有 32 個自由度 特別是 6 2 腿 6 2 ARM 2 腰 2 主要 2 平均 32 2 HRP 臂具有六個自由度 肩 3 第一肘 腕 2 和一個較強的工作能力 腰圍兩個 自由度 這使得它可能的上漲后 他的第一個機器人人形下降 兩側(cè)連接到大腿懸臂懸 垂 從而增加了腿的靈活性 使得兩個支路可以外腿之間相對小的碰撞內(nèi)實現(xiàn)臀部 行 走步驟函數(shù)模型 圖 1 2 圖 1 2 HRP 仿人機器人 1 1 3 索尼仿人機器人 2000 年 11 月 索尼推出了一款仿人機器人 SDR 3X 娛樂公司 索尼夢機器人 3X SDR 3X 是一種小型人形機器人 規(guī)格為高度為 500mm 5 公斤 共 24 個自由度的寬度 220 毫米包重量 的自由度的分布 二 軀干 2 4 每個臂 每條腿 6 SDR 3X 七動作 1 最多為 15 米 分鐘向前 向后 向上橫行 2 促進旋轉(zhuǎn)速度 異步傳輸 90 度 3 從仰臥位 楊州 4 單腿站立 也做在一個斜坡上 工藝 5 走在凹凸不平的地 面這個動作 6 打 7 舞 2003 年 SDR 機器人 SDR 4X SDR 4XII 最新型的改進版 如圖 1 3 出 580 毫米 寬 270 毫米機身 重量為 7 公斤 共有 38 個自由度 現(xiàn)更名 為 QRIO QRIO 不僅能夠行走 還可以躺下 站起 多機器人同步舞蹈 作為一個娛樂 機器人 可以與他人共同生活 帶來的樂趣和享受 QRIO 很快就會上市銷售 如圖 1 3 所示 金陵科技學院學士學位論文 1 緒論 3 圖 1 3 索尼仿人機器人 1 1 4 韓國仿人機器人 KHR KAIST 韓國科學技術(shù)院 于 2002 年 1 月 在智能機器人的發(fā)展 今年八月發(fā)展吳 君浩教授正式開發(fā) 智能機器人韓國 KHR 1 的首體 并于 2003 年 1 月運行 khr 1 然后 身體 圖 1 4 左 十二月 KHR 2 開發(fā) 只能機器人在 2004 年 8 月執(zhí)行 shutdown 線 KHR 1 1200 毫米高 體重 48 公斤 共 21 個自由度 下部構(gòu)件 12 臂 8 腰部 KHR 2 1200mm 高度 秤砣 54 公斤 有 41 個自由度 其蔓延 前六 八臂 手和腿 14 12 2004 年 12 月 22 日 韓國科學技術(shù)院已成功開發(fā)出新型智能機器人 HUBO 新的智能機 器人高度 1 250 毫米 體重宣布 300 mm 的前 55 千克類型 可以運行識別和語音 1 2 公 里 距離眼睛能轉(zhuǎn)動的一個小時 合成 并具有良好的功能視覺 41 連接器 輕輕打開 五指分開的活動 與人握手 石頭 剪子 布 游戲 會跳布魯斯舞 圖 1 4 KHR 2 和 Hubo 仿人機器人 1 2 國內(nèi)仿人機器人的研究 中國在 六五 計劃 以解決機器人列國家重大研究計劃的內(nèi)容 撥巨款在全國第 金陵科技學院學士學位論文 1 緒論 4 一個機器人的研究示范項目的沉陽 展開了全面的理論和基本組件機器人基地 在過去 的十年中 已經(jīng)開發(fā)了教學和演奏治療 點焊 弧焊的類型 生產(chǎn)噴涂 裝配工業(yè)機器 人和水下作業(yè) 軍事和特種機器人的完整范圍 此時 教學和機器人技術(shù)的類型的播放 已經(jīng)變得成熟 以及促進在植物中使用的 長春第一輛車的作品 自己的油漆生產(chǎn)線操 作機器人東風汽車工廠 國家發(fā)展計劃 863 高科技始于 1986 年 3 月 被列入研究 智能 機器人內(nèi)容的開發(fā) 現(xiàn)在 我們必須加快生產(chǎn)和應用 與中國國情相結(jié)合 生產(chǎn)出結(jié)構(gòu) 簡單 成本低 實用機器人和特種機器人 這項研究還支持國家人形機器人 863 和自然科學基金項目時 連續(xù)多年 如國防科 技大學 哈爾濱工業(yè)大學 北京理工大學 清華大學 上海交通大學 理工大學和永久 的一部分中國已建立了一個原型人形機器人開始 4 1 2 1 先行者 仿人機器人 在中國 國防 科學技術(shù)是機器人的第一發(fā)展 科技部和國防科技大學于 1988 年研 制成功的聯(lián)合計劃 6 英尺 1990 年 1210 系統(tǒng)空間公共關(guān)節(jié)機器人 人類行走的基本 任務開發(fā)的 2000 年 11 月 30 日 先進的機器人在國防科技大學研制成功 先鋒 的高度 140 厘米 體重 20 公斤 上肢和下肢模仿簡化 旋轉(zhuǎn) 15 度 可以是在地面上 向前 向后 向左 右 左 右移動 手臂旋轉(zhuǎn)頭可以左右旋轉(zhuǎn)的權(quán)利 可以證明所有的目光閃爍 和 某些語言技能 動態(tài)頻率步驟 2 秒散步迅速在小的偏差 在一個不確定的環(huán)境中運行 在 機械結(jié)構(gòu) 控制系統(tǒng) 規(guī)劃和協(xié)調(diào)運動控制的整體結(jié)構(gòu)提出了一些進展 但 先鋒 的 機器人的原型 在交通 特別是人的肢體語言的類似要求 如圖 1 所示 圖 1 5 先行者 仿人機器人 1 2 2 BHR 01仿人機器人 目前的結(jié)果是一個新的發(fā)展 成功的在 2002 年 12 月 北京工業(yè)學院 我們的第一 個真正的人形機器人 BHR01 中 惠童 一個中國名字 金陵科技學院學士學位論文 1 緒論 5 身高 158 厘米和 BHR 01 體重 76 公斤 33 度 特別是 6 2 的 7 2 ARM 工具 2 2 BHR 33 01 可以模仿 前進 后退 邊 角 上樓梯 太極 整個行動 與視覺 語音對話 力量 平衡等 1 英里每小時的步伐走路 33 厘米 此 外 空載運行 根據(jù)自己的高度平衡 實現(xiàn)穩(wěn)定的步行道不明 太極拳 BHR 01 的部 署 這些特點研制成功 標志著我國已經(jīng)有機器人機構(gòu) 控制 傳感器 電源 在一個 高度集成的技術(shù) 如圖 1 6 所示 圖 1 6 BHR 仿人機器人 金陵科技學院學士學位論文 2 擬人步行機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計分析 6 2 擬人步行機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計分析 2 1 確定基本技術(shù)參數(shù) 為實現(xiàn)全面自由的制度空間位置的 19 可以結(jié)合不同的體育項目 根據(jù)本課題的設(shè) 計可以為以下五種方案 這是一個圓柱狀的旋轉(zhuǎn)運動通過兩個移動 共有三個自由運動 工作空間圖形是圓 柱形的 類型和協(xié)同工作的身體條件在同一空間 體積小 而大的運動 b 直角坐標直角坐標系下的工業(yè)機器人的運動 是由三個正交的空間組成的 圖 形是一種梁在軸向位移軸距離 可直接讀出 簡單 方便的位置 姿態(tài)規(guī)劃 定位精度 一個簡單的身體結(jié)構(gòu) 但空間的體積和靈活性較差 c 協(xié)調(diào)型球和極性 包括兩個旋轉(zhuǎn)和直線運動 即旋轉(zhuǎn) 俯仰和伸展運動 空間 的一個球 可以上下移動和地面運動可以爬行或工作相對較低 結(jié)構(gòu)緊湊 大尺寸的特 征空間 但結(jié)構(gòu)復雜 D 也被稱為綜合協(xié)調(diào) 機器人的上肢前臂前三個關(guān)節(jié) 其中以共同的 普遍的支柱 和規(guī)模 這些機器人臂之間形成后 肩 臂和小臂之間形成的大臂肘 回臂和小臂開口 與波的特征 規(guī)模較大的靈活性 工作場所 通用性強 可以通過一個對象的把握 E 面有兩個共同關(guān)節(jié) 兩個聯(lián)合檢查之前和之后 從左到右 共同執(zhí)行移動是移動的 空間的橫截面的轉(zhuǎn)動軌跡圖形 矩形 高移動連接長度 共同形成的兩個角決策的截面 尺寸的大小 形狀 在一個方向的剛度較大的靈活性 在垂直方向 很簡單 動作靈活 用于裝配組件 特別是小規(guī)格的會議 超過五個方案 方案不能完全實現(xiàn)所需的行動方案 第二 復雜結(jié)構(gòu)的方案 三種 方案 五不到這個問題的基礎(chǔ)上 采取行動 研究的四個方案 決定考慮機器人 這些 節(jié)目的小空間 空間 動作靈活 加工精度 為了深入研究所奉獻的機器人 從而實現(xiàn)目標函數(shù)的機構(gòu)運行 必須深入認識和理 解 2 2 擬人步行機器人的結(jié)構(gòu)分析 其他人模仿短機器人的人類 再加上一共有 52 對上下肢 雙下肢 62 在后面的 112 胸 52 8 從腰部 頸部 16 比頭部的肌肉 25 個 按目前的發(fā)展在科學判斷 有 400 雙重作用來控制推廣多變量系統(tǒng)是不可能的 因此 在步行機 人們只考慮基本功能 的運動的設(shè)計 例如 只有平面或具有屏障 15 的已知周期 鄭元方博士仿生學角度出發(fā)做了全面檢查人形雙腿配置自由度機械手 關(guān)節(jié)力矩短 仿人機器人的配置最低標準的條件下生產(chǎn) 他認為 髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的兩個自由度 在 不平的地面上 臀部和反向自由足機器人 你可以改變行程 踝關(guān)節(jié)和一定程度的自由 旋轉(zhuǎn)的方向可以使表面凹凸不平在你的腳下的土地 一個機器人銷 7 2 個自由度 3 髖 膝 1 3 腳踝 金陵科技學院學士學位論文 2 擬人步行機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計分析 7 但現(xiàn)在 一個機器人或機器人只能在運行規(guī)則 所以在不同的機構(gòu)有選擇的自由度 6 2 髖關(guān)節(jié) 膝關(guān)節(jié) 3 1 2 如 大學 擊中三大防御先鋒 因此 本田和特別 提款權(quán) SDR 和索尼公司可利歐一起 機械結(jié)構(gòu)和機器人的控制 6 2 個自由度是非常復雜的 調(diào)查的結(jié)論 根據(jù)目標 至 少對于設(shè)計自由度 在過去 40 年中 其它的目的的原則 有很多人有不同程度的機器人 的自由度 根據(jù)工藝穩(wěn)定性 機器人它們被分為三類 1 本機器人靜態(tài)機器人 COM 中心的支持一直在哈爾濱工程大學 大量 多邊 形內(nèi)部的支持和支撐腿的腳的輪廓 支持兩個腳的邊緣包圍多邊形 所以只是默默的走 著 2 動態(tài)的機器人 機器人依靠 只有確保 ZMP 零 Momeni 一直在支持中心 的多 邊形 從而實現(xiàn)靜態(tài)和動態(tài)步態(tài) 3 完全動態(tài)的機器人 它的踝關(guān)節(jié)上沒有驅(qū)動 基本無踝關(guān)節(jié) 因此 在支持多 邊形的內(nèi)部支持減少到一個點上 以減少支撐線 所以這類機器人的靜態(tài)平衡 可以實 現(xiàn)動態(tài)行走 然后 根據(jù)自由至少能夠?qū)崿F(xiàn)類似人行走機器人多個參考模型 行走的人形機器人 的功能結(jié)構(gòu)的原理 要計算自由度 我們采用了以下原則 因為機器人一端固定在機器 人單腿支撐結(jié)構(gòu)開放 自由連鎖 機器人而腿關(guān)閉冗余自由度的鏈結(jié)構(gòu)分析 的自由度 的數(shù)目 至少一個人行走機器人只有一個自由度 如圖 2 1 圖 2 1 這些機器人不干直接源于兩雙腿并攏 這種類型的機器人的 在理論上 自 由的只有一個度 事實上 介入 以防止擺動腿和地板 腿必須是可伸縮的 兩個平移 自由度 機器人實際上三個自由度 它的運動學模型是像兩只腳的圓運動的徑向平面平 側(cè)向運動 在腿上 沒有冗余自由度 此行走人形機器人不能保持靜平衡是一個完全動 態(tài)的機器人 當時只有靠重力 可以去的山坡上 圖 2 1 一個自由度的擬人步行機器人 圖 2 2 是一個四自由度機器人簡圖 這種機器人結(jié)構(gòu) 是由兩條腿和一個軀干組成 的 這個機器人的模型飛機 沒有橫向移動 以避免對傾銷的定義 兩個腳 腿上的徑 向垂直的平面 的方向上的表面的運動方案 在五個離合器 包括船體和結(jié)構(gòu)變化的兩 個腿 和四個自由度的機器人 這個機器人屬動態(tài)型的 可以在水平面內(nèi)直線走了幾步 金陵科技學院學士學位論文 2 擬人步行機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計分析 8 然后雙腿 因為有一個很大的影響 圖 2 2 四個自由度的擬人步行機器人 這是一個圖 2 3 八度的機器人 圖 2 3 顯示了人形機器人行走八度的自由 這些包 括軀干和兩條腿 臀部和膝蓋關(guān)節(jié)是最高的自由和踝度橫向轉(zhuǎn)動自由度由報頭和一個自 由度 倒立擺模型作為剛性腳踝從側(cè)縫自由的只有一個程度的橫向移動 使外側(cè)平衡 包括 7 連桿 6 并在運動的徑向方向上的關(guān)節(jié) 該型機器人的行走在平坦的山坡上和地板 上 上下樓梯 但因為只有一個踝關(guān)節(jié)的側(cè)面 以使共同驅(qū)動馬達的性能方面 并且需 要控制的更大的精確度 往往轉(zhuǎn)儲輸出側(cè) 圖 2 3 八個自由度的擬人步行機器人 該機器人是在圖 2 4 示出的真正的自由機器人 12 這三個自由度漫游器髖關(guān)節(jié)和膝 關(guān)節(jié)有一定的自由度 只有兩個度 運動的表面 包括五道杠 四自由度 包括在酒吧 土壤運動和 76 度 由于髖關(guān)節(jié)周圍的垂直軸自由轉(zhuǎn)動 因此 這些機器人可以彎曲期間 六個這樣的機器人 這些機器人的冗余 是一個動態(tài)的機器人 可以在一般的水平地面 塑料瓦 地面或草原 和斜坡走也可以走樓梯 旋轉(zhuǎn)和這些機器人可以很容易的 在 手臂和脖子上更普遍的接受 金陵科技學院學士學位論文 2 擬人步行機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計分析 9 圖 2 4 具有十二個自由度的擬人步行機器人 從上面的分析我們可以看出 這類機器人是從完全動態(tài)機器人到動態(tài)機器人 大多 數(shù)人在腳支撐期可作為重心腳到另一只腳 但相對的 在某些時期 有很多問題 無論 機器人結(jié)構(gòu)的腿 在巨大的沖擊 因此不保證不平衡在膝關(guān)節(jié) 特別是機器人 2 3擬人步行機器人的自由度配置 總之 我們設(shè)計了稱為 XW XW 機器人機械手 或腳模式 在圖 2 6 中普通的結(jié)構(gòu) 清除所示的結(jié)構(gòu)特征 該機構(gòu)可以在地面行走 邊坡等直接與電源驅(qū)動 所以不僅結(jié)構(gòu) 緊湊 精度與大量增加的最大的角落 如果發(fā)動機的控制規(guī)律 并對控制系統(tǒng)中的應用 圖 2 6 雙足步行機器人模型 圖 2 6 經(jīng)過三次自由人 肩膀和一般自由 無論兩自由度旋轉(zhuǎn) 肘部和自由 脈沖 的自由 自由之前只有兩個自由度 自由只是一個膝 髖模擬的三個垂直要求彼此的行 為 而是自由的在機器人前面的程度可以由沒有 考慮 如表 2 1 金陵科技學院學士學位論文 2 擬人步行機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計分析 10 表 2 1 機器人關(guān)節(jié)編號 兩條腿 走路 其中一個在穩(wěn)定性和靈活性的內(nèi)在動力足站立不穩(wěn)的主要問題 你可以步行到模仿的動作 機器人的設(shè)計和規(guī)劃是非常重要的 在設(shè)計時必須考慮的機 器人關(guān)節(jié)力矩的問題的一個主要的限制機構(gòu)的剛度 鉛的腿 如果稅會導致?lián)p壞的機器 人重量欄之間的連接材料 操作簡便 維修方便等優(yōu)點 等 基于仿生學原理 設(shè)計長度比四肢和人類肢體的長度 以提高機器人的穩(wěn)定性是更 大的模型 為了簡化動力計算和運動和髖 踝嚙合雙縫結(jié)構(gòu) 削弱和非線性的 并能適 應的解離飛機的水平運動 材質(zhì) 重量輕 剛性的選擇原則 為韌性斷裂鋁 重量 材料主要原料的機器人 2 4 驅(qū)動方式的選擇和舵機工作原理 2 4 1 驅(qū)動方式的選擇 驅(qū)動機構(gòu)的聯(lián)合運動的推動力量 目前 特別是氣動 液壓 伺服電機驅(qū)動 兩條 腿走路 人的作用相當于肌肉中 當連桿和關(guān)節(jié)的機器人提出了骨頭 然后開車在肌肉 移動或改變輪胎通過機器人的構(gòu)型 必須有加速或減速稅足夠的流量 同時 駕駛員必 須準確 靈敏且易于光 經(jīng)濟性 操作和維護 現(xiàn)在已經(jīng)有很多驅(qū)動器 常用的有如下 1 電機的轉(zhuǎn)向 電機 電機直接 2 液壓傳動 3 驅(qū)動程序 4 形狀記憶合金 5 超磁致伸縮驅(qū)動器 金陵科技學院學士學位論文 2 擬人步行機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計分析 11 剛度和液壓驅(qū)動活塞精密一起做 剛性固定的活塞和汽缸油 促進氣缸活塞的內(nèi)部 壓力的調(diào)節(jié)結(jié)束時 液壓缸的另一端可以控制活塞油的移動量 早在大型工業(yè)機器人 液壓系統(tǒng)的廣泛應用 大重量的轉(zhuǎn)矩 功率高 穩(wěn)定可靠 響應速度快 力量 速度 驅(qū)動自動控制等 在工業(yè)機器人廣泛用于大規(guī)模 液壓 重扭矩 高功率 穩(wěn)定和可靠 快速反應 強度 速度 驅(qū)動器和在開始自動控制 但該方法的成本高 重量和復雜性 可傾倒甚至爆炸 VA 和由于其固有的腳大 缺點不可行駛 氣動 成本低 控制簡單 氣動裝置作品和液壓系統(tǒng)的壓縮空氣的供應時 氣缸和 工程大學哈爾濱手動控制閥或電磁的線性或旋轉(zhuǎn)運動 精密閥門要求不高氣動液壓元件 快速控制 無污染 但由于位置很難控制 只能免費使用 1 2 關(guān)節(jié)限制 定義為各種可 能的聯(lián)合執(zhí)行類型 在一個簡單的操作 運輸和穩(wěn)定性 除了需要壓縮空氣 水 液壓 與氣動驅(qū)動更大的能量是不可能實現(xiàn)的 很難直接應用到雙足機器人系統(tǒng)的行為 機器人各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn) 出現(xiàn)在電腦前 主要的問題是低成本電腦來控制大量的旋轉(zhuǎn) 因此 最好的線路單元時 今天的成本 電機和控制顯著減少 有效利用晶體管構(gòu)成 可以驅(qū)動的強大動力 價格越來越便宜的微型計算機 總成本的比例大大降低了計算機 機器人 甚至在每個自由或微處理器關(guān)節(jié) 根據(jù)以上分析 可以得出結(jié)論 廉價的電機 驅(qū)動 精確且易于管理 可靠 易于使用 機器人是比較常見的 直接由發(fā)動機 一直是記憶形成尚處于研究開發(fā)階段 在不久的將來 這將是有幫 助的 步行兩條腿 直接驅(qū)動 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是運動中的核電廠的應用模式中 信號是調(diào)制 信號的脈沖寬度 所以很容易用數(shù)字系統(tǒng)的標準接口 雖然可以使用的數(shù)字設(shè)備的信號 來控制 如 PLC 安裝 SCM 轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 體積小 輸出扭矩 穩(wěn)定 控制簡單 轉(zhuǎn)向齒輪 箱 以便廣泛用于該領(lǐng)域機器人 2 4 2 舵機的工作原理 機器人的電源是研究對象劃船機 機器人控制系統(tǒng) 管理和控制系統(tǒng)有一個柵欄清 華知識管理是一個有效的玉駕駛員座椅 廣角需要改變時 維護控制 原理劃船機的工 作是 從信號控制馬達電路 齒輪傳動軸系列 車輪減速度輸出接收的信號 輸出軸和 連接到旋轉(zhuǎn)電位器的位置反饋控制電路和一個信號到控制室節(jié)氣門位置的電位器 并根 據(jù)該決定和旋轉(zhuǎn)速度以停止 片材接收的接收信號的調(diào)制路徑 只留下激勵 這是一個內(nèi)部參考 為期 20 參考 信號寬度為 1 5ms 用于與電位器輸出接收 DC 電壓 最后 在馬達片的正面和負面的結(jié) 果之間的張力 是相反的決定 讀取電機 齒輪 使級聯(lián)電壓你 0 馬達停止旋轉(zhuǎn) 其 結(jié)構(gòu)如下 最后 之間的電壓積極的和消極的結(jié)果 在電機芯片 決定是相反的 1 發(fā)動機 2 減速器 降低高速度 獲得的扭矩 3 主軸系統(tǒng) 提供你的反饋 4 電子控制板 金陵科技學院學士學位論文 3 擬人步行機器人圖 12 3 擬人步行機器人圖 3 1 總體結(jié)構(gòu)三維圖 擬人步行機器人由 42 個鋁合金材質(zhì)的零件 19 臺舵機 145 個螺母螺栓 若干導線 和 AVR 控 制板等組成 理論高約 385mm 寬約 242mm 自由度 在最廣泛的意義上說 是在一個特定的方向轉(zhuǎn)動或移動 這是一個重要的 機器人性能參數(shù) 轉(zhuǎn)向連接 通常伺服多少自由度的數(shù)量 通過設(shè)計機器人的機械結(jié)構(gòu) 在顧及到機器人類似于人類 建立的每個相互自由類似于動作來完成 頭是旋轉(zhuǎn)自由度的自由的只有一個程度 肩關(guān)節(jié)三個自由度 并提前度側(cè)無論旋轉(zhuǎn) 自由度 兩個自由度 自由的在肘部和脈自由度 調(diào)節(jié)踝關(guān)節(jié)有兩個自由度 向前和自 由度側(cè) 膝蓋只是一個自由前進 髖關(guān)節(jié) 以模擬人類行為髖理論需要三個正交的自由 但只有當也不是正交度機器人前進 直邊考慮 模型和圖 3 1 3 2 和 3 3 所示的那種 a 擬人步行機器人正面三維圖 圖 3 1 擬人步行機器人正面 金陵科技學院學士學位論文 3 擬人步行機器人圖 13 圖 3 2 擬人步行機器人反面 圖 3 3 擬人步行機器人側(cè)面 金陵科技學院學士學位論文 3 擬人步行機器人圖 14 3 2 臂部結(jié)構(gòu)三維 一個機器人臂包括六個部分 兩個和理論的線程數(shù) 約 195 毫米 50 毫米高 頂部具有 6 個自由度 一定程度的三個自由度是肩和肘 二自由度控制臂前肩和旋 轉(zhuǎn)后 和擺動 手肘 自由度控制上下 初始角度之前安裝舵機 90 這樣的擺動間的上端 致動器的最大角度為 180 當設(shè)置為 90 安裝角度 與配件不會釋放干擾可以完成簡單的擺臂和左手臂動作兼容 參 見圖 3 4 a 擬人步行機器人臂部三維圖 3 3 部分零件三維圖 輝盛 MG945 舵機 如圖 3 5 所示 圖 3 5 舵機 這些鋁部件 長度 55 50 毫米毫米的寬度 主要用于連接兩個兩個孔來連接轉(zhuǎn)向箱 金陵科技學院學士學位論文 3 擬人步行機器人圖 15 型截面圖 3 7 關(guān)于連接軸孔 其特征在于 其中用于連接齒輪連接三個孔 兩個軸孔 如圖 3 6 a 擬人步行機器人臂部零件三維圖 圖 3 6 臂部零件 專業(yè)的鋁合金尺寸 20 毫米和 32 毫米這部分 如圖 3 7 het 主要通過轉(zhuǎn)向器 如圖 3 7 b 在由螺栓固定在元件 4 然后通過上部和兩個螺栓圖 3 7 兩個連接臂組成 研究 最多的是 a 擬人步行機器人臂部零件三維圖 圖 3 7 臂部零件圖 手部零件如圖 3 8 所示 金陵科技學院學士學位論文 3 擬人步行機器人圖 16 圖 3 8 手 金陵科技學院學士學位論文 總結(jié) 17 總 結(jié) 我們的機器人的研究和應用起步較晚 但隨著國內(nèi)外機器人 社會需求的增加和技 術(shù)的進步 機器人是一個快速發(fā)展的各種小批量 生產(chǎn)和提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率和生 產(chǎn)的需要 是促進發(fā)展的一個直接焊接 由于廉價的機器人 簡單的工作 機器人焊接 問題是在后臺 這個問題就是在這個背景下 這是一個重要的研究課題 本文的主要內(nèi) 容如下 總體設(shè)計和詳細設(shè)計的機器人腰關(guān)節(jié) 機器人必須有一個簡單的 簡單的原則 等等 為了這個目的 六度的機器人結(jié)構(gòu) 包括旋轉(zhuǎn)體部分的自由的設(shè)計 手臂 手腕 6 百倍 直流電動機驅(qū)動六個選擇 與第 一齒輪傳動精度兩級位置組合 其他五個共同的齒輪和齒輪傳動的結(jié)構(gòu) 充分利用大型 武器和輕武器的空間 結(jié)構(gòu)緊湊 金陵科技學院學士學位論文 參考文獻 18 參考文獻 1 汪愷 機械設(shè)計標準應用手冊 M 機械工業(yè)出版社 1997 8 2 成大先 機械設(shè)計手冊 M 化學工業(yè)出版社 2002 1 3 徐灝 機械設(shè)計手冊 M 北京 機械工業(yè)出版社 2002 4 徐錦康 機械設(shè)計 M 機械工業(yè)出版社 2001 5 殷際英 何廣平 機器人 M 北京 化學工業(yè)出版社 2003 6 周伯英 工業(yè)機器人設(shè)計 M 北京 機械工業(yè)出版社 1995 7 陳秀寧 施高義 機械設(shè)計課程設(shè)計 M 浙江大學出版社 1995 8 8 王宗榮 工程圖學 M 機械工業(yè)出版社 2001 9 9 費仁元 張慧慧 機器人設(shè)計和分析 M 北京工業(yè)大學出版社 1998 9 10 龔振邦 機器人機械設(shè)計 M 北京 電子工業(yè)出版社 1995 11 11 吳相憲 王正為 黃玉堂 實用機械設(shè)計手冊 M 中國礦業(yè)大學出版社 1993 5 12 龐啟淮 小功率電動機應用技術(shù)手冊 M 機械工業(yè)出版社 13 馬香峰 工業(yè)機器人的操作機設(shè)計 M 冶金工業(yè)出版社 金陵科技學院學士學位論文 致謝 19 致 謝 本課題是在導師的關(guān)懷與指導 實現(xiàn) XX 在三個月的學習和生活中的學習 研究 指 導老師 我的耐心和關(guān)懷 并提出寶貴的意見 他的老師 我不但學到了科學研究的方 法也很多 但它的真相 在本文中 且在項目的最后教官 XX 老師給了我很大的幫助 不僅是對我在給定的時間刻度來完成 我也學到了很多有益的經(jīng)驗 在這里 我衷心感 謝高老師 我也想四年學習我的老師的了解 以及曾經(jīng)幫助我的同學 經(jīng)過幾個月的工作 畢業(yè)已接近尾聲 由于缺乏實踐經(jīng)驗 這樣的設(shè)計難免考慮不周 的地方 沒有教師和輔助人員的這一組中的指導 可能不會是設(shè)計為成功完成 由于開 放性的問題老師小心地管理設(shè)計的每一個環(huán)節(jié) 從查找數(shù)據(jù)已被有關(guān)更改的具體方案 教師必須提出寶貴意見 讓我受益匪淺 此外 老師會交流科學性 準確性和偉大的專 業(yè)知識 但我學習 再次表示衷心的感謝 本組教師和學生 感恩導演和老師幫我 這是辛苦的付出 一旦你有我今天積累的知識 最后 感謝人民生活在父母的照顧 我的人生道路上 她總是做每一項成就 畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文 開 題 報 告 設(shè)計 論文 題目 擬人步行機器人的設(shè)計 學生姓名 學 號 專 業(yè) 所在學院 指導教師 職 稱 年 月 日 開題報告填寫要求 1 開題報告 含 文獻綜述 作為畢業(yè)設(shè)計 論 文 答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一 此 報告應在指導教師指導下 由學生在畢業(yè)設(shè)計 論文 工 作前期內(nèi)完成 經(jīng)指導教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生 效 2 開題報告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務 處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標準格式打印 禁止打印在其它紙 上后剪貼 完成后應及時交給指導教師簽署意見 3 文獻綜述 應按論文的框架成文 并直接書寫 或打印 在本開題報告第一欄目內(nèi) 學生寫文獻綜述的 參考文獻應不少于 15 篇 不包括辭典 手冊 4 有關(guān)年月日等日期的填寫 應當按照國標 GB T 7408 94 數(shù)據(jù)元和交換格式 信息交換 日期和時間表 示法 規(guī)定的要求 一律用阿拉伯數(shù)字書寫 如 2004 年 4 月 26 日 或 2004 04 26 5 開題報告 文獻綜述 字體請按宋體 小四號書寫 行間距 1 5 倍 畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文 開 題 報 告 1 結(jié)合畢業(yè)設(shè)計 論文 課題情況 根據(jù)所查閱的文獻資料 每人撰 寫不少于 1000 字的文獻綜述 1 1 引言 什么是機器人呢 在國際上 關(guān)于機器人的定義很多 出發(fā)點各不相同 有的 強調(diào)工業(yè)機器人特征 有的側(cè)重于智能機器人 美國機器人協(xié)會認為 機器人是 一種用于移動各種材料 零件的工具或?qū)Ｓ醚b置 是通過程序動作來執(zhí)行各種任 務 并具有編程能力的多功能操作機 顯然該定義指的是工業(yè)機器人 國際標 準化組織 ISO 也有類似的定義 日本工業(yè)機器人協(xié)會 JIRA 定義機器人是一種裝 備有記憶裝置和末端執(zhí)行裝置的且能夠完成各種移動來代替人類勞動的通用機器 有些定義直接把機器人分為工業(yè)機器人和智能機器人兩種情況來解釋 認為工業(yè) 機器人是 一種能夠執(zhí)行與人的上肢 手和臂 類似動作的多功能機器 智能機 器人是 一種具有感覺和識別能力 并能夠控制自身行為的機器 我國的蔣新 松院士曾建議把機器人定義為 一種擬人功能的機械電子裝置 盡管定義各不 相同 但有共同之處 即認為機器人應具有下列特征 1 像人或人的上肢 并能模仿人的動作 2 具有智力或感覺與識別能力 3 是人造的機械或機械電子裝置 當然 隨著機器人的進化和其智能的發(fā)展 這些定義很難涵蓋其本質(zhì) 有必 要修改 1 1 2 機器人的發(fā)展及技術(shù) 1 2 1 機器人的發(fā)展 20 世紀 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)于機器人技術(shù) 的研究開始出現(xiàn) 60 年代美國的 Consolidatedcontry 公司研制出第一臺機器人 樣機 并成立了 Unimation 公司 定型生產(chǎn)了 Unimate 機器人 20 世紀 70 年代以 來 工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)蓬勃興起 機器人技術(shù)逐漸發(fā)展為專門學科 1970 年 第一 次國際機器人會議在美國舉行 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) 不同用途的機器人已進入了實用化階段 目前 盡管關(guān)于機器人的定義還 未統(tǒng)一 但一般認為機器人的發(fā)展按照從低級到高級經(jīng)歷了三代 第一代機器人 主要指只能以 示教一再現(xiàn) 方式工作的機器人 其只能依靠人們給定的程序 重復進行各種操作 目前的各類工業(yè)機器人大都屬于第一代機器人 第二代機器 人是具有一定傳感器反饋功能的機器人 其能獲取作業(yè)環(huán)境 操作對象的簡單信 息 通過計算機處理 分析 機器人按照己編好的程序做出一定推理 對動作進 行反饋控制 表現(xiàn)出低級的智能 當前 對第二代機器人的研究著重于實際應用 與普及推廣上 第三代機器人是指具有環(huán)境感知能力 并能做出自主決策的自治 機器人 它具有多種感知功能 可進行復雜的邏輯思維 判斷決策 在作業(yè)環(huán)境 中可獨立行動 第三代機器人又稱為智能機器人 并己成為機器人學科的研究重 點 但目前還處于實驗室探索階段 機器人技術(shù)己成為當前科技研究和應用的焦 點與重心 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 可以預見到 機器人將在 21 世紀人類社會生產(chǎn)和生活中扮演更加重要的角色 1 2 2 機器人技術(shù) 機器人學是一門發(fā)展迅速的且具有高度綜合性的前沿學科 該學科涉及領(lǐng)域 廣泛 集中了機械工程 電氣與電子工程 計算機工程 自動控制工程 生物科 學以及人工智能等多種學科的最新科研成果 代表了機電一體化的最新成就 機 器人充分體現(xiàn)了人和機器的各自特長 它比傳統(tǒng)機器具有更大的靈活性和更廣泛 的應用范圍 機器人的出現(xiàn)和應用是人類生產(chǎn)和社會進步的需要 是科學技術(shù)發(fā) 展和生產(chǎn)工具進化的必然 目前 機器人及其自動化成套裝備己成為國內(nèi)外備受 重視的高新技術(shù)應用領(lǐng)域 與此同時它正以驚人的速度向海洋 航空 航天 軍 事 農(nóng)業(yè) 服務 娛樂等各個領(lǐng)域滲透 目前 雖然機器人的能力還是非常有限 的 但是它正在迅速發(fā)展 隨著各學科的發(fā)展和社會需要的發(fā)展 機器人技術(shù)出 現(xiàn)了許多新的發(fā)展方向和趨勢 如網(wǎng)絡機器人技術(shù) 虛擬機器人技術(shù) 協(xié)作機器 人技術(shù) 微型機器人技術(shù)和雙足步行機器人技術(shù)等 人們普遍認為 機器人技術(shù) 將成為緊隨計算機技術(shù)及網(wǎng)絡技術(shù)之后的又一次重大的技術(shù)革命 它很可能將世 界推向科學技術(shù)的新時代 2 1 3 雙足機器人的優(yōu)點及國內(nèi)外研究概況 1 3 1 雙足步行機器人的優(yōu)點 機器人是現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展的必然產(chǎn)物 因為人們總是設(shè)法讓機器來代替人 的繁重工作 從而發(fā)明了各種各樣的機器 機器的發(fā)展和其它事物一樣 遵循著 由低級到高級的發(fā)展規(guī)律 機器發(fā)展的最高形式必然是機器人 而機器人發(fā)展的 最高目標是制造出像人一樣可以行走和作業(yè)的機器人 也就是擬人機器人 因為 它具有良好的環(huán)境適應性 并且這種優(yōu)秀品質(zhì)在高低不平的路面上以及具有障礙 物的空間里更加突出 所以與之相關(guān)的問題己經(jīng)成為研究熱點 擬人機器人的研 制工作開始于 20 世紀 60 年代 短短的幾十年時間內(nèi) 其研制工作進展迅速 步 行機器人的研制工作是其中一項重要內(nèi)容 目前 機器人的移動方式主要包括輪 式 履帶式 爬行式 蠕動式以及步行等方式 對輪式和履帶式移動機器人的研 究主要集中在自主運動控制上 如避障路徑規(guī)劃等 這兩種機器人過分依賴于周 圍環(huán)境 應用范圍受限 爬行和蠕動式機器人主要用于管道作業(yè) 具有良好的靜 動態(tài)穩(wěn)定性 但速度較低 常見的步行機器人有雙足 四足和六足等情況 自然 界事實 仿生學以及力學分析表明 在具有許多優(yōu)點的步行機器人中 雙足步行機 器人因其體積相對較小 對非結(jié)構(gòu)性環(huán)境具有較好的適應性 避障能力強 移動 盲區(qū)很小等優(yōu)良的移動品質(zhì) 格外引人注目 首先 對于支撐路面 雙足步行機 器人的要求很低 理論上只需要分散的 孤立的支撐點 就可以通過機器人自行 選擇最佳的支撐點 獲得最佳的移動性能 而輪式移動機器人通常要求連續(xù)的 硬質(zhì)的支撐路面 對于惡劣的支撐路面 它只能被動的適應 其次 在存在障礙 物的情況下 雙足步行機器人能夠跨越與自身腿長相當?shù)恼系K物 甚至跳越障礙 而輪式移動機器人僅能滾越尺寸小于輪子半徑的障礙物 機器人力學計算表明 足式步行機器人的能耗通常低于輪式和履帶式 7 1 3 2 雙足步行機器人的步行特點及研究意義 世界著名機器人專家 日本早稻田大學的加藤一郎教授曾經(jīng)指出 機器人應 當具有的最大的特征之一是步行功能 一般說來 機器人的步行方式有兩種 即靜態(tài)步行與動態(tài)步行 靜態(tài)步行是指低速步行 不考慮慣性力 機器人在行走 過程中只需要滿足靜力平衡條件 即重心要始終保持在支撐腳區(qū)域內(nèi) 動態(tài)步行與 之不同 必須考慮慣性力的影響 行走過程中要滿足動態(tài)平衡 即控制系統(tǒng)的零 力矩點 zMP 始終在支撐腳的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi) 動態(tài)步行具有速度快效率高等優(yōu)點 靜 態(tài)步行可以看作動態(tài)步行的特例 和輪式 履帶式 爬行式 蠕動式等機器人相 比 雙足步行機器人在具有上述難以取代的優(yōu)越性的同時 也存在很多的技術(shù)難 關(guān) 穩(wěn)定步行和高速運動都困難的 雙足步行機器人系統(tǒng)存在著高階 強耦合 多變量及非線性等特性 這些特性使得雙足步行機器人的運動學和動力學的精確 求解非常困難 而且也沒有十分理想的理論或方法來求解逆運動學和動力學解析 解 只有外加一些限制條件 如能量消耗最小 峰值力矩最小來求解運動學和動 力學的近似解 這往往導致了機器人的規(guī)劃運動與實際運動有較大的出入 所以 迄今為止雙足步行機器人還是以 靜步行 為主 特點是步速較低 步幅較小 其運動性能與人類相比還相距甚遠 由于步行機器人的發(fā)展受到機構(gòu)學 材料學 計算機技術(shù) 控制技術(shù) 微電子技術(shù) 通訊技術(shù) 傳感技術(shù) 人工智能 數(shù)學方 法 仿生學等學科發(fā)展程度的制約 還處于實驗室研制階段 距離真正意義上的 擬人機器人還有相當?shù)木嚯x 10 在這一領(lǐng)域內(nèi)還有許多的問題等待我們?nèi)ソ鉀Q 雙足步行是生物界最難的動作 它的完美實現(xiàn)必然要求機器人在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面產(chǎn) 生巨大的變革和創(chuàng)新 從而有力地推動相關(guān)學科的發(fā)展 同時 雙足步行機器人 具有多關(guān)節(jié) 多驅(qū)動 多傳感器 而且具有冗余自由度 這給控制研究帶來很大 困難 也相應的給各種控制策略和優(yōu)化方法提供了理想的試驗平臺 因此 對雙 足步行機器人的研究具有很高的理論價值 引起國內(nèi)外無數(shù)專家學者的矚目 4 為了促進機器人技術(shù)在我國的發(fā)展 全國各地尤其是部分高校舉辦了各種類型的 機器人大賽 中國機器人大賽是由中國自動化學會機器人競賽工作委員會和科技 部高技術(shù)研究發(fā)展中心主辦的一個全國性的賽事 其中最為引人矚目的舞蹈機器 人項目就是為了促進雙足步行機器人的發(fā)展而設(shè)立的 由于步行機器人的實現(xiàn)目 前還存在很多技術(shù)難題 前幾屆由中國科技大學主辦的舞蹈機器人大賽基本上是 以輪式機器人為主 還沒有出現(xiàn)步行機器人參賽 由此可見 雙足步行機器人的 發(fā)展還有一段很長的路要走 研制雙足步行機器人的一項重要內(nèi)容就是步態(tài)規(guī)劃 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)劃就是給出機器人各關(guān)節(jié)位置與時間的關(guān)系 是雙足步行機器人 研制中的一項關(guān)鍵技術(shù) 也是難點之一 步態(tài)規(guī)劃的好壞將直接影響到雙足步行 機器人的行走穩(wěn)定性 美觀性以及各關(guān)節(jié)所需驅(qū)動力矩的大小等多個方面 已經(jīng) 成為雙足步行機器人領(lǐng)域的研究熱點 基于上述原因 本課題擬進行雙足步行機 器人的步態(tài)規(guī)劃研究 研制具有高度穩(wěn)定性的雙足步行機器人平臺 為進一步的 擬人機器人研制奠定基礎(chǔ) 1 3 3 國外研究概況 擬人機器人的研究是一個很誘人 難度很大的研究課題 關(guān)于這方面的研究 日本走在了世界的前列 早稻田大學理工學部 1973 年建立了 人格化機器人 研 究室 曾開發(fā)出不少擬人機器人系統(tǒng) 例如會演奏鋼琴的機器人 雙足步行機器 人以及電動假肢等 該研究室的帶頭人高西淳夫教授說 人格化機器人的一個很 大特征就是它具有與人類相近的結(jié)構(gòu) 機器人與人類的共存是我們研究開發(fā)的課 題之一 當今世界 有 機器人王國 之稱的日本在雙足步行機器人研究領(lǐng)域 處于絕對領(lǐng)先地位 具有代表性的研究機構(gòu)有加藤實驗室 日本早稻田大學 日 本東京大學 日本東京理工學院 日本機械學院 松下電工 本田公司和索尼公 司等 日本早稻田大學的加藤一郎教授于 1968 年率先展開了雙足步行機器人的研 制工作 并先后研制出場系列樣機若干年研制出 P 1 平面自由度步行機器人 該 機器人具有六個自由度 每條腿有骼 膝 踩三個關(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)動從而實現(xiàn)步行 1971 年 研制出 WAP 3 型雙足機器人 仍采用人工肌肉 具有 11 個自由度 能在 平地 斜坡和階梯上行走 該機器人重 130kg 高 0 9m 實現(xiàn)步幅 15cm 每步 455 的靜態(tài)步行 同年又研制出 WL 5 雙足步行機器人 該機器人采用液壓驅(qū)動 具有 11 個自由度 下肢作三維運動 上軀體左右擺動以實現(xiàn)雙足機器人重心的左右移 動 1973 年 在 WAP 5 的基礎(chǔ)上配置機械手及人工視覺 聽覺等裝置組成自主式 WAROT 1 1980 年 推出 WL 9DR Dynam Refined 雙足機器人 該機器人采用預 先設(shè)計步行方式的程序控制方法 通過對步行運動的分析及重復實驗設(shè)計步態(tài)軌 跡 用設(shè)計出的步態(tài)控制機器人的步行運動 該機器人采用了以單腳支撐期為靜 態(tài) 雙腳切換期為動態(tài)的準動態(tài)步行方案 實現(xiàn)了步幅 45cm 每步 95 的準動態(tài)步 行 1984 年 研制出采用踝關(guān)節(jié)力矩控制的 WL 10DR 雙足機器人 增加了踝關(guān)節(jié) 力矩控制 將一個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 雙足機器人 該機器人通過軀體運動來補償下肢的任意運動 實現(xiàn)了步 行周期 23 秒 步幅 30cm 的平地動態(tài)步行 代表雙足步行機器人和擬人機器人研 究最高水平的是本田公司和索尼公司 本田公司從 1986 年至今已經(jīng)推出了 Pl PZ P3 系列機器人 在 PZ 和 P3 中 使用了大量的傳感器 陀螺儀 測定上體 偏轉(zhuǎn)的角度和角速度 重力傳感器 六維力 力矩傳感器和視覺傳感器等 利用 這些傳感器感受機器人的當前狀態(tài)和外界環(huán)境的變化 并基于這些傳感器對下肢 各關(guān)節(jié)的運動做出調(diào)整 實現(xiàn)動態(tài)步行 并且于 2000 年 11 月 20 日 推出了新型 雙足步行機器人 實現(xiàn)了與人一樣自然行走的新姿態(tài)控制技術(shù) 自律連續(xù)移動技 術(shù)以及可順暢地與人同步動作的技術(shù)等 使其更容易適應人類的生活空間 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) 的技術(shù) 雙腳步行技術(shù)的基礎(chǔ)上組合了新的 預測運動控制功能 它可以實時預 測以后的動作 并且據(jù)此事先移動重心來改變步調(diào) 以往由于不能進行 預測運 動控制 當從直行改為轉(zhuǎn)彎時 必須先停止直行動作 然后才可以轉(zhuǎn)彎 索尼 公司于 2000 年 11 月 21 日推出了人形娛樂型機器人 SDR 3X Sony DreamRobot 一 3x SDR 一 3X 頭部 2 個 軀干 2 個 手臂 4 2 個 下肢和足部 6 2 個 共計 24 個自由度 2001 年 7 月 川田工業(yè)公司的航空機械業(yè)務部開發(fā)出了研究用類人 型雙足步行機器人 該機器人身高 146 8cm 體重 55kg 關(guān)節(jié)自由度全身合計 32 個 通過使用具有搖桿 Joystick 的操作部件 可以令該機器人向任何方向自由 步行 該產(chǎn)品在腳趾處安裝有關(guān)節(jié) 從而提高了步行的速度 并且能夠爬上最高 階差為 25cm 的樓梯 2002 年 6 月 12 日 機器人世界杯國際委員會宣布將從 2002 年 6 月 20 日起在日本的福岡與韓國的釜山舉行機器人世界杯大賽 從該屆起 將 增設(shè)雙足步行機器人的足球賽事 這標志著機器人選手參加的世界杯又向人類走 近了一步 該大賽的目標是 在 2050 年之前 制造出能夠戰(zhàn)勝當時世界冠軍隊的 自律型機器人隊伍 這一夢想將由雙足步行機器人來實現(xiàn) 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)出一臺取名 H 2 擬人機器人亮 相東京 該機器人身高 154cm 體重 58kg 研究人員先請民間藝術(shù)家跳舞 用特 殊攝像機拍攝后將畫面輸入電腦 并對手 腳 頭 腰等 32 個部位的動作進行解 析 然后把有關(guān)解析數(shù)據(jù)輸入給機器人 最后利用這些數(shù)據(jù)來控制機器人手的動 作和腳步等 使 HRP 2 可以和人一樣動作連貫 翩翩起舞 除了日本之外 美 國 英國 法國等也對步行機器人做了大量的基礎(chǔ)理論研究和樣機研制工作 并 取得一定成就 美籍華人鄭元芳博士是美國雙足步行機器人研究者中一位非常杰 出的人物 他基于神經(jīng)網(wǎng)絡研制出兩臺雙足步行機器人 分別命名為 SD 1 和 SD 2 SD 1 具有 4 個自由度 SD 2 具有 8 個自由度 其中 SD 2 是美國第一臺真正類 人的雙足步行機器人 他利用 SDR 2 于 1986 年實現(xiàn)了平地上的前進 后退以及左 右側(cè)行 1987 年 又成功地實現(xiàn)了動態(tài)步行 1971 年至 1986 年間 英國牛津大 學的 Witt 等人制造并完善了一個雙足步行機器人 該機器人在平地上行走良好 步速達 0 23m s 前面所述的研究主要是關(guān)于主動式步行機器人 靠關(guān)節(jié)電機驅(qū)動 加拿大的 d McGeer 主要研究被動式雙足步行機器人 即在無任何外界輸入的情 況下 靠重力和慣性力實現(xiàn)步行運動 1989 年 他建立了平面型的雙足步行機構(gòu) 兩腿為直桿機構(gòu) 沒有膝關(guān)節(jié) 每條腿上各有一個小電機來控制腿的伸縮 無任 何主動控制和能量供給 放在斜坡上 可依靠重力實現(xiàn)動態(tài)步行 目前 主動和 被動式雙足步行機器人在研究上很少互相借鑒 1 3 4 國內(nèi)研究概況 國內(nèi)雙足步行機器人的研制工作起步較晚 我國是從 20 世紀 80 年代開始雙 足步行機器人領(lǐng)域的研究和應用的 1986 年 我國開展了 七五 機器人攻關(guān)計 劃 1987 年 我國的 863 高技術(shù)計劃將機器人方面的研究開發(fā)列入其中 目前 我國從事機器人研究與應用開發(fā)的單位主要是高校和有關(guān)科研院所等 最初我國 進行機器人技術(shù)研究的主要目的是跟蹤國際先進的機器人技術(shù) 隨后取得了一定 的成就 自 1985 年以來 相繼有幾所高校進行了這方面的研究并取得了一定的成 果 其中以哈爾濱工業(yè)大學和國防科技大學較為成果顯著 在自然科學基金和國 家 863 計劃的支持下 哈爾濱工業(yè)大學自 1985 年開始研制雙足步行機器人 迄今為止己經(jīng)完成三個型號的研制工作 1988 年哈工大 HIT I 型雙足步行機器人 問世 HIT I 型雙足步行機器人具有 10 個自由度 重 100kg 高 1 2m 關(guān)節(jié)由直 流伺服電機驅(qū)動 屬于靜步態(tài)行走 HIT 具有 12 個自由度 該機器人髖關(guān)節(jié)和 腿部結(jié)構(gòu)采用了平行四邊形結(jié)構(gòu) HIT 具有 12 個自由度 踝關(guān)節(jié)采用兩電機交 叉結(jié)構(gòu) 同時實現(xiàn)了兩個自由度 腿部結(jié)構(gòu)采用了圓筒形結(jié)構(gòu) HIT 實現(xiàn)了靜 步態(tài)行和動步態(tài)步行 能夠完成前 后行 側(cè)行 轉(zhuǎn)彎 上下臺階及上斜坡等動作 1988 年春 國防科技大學成功研制出我國第一臺平面型六自由度的雙足機器人 能夠?qū)崿F(xiàn)前進 后退和上下樓梯 1989 年 他們又實現(xiàn)了準動態(tài)步行 1990 年 進一步實現(xiàn)了實驗室環(huán)境下的全方位行走 2000 年 2 月 30 日 國防科技大學在自 1986 年開始研制的雙足步行機器人的基礎(chǔ)上 成功研制出我國第一臺擬人機器人 先行者 并通過國家 863 項目專家組驗收 與該校 1990 年成功研制的雙 足步行機器人相比 其行走頻率從過去的 6 秒每步提高到每秒兩步 從只能平地 靜態(tài)步行 到能快速自如地動態(tài)步行 從只能在己知環(huán)境下步行 到可在小偏差 不確定環(huán)境下行走 實現(xiàn)了多項關(guān)鍵技術(shù)突破 2003 年 1 月取名為 BRH 1 的仿人 機器人在北京理工大學通過國家 863 項目組的驗收 這個機器人身高 1 58m 體重 76kg 具有 32 個自由度 每小時能夠行走 1km 步幅 0 33m 驗收專家認為 該機器人在系統(tǒng)集成 步態(tài)規(guī)劃和控制系統(tǒng)等方面實現(xiàn)了重大的突破 仿人機器 人課題組負責人 北京理工大學教授李科杰認為 目前 BHR 1 仿人機器人己經(jīng) 能夠根據(jù)自身力覺 平衡覺等感知機器人自身的平衡狀態(tài)和地面高度的變化 實 現(xiàn)在未知地面上的穩(wěn)定行走和太極拳表演 使中國成為繼日本之后 第二個研制 出無外接電纜行走 集感知 控制 驅(qū)動 電源和機構(gòu)于一體的高水平仿人機器 人國家 參 考 文 獻 1 張永學 雙足機器人步態(tài)規(guī)劃及步行控制研究 M 哈爾濱工業(yè)大學博士學位 論文 2001 2 Ishida Tatsuzo KurokiYoshihiro Yamaguehi Jiniehi Meehanieal System of a Small Biped Entertainment Robot M IEEE Iniemational Confereneeon Intelligent Robots and Systems 2003 3 KanekoKenji KanehiroFumio KajitaShuuji etal Ota Design of Prot type humanoid robots and Systems M 2002 4 YokoiKazuhito Kanehiro Fumio Kaneko Kenji etal ExPerimental study of humanoid robot HRP 1S Intemational Journal of Robotics Researeh M 2004 5 趙星寒 劉濤 從 51 到 ARM 32 位嵌入式系統(tǒng)入門 M 北京 北京航空航天 大學出版社 2005 6 潘琢金 施國君 CsoslFxXx 高速 SOC 單片機原理及應用 M 北京 北京航空 航天大學出版社 2002 7 樓然苗 李光飛 51 系列單片機開發(fā)實例 M 北京 北京航空航天大學出版 社 2003 8 童長飛 C805lF 系列單片機開發(fā)與 C 語言編程 M 北京 北京航空航天大學 出版社 2005 9 何玉潔 數(shù)據(jù)庫原理與應用 M 北京 機械工業(yè)出版社 2002 10 郭強 液晶屏顯示技術(shù) M 北京 電子工業(yè)出版社 2002 11 郝文化 ProtelDX 夕電路原理圖與 PcB 設(shè)計 M 北京 機械工業(yè)出版社 2004 12 藏鐵鋼 ProtelD 舒電路設(shè)計與應用 M 北京 北京鐵道出版社 2005 13 劉志遠 兩足機器人動態(tài)行走研究 D 哈爾濱工業(yè)大學博士論文 1991 14 劉志遠 戴紹安 裴潤 張栓 傅佩深 零力矩點與兩足機器人動態(tài)行 走穩(wěn)定性的關(guān)系 J 哈爾濱工業(yè)大學學報 17 紀軍紅 HIT I 雙足步行機器人步態(tài)規(guī)劃研究 D 哈爾濱工業(yè)大學博士論文 2000 18 麻亮 紀軍紅 強文義 傅佩深 M 基于力矩傳感器的雙足機器人在線 模糊步態(tài)調(diào)整器設(shè)計 控制與決策 2000 19 竺長安 兩足步行機器人系統(tǒng)分析 設(shè)計及運動控制 D 國防科技大學博 士論文 1992 20 馬宏緒 兩足步行機器人動態(tài)步行研究 D 國防科技大學博士論文 1995 2l 馬宏緒 應偉福 張彭 兩足步行機器人姿態(tài)穩(wěn)定性分析 M 計算技術(shù) 與自動化 1997 22 馬宏緒 張彭 張良起 兩足步行機器人動態(tài)步行的步態(tài)控制與實時位控制 方法機器人 M 2005 畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文 開 題 報 告 2 本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段 途徑 本課題要研究或解決的問題 本課題主要設(shè)計是在原有的雙足步行機器人的理論基礎(chǔ)上 利用雙足步行機 器人組成及工作原理 同時利用相應的 CAD 軟件 對雙足步行機器人系統(tǒng)進行設(shè) 計 本設(shè)計的雙足步行機器人是在原有的基礎(chǔ)上作了一些改進 具有結(jié)構(gòu)簡單 維修量小 性能穩(wěn)定 安裝方便等優(yōu)點 本課題主要研究內(nèi)容 雙足步行機器人的發(fā)展歷史 用途 組成及工作原理 雙足步行機器人 的特 點 設(shè)計的一般步驟 使用中存在的問題及改進措施 安裝和維護等內(nèi)容 在本 次雙足步行機器人的設(shè)計過程中 著重對傳動機構(gòu)進行了分析和設(shè)計 對重要的 部件進行了受力分析 強度的校核 根據(jù)其常見失效形式 影響因素及基本設(shè)計 要求 給出了重要部件的受力分析 強度和剛度的設(shè)計方法 第一章簡述了雙足步行機器人的研究現(xiàn)狀 介紹了幾種典型的雙足步行機器人的 技術(shù)原理 并對與本文提及的雙足步行機器人進行了調(diào)查和分析 第二章介紹了雙足步行機器人的機械結(jié)構(gòu)和原理 第三章針對雙足步行機器人進行機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計 進行詳細的設(shè)計計算過程 書寫說明書 擬采用的研究手段 途徑 本課題的研究需要查閱大量的資料 我要先到學校圖書館查閱與本課題有 關(guān)的書籍和資料本 同時上網(wǎng)瀏覽最新的有關(guān)課題的文獻資料在本次設(shè)計中 我們不僅僅能提高專業(yè)知識 還提高了查閱專業(yè)設(shè)計手冊 圖冊的能力 并 熟悉相關(guān)的國家標準 鍛煉獨立解決實際問題的能力 提高操作繪圖軟件繪 制工程圖的熟練度等 重要的是能讓我們將理論知識運用到實踐中去 提高 實踐能力 提出了一種雙足步行機器人 提高的裝置整體的效率和穩(wěn)定性 畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文 開 題 報 告 指導教師意見 1 對 文獻綜述 的評語 2 對本課題的深度 廣度及工作量的意見和對設(shè)計 論文 結(jié)果的預 測 3 是否同意開題 同意 不同意 指導教師 年 月 日 所在專業(yè)審查意見 負責人 年 月 日