3104 兩足行走機(jī)器人——臂部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)

3104 兩足行走機(jī)器人——臂部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì),行走,機(jī)器人,臂部,結(jié)構(gòu),部分,部份,設(shè)計(jì) 各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)系 　 　 　 部 ： 機(jī)械工程系專 業(yè) ： 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué) 生 姓 名： 徐超學(xué) 號(hào)：05010243設(shè) 計(jì) (論 文 )題 目 ： 兩足行走機(jī)器人—臂部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)起 迄 日 期 : 2009 年 3 月 09 日 ~ 6 月 14 日設(shè)計(jì) (論文 )地點(diǎn) : 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院指 導(dǎo) 教 師 : 路建萍 劉 艷專 業(yè) 負(fù) 責(zé) 人 : 龔光容發(fā)任務(wù)書(shū)日期: 2009 年 2 月 26 日各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書(shū)1．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題應(yīng)達(dá)到的目的：通過(guò)本設(shè)計(jì)，使學(xué)生熟悉機(jī)械產(chǎn)品開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)的一般過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識(shí)和各項(xiàng)技能，著重培養(yǎng)設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析和解決問(wèn)題的能力，進(jìn)而總結(jié)、歸納和獲得合理結(jié)論，進(jìn)行較為系統(tǒng)的工程訓(xùn)練，初步鍛煉科研能力，提高論文撰寫(xiě)和技術(shù)表述能力。為實(shí)際工作奠定基礎(chǔ)，達(dá)到人才培養(yǎng)的目的與要求。2．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）：技術(shù)要求：本機(jī)器人的總體功能為模擬人體動(dòng)作。設(shè)計(jì)兩足行走機(jī)器人—臂部結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)擺大臂和擺小臂的功能。工作任務(wù)：（1） 查閱資料 15篇以上，翻譯外文資料 3000字，撰寫(xiě)文獻(xiàn)綜述和開(kāi)題報(bào)告。（2） 完成行走結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)，繪制功能原理圖 1 份。（3） 繪制裝配圖 1 份 （0 號(hào)圖紙） ；部件圖 1份；零件圖若干。 （其中，至少有 1張圖紙使用計(jì)算機(jī)繪制）（4） 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 1.5萬(wàn)字左右。(打印)各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書(shū)3．對(duì)本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題成果的要求〔包括畢業(yè)設(shè)計(jì)論文、圖表、實(shí)物樣品等〕：(1)開(kāi)題報(bào)告(含文獻(xiàn)綜述)；(2)外文資料翻譯：3,000 漢字以上；(3)總體裝配圖： 1 張； (4)部件裝配圖 1張；(5)主要零件圖：若干張 (總圖數(shù)約合 2張 0號(hào)圖)；(6)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū),字?jǐn)?shù)不少于 10,000字,并附有 200~300 漢字的中文摘要及相應(yīng)的英文摘要。所有設(shè)計(jì)圖表、論文撰寫(xiě)、參考文獻(xiàn)標(biāo)記等均應(yīng)符合本院的規(guī)范化要求。4．主要參考文獻(xiàn)：各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127[1] 馬香峰. 機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1991.[2] 龔振邦等. 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，1995 年 6月.[3] 吳瑞祥. 機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994. 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[14] 費(fèi)仁元等.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)和分析.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1998.各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書(shū)5．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題工作進(jìn)度計(jì)劃：起 迄 日 期 工 作 內(nèi) 容2009年3月 9 日～ 3 月 15日3月 16日～ 3 月 22日3月 23日～ 3 月 29日3月 30日～ 4 月 5 日4月 6 日～ 4 月 12日4月 13日～ 4 月 26日4月 27日～ 5月 3 日5月 4 日～ 5月 10日5月 11日～ 5月 17 日5月 18日～ 5月 24 日5月 25日～ 5月 31 日6月 1 日～ 6月 7 日6月 8 日～ 6月 14 日選題，發(fā)放審題表及任務(wù)書(shū)，熟悉課題完成外文資料翻譯完成開(kāi)題報(bào)告(包含文獻(xiàn)綜述)查閱相關(guān)資料，提出幾種可行性方案 確定合理方案，進(jìn)行總體方案論證進(jìn)行結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)計(jì)算相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，選擇標(biāo)準(zhǔn)部件，熟悉相關(guān)軟件對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)與修改，使之完善繪制總裝配圖，繪制零件圖整理相關(guān)資料，撰寫(xiě)并打印設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)初步提交設(shè)計(jì)成果（包括圖紙及論文） ，整改正式提交設(shè)計(jì)成果和設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)準(zhǔn)備論文答辯所在專業(yè)審查意見(jiàn)：負(fù)責(zé)人： 年 月 日系部意見(jiàn)：系部主任： 年 月 日各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告學(xué) 生 姓 名 ： 徐超（大）學(xué) 號(hào)：05010243專 業(yè) ： 機(jī)械工程及自動(dòng)化設(shè)計(jì) (論文 )題目 ： 兩足行走機(jī)器人臂 部 結(jié) 構(gòu) 部 分 的 設(shè) 計(jì) 指 導(dǎo) 教 師 : 路建萍 劉 艷2009 年 3 月 22 日開(kāi)題報(bào)告填寫(xiě)要求1。開(kāi)題報(bào)告（含“文獻(xiàn)綜述” ）作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見(jiàn)及所在專業(yè)審查后生效；2。開(kāi)題報(bào)告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書(shū)寫(xiě)或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁(yè)上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師簽署意見(jiàn)；3。 “文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書(shū)寫(xiě)（或打?。┰诒鹃_(kāi)題報(bào)告第一欄目?jī)?nèi)，學(xué)生寫(xiě)文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15 篇科技論文的信息量，一般一本參考書(shū)最多相當(dāng)于三篇科技論文的信息量（不包括辭典、手冊(cè)） ；4。有關(guān)年月日等日期的填寫(xiě)，應(yīng)當(dāng)按照國(guó)標(biāo) GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書(shū)寫(xiě)。如“2009 年 3 月 15 日”或“2009-03-15”。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫(xiě)2000 字左右的文獻(xiàn)綜述：文 獻(xiàn) 綜 述摘要 本文詳細(xì)介紹了研究?jī)勺悴叫袡C(jī)器人的組成，機(jī)器人的原因，兩足步行機(jī)器人的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)外兩足步行機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞 兩足機(jī)器人組成 研究原因 前景 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1 機(jī)器人的 硬 體 組 成在 種 類 繁 多 的 機(jī) 械 人 當(dāng) 中 ， 最 讓 人 感 興 趣 的 就 是 仿 人 類 機(jī) 械 人 了 。 因 為 人 類 是 最高 級(jí) 的 動(dòng) 物 ， 能 讓 機(jī) 械 人 各 項(xiàng) 機(jī) 能 達(dá) 到 人 類 的 高 度 是 每 一 個(gè) 從 事 此 工 作 的 科 學(xué) 家 不 斷追 求 的 夢(mèng) 想 。人 體 外 形 各 項(xiàng) 器 官 基 本 可 劃 分 為 動(dòng) 作 器 官 、 感 覺(jué) 器 官 、 思 維 器 官 三 部 分 ， 機(jī) 械 人套 件 里 的 電 子 模 組 也 是 按 這 三 部 分 來(lái) 劃 分 的 。 動(dòng) 作 器 官 包 括 ： 可 以 讓 我 們 機(jī) 械 人 唱 歌的 發(fā) 音 模 組 、 可 以 裝 飾 和 指 示 的 發(fā) 光 模 組 、 速 度 可 以 調(diào) 節(jié) 的 馬 達(dá) 模 組 等 。 感 覺(jué) 器 官 包括 ： 可 以 分 辨 黑 白 甚 至 是 不 同 顏 色 的 灰 度 測(cè) 量 模 組 、 可 以 檢 測(cè) 碰 撞 的 觸 碰 檢 測(cè) 模 組 等 。思 維 器 官 包 括 ： RCU， 也 就 是 中 央 控 制 器 ， 整 個(gè) 機(jī) 器 人 的 核 心 模 組 。 當(dāng) 然 還 有 一 些 輔助 功 能 的 拼 裝 配 件 等 等 [1]。2 研 究 兩 足 步 行 機(jī) 器 人 的 原 因世界著名機(jī)器人學(xué)專家，日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授說(shuō)過(guò)：“機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有的最大特征之一是步行功能”。步行功能的具備為擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)辟了無(wú)限廣闊的前景研究?jī)勺悴叫袡C(jī)器人的原因，概括起來(lái)有如下4個(gè)：(1)我們希望研制出兩足步行機(jī)構(gòu)，使它們能在許多結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性環(huán)境中行走，以代替人進(jìn)行作業(yè)或延伸和擴(kuò)大人類的活動(dòng)領(lǐng)域。(2)我們希望更多地了解和掌握人類的步行特性，并利用這些特性為人類服務(wù)。(3)兩足步行系統(tǒng)具有非常豐富的動(dòng)力學(xué)特性，在這一方面的研究可以拓寬力學(xué)及機(jī)器人學(xué)的研究方向。(4)兩足步行機(jī)器人可以作為一種智能機(jī)器人在人工智能中發(fā)揮重要的作用 [2]。3 兩 足 步 行 機(jī) 器 人 應(yīng) 用 前 景實(shí)用的兩足步行機(jī)器人由兩條腿和一個(gè)平臺(tái)(腰部)組成。腿的作用是為平臺(tái)提供移動(dòng)能力，而平臺(tái)的作用則是提供一個(gè)基礎(chǔ)，以便安裝機(jī)械手、CCD攝象機(jī)、機(jī)載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和蓄電池。顯然，這種帶機(jī)械手的兩足步行機(jī)器人能非常靈活地從事較多的工作。但是，對(duì)于這種兩足步行機(jī)器人來(lái)說(shuō)，平臺(tái)的穩(wěn)定性對(duì)于有效地控制機(jī)械手末端操作器的位置和姿態(tài)是至關(guān)重要的，而兩條腿的步態(tài)又對(duì)平臺(tái)的穩(wěn)定性起決定作用。因此，如何規(guī)劃好腿的步態(tài)，協(xié)調(diào)地控制兩條腿的運(yùn)動(dòng)以保持平臺(tái)及整個(gè)兩足步行機(jī)器人的穩(wěn)定就成為一個(gè)主要問(wèn)題 [3～6] 。目前，兩足步行機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域主要是康復(fù)醫(yī)學(xué)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，兩足步行機(jī)器人在無(wú)人工廠、核電站、海底開(kāi)發(fā)、宇宙探索、康復(fù)醫(yī)學(xué)以及教育、藝術(shù)和大眾服務(wù)行業(yè)等領(lǐng)域都有著潛在而廣闊的應(yīng)用前景。4 兩 足 步 行 機(jī) 器 人 研 究 的 現(xiàn) 狀從8O年代中期到現(xiàn)在，雖然理論研究和樣機(jī)研制不象1985年以前那樣豐富，但也頗具特色。重要的是，國(guó)內(nèi)正是在這一時(shí)期全面開(kāi)展了兩足步行機(jī)器人的研究。下面，首先看看美國(guó)的有關(guān)情況。1985年，美國(guó)的Hodgins和Raibert等人研制了一個(gè)用來(lái)進(jìn)行奔跑運(yùn)動(dòng)和表演體操動(dòng)作的平面型兩足步行機(jī)器人，這個(gè)機(jī)器人有3個(gè)自由度。1986年，他們用這個(gè)機(jī)器人進(jìn)行奔跑實(shí)驗(yàn)，著重研究奔跑過(guò)程中出現(xiàn)的彈射飛行狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)中，這個(gè)機(jī)器人的最大速度高達(dá)4.3米／秒。1988年和1990年，他們又用這個(gè)機(jī)器人進(jìn)行翻筋斗動(dòng)作實(shí)驗(yàn)。Hodgins和Raibert研究這兩種運(yùn)動(dòng)是因?yàn)樗鼈兒胸S富的動(dòng)力學(xué)內(nèi)容，尤其是兩者都具有彈射飛行狀態(tài)。在美國(guó)研究?jī)勺悴叫袡C(jī)器人的科學(xué)家中，鄭元芳(Y·F·Zheng)博士是一個(gè)非常杰出的人物。他在80年代初由中國(guó)去了美國(guó)，并于1984年在俄亥俄州立大學(xué)獲博士學(xué)位，然后一直在克萊姆森大學(xué)工作，最近又回到俄亥俄州立大學(xué)任職。在克萊姆森大學(xué)期間，他主持研制了兩臺(tái)步行機(jī)器人，分別命名為SD一1和SD一2。SD—l具有4個(gè)自由度，SD一2則有8個(gè)自由度。其中，SD一2是美國(guó)第一臺(tái)真正擬人的兩足步行機(jī)器人。1986年，SD一2機(jī)器人成功地實(shí)現(xiàn)了平地上前進(jìn)、后退以及左、右側(cè)行。1987年，這個(gè)機(jī)器人又成功地實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)步行。鄭元芳博士也因他在機(jī)器人領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)而獲得美國(guó)1987年度“總統(tǒng)青年研究員”獎(jiǎng) 。1984年，鄭元芳博士對(duì)兩足步行機(jī)器人與環(huán)境接觸時(shí)的碰撞效應(yīng)進(jìn)行了研究。1987年，他提出了一種用于兩足步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的監(jiān)控系統(tǒng)。1989年，他研究了兩足步行機(jī)器人的擾動(dòng)抑制問(wèn)題。1990年他首次提出了使兩足步行機(jī)器人能走斜坡的控制方案，并利用SD一2機(jī)器人進(jìn)行了成功的實(shí)驗(yàn) 。此外，鄭元芳博士還從神經(jīng)生理學(xué)的角度對(duì)人類肌肉的多級(jí)傳感與多級(jí)驅(qū)動(dòng)原理進(jìn)行了研究，并提出了采用這種原理設(shè)計(jì)兩足步行機(jī)器人的方法 [7]。下面我們?cè)倏纯磭?guó)內(nèi)在兩足步行機(jī)器人方面的研究情況。我國(guó)從80年代中期才開(kāi)始研究?jī)勺悴叫袡C(jī)器人，當(dāng)時(shí)主要的研究單位是哈爾濱工業(yè)大學(xué)和國(guó)防科技大學(xué)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制成功的第一臺(tái)兩足步行機(jī)器人重7Okg，高l10cm，有10個(gè)自由度，采用直流電機(jī)經(jīng)諧波減速驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)由一臺(tái)IBM—PC／XT計(jì)算機(jī)和l0個(gè)MCS一51單片機(jī)系統(tǒng)組成。1989年l0月，這個(gè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了平地上的前進(jìn)，左、右側(cè)行以及上、下樓梯的運(yùn)動(dòng)，步幅可達(dá)45cm，步速為l0秒／步，為靜態(tài)步行 [8～12] 。最近哈爾濱工業(yè)大學(xué)又研制了一臺(tái)l2自由度的兩足步行機(jī)器人，井正在進(jìn)行動(dòng)態(tài)步行的實(shí)驗(yàn)。我們南京航空學(xué)院從1989年秋天起也開(kāi)展了一個(gè)兩足步行機(jī)器人的研究計(jì)劃，現(xiàn)在已研制出一臺(tái)8自由度空間運(yùn)動(dòng)型的兩足步行機(jī)器人，命名為NAIWR—1。目前，這一計(jì)劃正在實(shí)施中?？傆^起來(lái)，兩足步行機(jī)器人研究的現(xiàn)狀是：國(guó)外，主要是日本和美國(guó)，對(duì)兩足步行機(jī)器人的研究已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平，研制出了能靜態(tài)或動(dòng)態(tài)行走的多種樣機(jī)。國(guó)內(nèi)由于起步較晚，前一段剛完成靜態(tài)穩(wěn)定步行的研究，目前，正處于準(zhǔn)動(dòng)態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定步行的研究階段。雖然國(guó)內(nèi)的研究水平還不象國(guó)外那樣高，但在短短的五六年時(shí)間能達(dá)到今天的水平，已經(jīng)是相當(dāng)驚人的了！5 兩 足 步 行 機(jī) 器 人 研 究 的 發(fā) 展 趨 勢(shì)概括起來(lái)，兩足步行機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)包括如下l0個(gè)方面：(1)能動(dòng)態(tài)穩(wěn)定地高速步行。(2)能以自由步態(tài)全方位靈活行走。(3)具有良好的地形適應(yīng)性。(4)具有極強(qiáng)的越障和回避能力。(5)具有很高的載重／自重比。(6)可靠性高、工作壽命長(zhǎng)。(7)具有豐富的內(nèi)感知和外感知系統(tǒng)。(8)控制系統(tǒng)和能源裝置機(jī)載化。(9)具有完全的自律能力。(10)具有靈活的操作能力(安裝一個(gè)或多個(gè)機(jī)械手) [13,14]。6 結(jié)束語(yǔ)本文較詳細(xì)地介紹了國(guó)內(nèi)外兩足步行機(jī)器人研究的主要情況。我們相信，隨著整個(gè)機(jī)器人技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，在不久的將來(lái)，兩足步行機(jī)器人一定能夠真正進(jìn)入實(shí)用化階段，在各行各業(yè)中發(fā)揮重要作用。參考文獻(xiàn)[1] Todd D J .Walking machines ,an introduction to legged robots Kogan Page Ltd.London,1985.[2] Hemamu H , Weimer F C.Koozekananit S H .Some aspects of the inverted pendulurn problem for modelling of Iocomotion systemr. 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[14] 費(fèi)仁元等.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)和分析.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1998. 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告２．本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段（途徑）：本課題是設(shè)計(jì)兩足行走機(jī)器人—臂部結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)擺大臂、擺小臂的功能。主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)是重心前后移動(dòng)與身體左右平衡難以協(xié)調(diào)的問(wèn)題，尤其是正步行走、身體不傾斜的前提下更難以實(shí)現(xiàn)。我們?cè)O(shè)計(jì)小組選擇簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模仿人類行走的機(jī)器人，以此提高我們的機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力。 我們采用以下創(chuàng)新點(diǎn)：(1) 先是用 3D 軟件 PRO/E 設(shè)計(jì)出機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)和各個(gè)零件的結(jié)構(gòu)，直觀的展現(xiàn)了我們所設(shè)計(jì)的雙足行走機(jī)器人。(2) 采用了 17 臺(tái)舵機(jī)，腿部共有 8 臺(tái)舵機(jī)每條腿個(gè)有 4 個(gè)舵機(jī)，臂部共有 4 臺(tái)舵機(jī)，每條手臂個(gè) 2 個(gè)，軀干 4 臺(tái)舵機(jī)還有頭 1 臺(tái)，合理控制，以此解決了簡(jiǎn)單控制條件下機(jī)器人難以實(shí)現(xiàn)正步行走的難點(diǎn)問(wèn)題。（3）大小臂均可沿錐面做往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可組合出多種姿態(tài)。（4）充分體現(xiàn)了以機(jī)為主、機(jī)電結(jié)合的特色。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告指導(dǎo)教師意見(jiàn)：1．對(duì)“文獻(xiàn)綜述”的評(píng)語(yǔ)：該生的文獻(xiàn)綜述結(jié)合所要研究地課題比較緊密，從文中可以看出該生對(duì)所要做地工作進(jìn)行了較深入地學(xué)習(xí)。2．對(duì)本課題的深度、廣度及工作量的意見(jiàn)和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）結(jié)果的預(yù)測(cè)：本課題要做什么步驟敘述很清楚，設(shè)計(jì)思路正確，工作量合理，預(yù)計(jì)該生能順利并很好地完成該課題。指導(dǎo)教師： 年 月 日所在專業(yè)審查意見(jiàn)：負(fù)責(zé)人： 年 月 日各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯系　　部： 機(jī)械工程系 專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化 姓 名： 徐超 學(xué) 號(hào)： 05010243 外文出處： Proc. of SPIE Vol.6201 620112 附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：該生的外文翻譯基本正確，沒(méi)有嚴(yán)重的語(yǔ)法或拼寫(xiě)錯(cuò)誤，已達(dá)到本科畢業(yè)的水平。簽名： 年 月 (用外文寫(xiě))各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127日注：請(qǐng)將該封面與附件裝訂成冊(cè)。附件 1：外文資料翻譯譯文 獨(dú)立動(dòng)力單臂機(jī)器人摘要：本文介紹了獨(dú)立動(dòng)力的平面單臂機(jī)器人的構(gòu)思和初步結(jié)果。機(jī)器人二個(gè)自由度由液壓油驅(qū)動(dòng)，一個(gè)臂控制。它運(yùn)用的是液壓反推裝置，一種能精確的提供高壓，工作臺(tái)面寬度一般并且阻抗力很小的控力裝置。這些裝置安裝在機(jī)器人的身體部位，用電纜將能量傳送到臀部和腿的關(guān)節(jié)處。液壓發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)著一個(gè)排量恒定的給蓄電池增壓的泵。因?yàn)橛玫氖蔷€性譯碼器，每個(gè)反推裝置的絕對(duì)位置和彈簧的壓縮都可測(cè)量的。彈簧壓縮量轉(zhuǎn)化為輸出力，利用軟件使用循環(huán)算法把控制力與需要的力相比。輸出信號(hào)的每個(gè)力控制器驅(qū)動(dòng)著高性能的伺服閥門，控制著液體流向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的活塞。在設(shè)計(jì)機(jī)器人過(guò)程中，我們用了以模擬為基礎(chǔ)的重復(fù)多次的設(shè)計(jì)方法。初步概算的機(jī)器人的物理參數(shù)是基于以往的經(jīng)驗(yàn)并且形體上更逼真的機(jī)器人的仿真模型。其次，控制算法模擬出它在平面上的跳躍。從模擬中的關(guān)節(jié)的能源要求和移動(dòng)范圍，我們?cè)俜赐瞥鲂枰幕喌闹睆?，活塞的直徑，行程，液壓，伺服閥門的流量和帶各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127寬，齒輪泵的額定流量和發(fā)動(dòng)機(jī)功率。符合或超過(guò)技術(shù)要求的零件被選出來(lái)集成到機(jī)器人里去，運(yùn)用 CAD 軟件，我們計(jì)算出設(shè)計(jì)的機(jī)器人的物理參數(shù)，將它們代替先開(kāi)始用 CAD 估算出來(lái)的數(shù)據(jù)，然后生產(chǎn)出新的能源要求的連接器。我們不斷重復(fù)這些工作，最終得到了設(shè)計(jì)中的提到的已校正過(guò)的原型。一般來(lái)說(shuō)，除去體外的泵產(chǎn)生的力，在慣性作用下，機(jī)器人以大約 1.2m/s 的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，。在試驗(yàn)臺(tái)上，最終試驗(yàn)的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)加載到機(jī)器人實(shí)體上去。當(dāng)除去電力系統(tǒng)所產(chǎn)生的慣性力以后，機(jī)器人普遍以大約 2.25m/s 的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。目前進(jìn)行的工作是把電力系統(tǒng)集中到機(jī)器人本身，總結(jié)出控制的方法，研究出提高工作效率的方法。1. 介紹實(shí)用機(jī)械手因?yàn)閯?dòng)力平衡要求，復(fù)雜的設(shè)計(jì)和動(dòng)力系統(tǒng)等原因正在接受挑戰(zhàn)。為了研究動(dòng)力自主機(jī)械手，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)高壓液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的雙缸發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力的動(dòng)力自主機(jī)器人。這種機(jī)器人是一個(gè)平面機(jī)器人，由一個(gè)半徑 12 英尺的構(gòu)架限制表面范圍。它有 2 個(gè)自由度，一個(gè)導(dǎo)桿和曲柄。液壓執(zhí)行裝置固定在機(jī)身上，通過(guò)鏈條傳遞到導(dǎo)桿和曲柄。單臂機(jī)器人被設(shè)計(jì)為一個(gè)適合多樣性技術(shù)的測(cè)試平臺(tái)，它包括：·液壓彈性串聯(lián)執(zhí)行裝置 液壓執(zhí)行裝置要考慮到高準(zhǔn)確性, 適度帶寬壓力控制，一些機(jī)器人利用彈性串聯(lián)執(zhí)行裝置,而單臂機(jī)器人是第一臺(tái)應(yīng)用液壓型執(zhí)行裝置的機(jī)器人 ?！ぬ摂M轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧 轉(zhuǎn)動(dòng)的支架定位經(jīng)常仿造在彈簧上, 它表示轉(zhuǎn)動(dòng)效率取決于肌肉組織和筋（見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4]）。為了加快效率和簡(jiǎn)化控制，大多數(shù)機(jī)器人利用的是一個(gè)物理支管彈簧（見(jiàn)參考文獻(xiàn)[5]。單臂機(jī)器人是一個(gè)決定在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器人中是否各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127能用虛擬彈簧替代實(shí)體彈簧的測(cè)試平臺(tái)。 當(dāng)單臂機(jī)器人完成試用，我們將模擬一個(gè)使用可控制的虛擬支撐彈簧?！椥源?lián)執(zhí)行裝置的特性 如果在實(shí)體彈簧中沒(méi)有得到效率補(bǔ)償，機(jī)器人靈活的保持控制, 彈簧彈回完全支配合成力。·高密度，移動(dòng)性，液壓動(dòng)力系統(tǒng) 為了使機(jī)器手臂更實(shí)用，必須要研制高動(dòng)力和高能量系統(tǒng)。燃油驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)是一個(gè)使人感興趣的選擇。然而，現(xiàn)在缺少輕便的解決方法，而且專家這方面的知識(shí)比腿部機(jī)器人的知識(shí)更加集中。單臂機(jī)器人是可以成為一個(gè)能給與其他機(jī)器人提供液壓發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展項(xiàng)目和測(cè)試平臺(tái) 。在機(jī)器人的設(shè)計(jì)中, 我們反復(fù)利用了個(gè)仿真設(shè)計(jì)程序。我們以各種不同的速度和不同的總數(shù)塊運(yùn)行了機(jī)械手，現(xiàn)實(shí)模擬而且得到了物理參數(shù)和聯(lián)合轉(zhuǎn)力矩、速度、和運(yùn)動(dòng)范圍要求。使用這些功率的聯(lián)合器,我們能夠計(jì)算出系統(tǒng)的壓力和流程需求，而且可以選出一些符合那些規(guī)格部件來(lái)。然后在 SolidWorks 里把這些部件連同機(jī)械手結(jié)構(gòu)一起做成模型，得到的新的機(jī)械性能被加載到模型里進(jìn)行模擬。重復(fù)這一個(gè)程序，直到原型設(shè)計(jì)成份選擇出來(lái)。 2.模擬仿真為了確定單臂機(jī)器人的電力需求，我們用 Yobotics Simulation Construction Set 軟件進(jìn)行了最真實(shí)的模擬。在模擬實(shí)驗(yàn)中，我們假設(shè)彈力腿部的回彈力為 0。這是一個(gè)非常保守的設(shè)定，因?yàn)橛涊d數(shù)據(jù)顯示奔跑的動(dòng)物和幾乎所有移動(dòng)機(jī)器人的彈力腿部的回彈力都很大。我們打算最后修改彈力腿部構(gòu)造的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在，先假設(shè)回彈力為 0，其一確保電力系統(tǒng)超過(guò)最終機(jī)器人所需的要求，其二因?yàn)閺椓ν炔渴潜容^難模擬的，我們要準(zhǔn)確的確定它提供哪種電力儲(chǔ)備系統(tǒng)。各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127我們總結(jié)了模擬機(jī)器人以 3.5m/s 速度行走時(shí)的控制法（圖 1），算法類似于Raibert （見(jiàn)參考文獻(xiàn)[5]）的三工位計(jì)算，但是稍做了修改。工步通過(guò)控制垂直方向的上下速度進(jìn)行控制，而不是通過(guò)底部的彈簧片組的壓縮得到。因?yàn)閱伪蹤C(jī)器人的腿部彈簧是假設(shè)的，并且臀部和膝蓋的力是任意假設(shè)給定的，所以這完全有可能。相對(duì)來(lái)說(shuō)，大多數(shù)可移動(dòng)機(jī)器人的腿部彈簧是真的并且規(guī)定了相應(yīng)的跳躍。如果真實(shí)的速度比需要達(dá)到的速度更少，除了經(jīng)過(guò)腳安置控制向前的速度之外，需要增加一個(gè)速度控制機(jī)延遲推進(jìn)。我們?cè)诟鞣N不同的身體塊中做模擬以完善機(jī)械手的設(shè)計(jì)。到目前為止，當(dāng)輕量級(jí) (94 磅) 模擬速度為 3.5m/s 時(shí), 重量級(jí)的模擬速度只有 2.5m/s。圖 1 表示的是94 磅重的機(jī)器人在 速度是 3.5 m/s 時(shí)模擬賽跑的一個(gè)截圖。在運(yùn)動(dòng)中，聯(lián)合關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)力矩、速度和力量在一個(gè)完全的周期期間改變。表 1 顯示了模擬奔跑時(shí)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)力矩、速度、力量和范圍的最大值。液壓系統(tǒng)的組成部分按照聯(lián)合關(guān)節(jié)處的力量數(shù)據(jù)來(lái)選擇。表 1 模擬聯(lián)合關(guān)節(jié)處以最大速度運(yùn)動(dòng)時(shí)的力量要求最大臀部轉(zhuǎn)力矩 360 Nm 266 ft-lb最大膝轉(zhuǎn)力矩 360 Nm 263 ft-lb圖 1 43 公斤(94 磅)單臂機(jī)器人以 3.5 m/s 的速度模擬賽跑的圖像動(dòng)畫(huà)圖像間隔 0.05 秒。從右向左運(yùn)動(dòng)。各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127最大臀部速度 24 rad/sec 224 RPM最大膝速度 28 rad/sec 264 RPM最大臀部力 4450 W 5.96 HP最大膝力 4205 W 5.63 HP最大總力 6025 W 8.07 HP平均力 1550 W 2.08 HP最大臀部旋轉(zhuǎn) 1.70 rad 97.3 deg最大膝旋轉(zhuǎn) 1.12 rad 63.7 deg3.液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)前，我們對(duì)于單臂機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)做一些設(shè)想。1) 假設(shè)動(dòng)力元件牢牢的裝在機(jī)器人的身體部位并且用電纜和滑輪機(jī)構(gòu)和關(guān)節(jié)處連接好。通過(guò)放置在機(jī)器人身體上的動(dòng)力元件（正如直接安置在機(jī)器人腿上的反推裝置），可以將機(jī)器人腿的質(zhì)量減到最小，并可以使它達(dá)到很快的運(yùn)動(dòng)速度。2) 假設(shè)動(dòng)力元件是線性的，而不是螺旋的。液壓直活塞相比螺旋液壓活塞更容易運(yùn)用，更便宜更輕。此外，用螺旋液壓活塞很難執(zhí)行連續(xù)的彈性沖擊。這是因?yàn)橄鄬?duì)于壓縮彈簧，扭彈簧性能很差，并且生產(chǎn)扭彈簧的過(guò)程很復(fù)雜。各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127圖 2 表示的是單臂機(jī)器人的液壓循環(huán)圖。紅線表示的高壓供應(yīng)路線，藍(lán)線表示的低壓返回路線。恒量泵由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，給油箱外的低壓油增壓并使它們沖過(guò)各種障礙。如果流進(jìn)去，液體正常的通過(guò)一個(gè)節(jié)流閥，在這對(duì)蓄電池加壓。電腦控制著的電磁閥可以間隔的通過(guò)一個(gè)油液冷卻器阻止液體回流到油箱。當(dāng)積聚的力已經(jīng)達(dá)成被需要的最大值如一個(gè)壓力感應(yīng)器所測(cè)量的壓力的時(shí)候，運(yùn)用并聯(lián)電路。高壓力液體被儲(chǔ)存在油箱中，直到二個(gè)伺服閥門之中任意一個(gè)啟動(dòng)。如果壓力在積聚者中變成太高,一個(gè)壓力減輕閥門將會(huì)交替地把液壓油轉(zhuǎn)移回到油庫(kù)。伺服閥門控制每個(gè)活塞的壓力和流量。 如活塞被循環(huán),回返液體經(jīng)過(guò)油冷卻器被送回到油庫(kù),如此完成周期。3.1 液壓成分選擇圖 2 單臂機(jī)器人的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127液壓的系統(tǒng)配置相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)。困難在于在沒(méi)有設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的情況下挑選出符合單臂機(jī)器人力量要求的組成部件，還要留下余量。圖 3 是成份選擇程序的示意圖。3.2.滑輪和活塞直徑我們從模擬中為單腳架估算了運(yùn)動(dòng)的聯(lián)合轉(zhuǎn)力矩、速度和范圍。力量經(jīng)過(guò)繞過(guò)滑輪的鋼電纜被傳送到關(guān)節(jié)，而且這些鋼的電纜由液壓活塞驅(qū)動(dòng)。在選擇活塞和滑輪直徑方面，假定操作壓力為 3000PSI,這是一個(gè)廣泛承認(rèn)的超高壓標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)壓力超過(guò) 3000PSI 時(shí)，設(shè)備變成非常重而且貴?？紤]滑輪直徑的同時(shí)，還必須考慮電纜壽命。非常小的皮帶輪對(duì)鋼索會(huì)產(chǎn)生顯著的彎曲應(yīng)力，從而使電纜壽命退化。按照電纜制造業(yè)情況，滑輪直徑應(yīng)該是大約包圍在它周圍的電纜的直徑的 25 倍。我們初步選擇了一個(gè)直徑為 0.188 英寸的電纜，因?yàn)樗臄嗔褟?qiáng)度（ 2000 磅）差不多達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 根據(jù)制造業(yè)者的 25X 因素,我們得到了一個(gè)直徑為 4.68 寸的滑輪。取整數(shù),使用一個(gè)直徑為 4.75 英寸的滑輪。用這個(gè)帶輪直徑和 3000PSI 的設(shè)計(jì)壓力，計(jì)算出扭矩為 266 英尺-磅條件下的活塞直徑是 0.770 英寸。保守起見(jiàn)，選擇了活塞直徑為 0.75 英寸。注意驅(qū)動(dòng)力（指圖 3 成分選擇過(guò)程示意圖各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127電纜力）為 0.75 英寸直徑的活塞是 1324 磅，少于額定強(qiáng)度電纜 2000 磅。汽缸直徑為 0.75 英寸和滑輪直徑 4.75 英寸，模擬產(chǎn)生的最大壓力和流速如表 2 所示。表 2 活塞直徑為 0.750 英寸，帶輪直徑為 4.75 英尺時(shí)模擬的最大壓力值和流量最大臀部主動(dòng)器壓力 20.68 MPa 3000 PSI最大膝主動(dòng)器壓力 20.68 MPa 3000 PSI最大值髖舵機(jī)流速 4.02e-4 m3/s 6.38 GPM (24.5 in3/s)最大值膝動(dòng)器流速 3.895e-4 m3/s 6.17 GPM (23.8 in3/s)最大總動(dòng)器流速 6.385e-4 m3/s 10.12 GPM (39.0 in3/s)平均流速 1.98e-4 m3/s 3.14 GPM (12.1 in3/s)在圓筒和滑輪直徑選擇方面，我們用了模擬模型為單臂機(jī)器人結(jié)束產(chǎn)生壓力和流程需求而且延長(zhǎng)時(shí)間的時(shí)期。從這個(gè)壓力和流量的數(shù)據(jù)中抽取了平均流量、洪峰流量和壓降。這方面的資料，用來(lái)選擇主要系統(tǒng)組件，包括伺服閥、散熱器、蓄能器、齒輪泵等?！黝惍厴I(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查表學(xué)生姓名 徐超 學(xué) 號(hào) 05010243 指導(dǎo)教師 路建萍 劉 艷課題名稱 兩足行走機(jī)器人——臂部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)難易程度 偏難 適中 √ 偏易選題情況工作量 較大 合理 √ 較小任務(wù)書(shū) 有 √ 無(wú)開(kāi)題報(bào)告 有 √ 無(wú)符合規(guī)范化 的要求外文翻譯質(zhì)量 優(yōu) 良 中 √ 差學(xué)習(xí)態(tài)度、出勤情況 好 一般 √ 差工作進(jìn)度 快 按計(jì)劃進(jìn)行 √ 慢中期工作匯報(bào)及解答問(wèn)題情況優(yōu) 良 √ 中 差中期成績(jī)?cè)u(píng)定：良所在專業(yè)意見(jiàn)：在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，工作積極主動(dòng)，學(xué)習(xí)態(tài)度良好，能夠按要求完成老師布置的各項(xiàng)任務(wù)。負(fù)責(zé)人： 年 月 日各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙( 需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）選題、審題表姓 名 路建萍 劉艷系　　部 機(jī)械工程系指導(dǎo)教師專業(yè)技術(shù)職 務(wù) 工程師 助教課題名稱 兩足行走機(jī)器人——臂部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)適用專業(yè) 機(jī)械工程及自動(dòng)化A B C D E A B C D課題性質(zhì)√ 課題來(lái)源 √大 適中 小 難 適中 易課題預(yù)計(jì)工作量大小 √課題預(yù)計(jì)難易程度 √課題簡(jiǎn)介本課題源于“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。課題應(yīng)完成的任務(wù)和對(duì)學(xué)生的要求1、課題調(diào)研、查閱資料，撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告及外文翻譯； 2、總體方案論證及選擇； 3、完成機(jī)器人擺大臂和擺小臂機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)； 4、繪制總體裝配圖、部件裝配圖和主要零件的零件圖；5、撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。所在專業(yè)審定意見(jiàn)：專業(yè)負(fù)責(zé)人(簽名)： 年 月 日注：本課題由 徐 超 同學(xué)選定，學(xué)號(hào)： 05010243 注：1．該表由指導(dǎo)教師填寫(xiě)，經(jīng)所在專業(yè)負(fù)責(zé)人簽名后生效，作為該專業(yè)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）選題使用；2．有關(guān)內(nèi)容的填寫(xiě)見(jiàn)背面的填表說(shuō)明，并在表中相應(yīng)欄內(nèi)打“√” ；3．課題一旦被學(xué)生選定，此表須放在學(xué)生“畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）資料袋”中存檔。各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙( 需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127填 表 說(shuō) 明1．該表的填寫(xiě)只針對(duì) 1 名學(xué)生做畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）時(shí)選擇使用，如同一課題由 2 名及 2 名以上同學(xué)選擇，應(yīng)在申報(bào)課題的名稱上加以區(qū)別（加副標(biāo)題） ，并且在“設(shè)計(jì)（論文）要求”一欄中說(shuō)明。2． “課題性質(zhì)”一欄：A．產(chǎn)品設(shè)計(jì)；B．工程技術(shù)研究；C．軟件開(kāi)發(fā)；D．研究論文或調(diào)研報(bào)告E．其它。3． “課題來(lái)源”一欄：A．自然（社會(huì)）科學(xué)基金與?。ú浚?、市級(jí)以上科研課題；B．企、事業(yè)單位委托課題；C．校、院（系）級(jí)基金課題；D．自擬課題。4． “課題簡(jiǎn)介”一欄：主要指該課題的背景介紹、理論意義或?qū)嵱脙r(jià)值。各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=17148791271 緒論1.1 引言 機(jī)器人是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，仿人型機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。研究仿人型機(jī)器人需要結(jié)合機(jī)械、電子、信息論、人工智能、生物學(xué)以及計(jì)算機(jī)等諸多學(xué)科知識(shí)，同時(shí)其自身的發(fā)展也促進(jìn)了這些學(xué)科的發(fā)展。雙足步行機(jī)器人是仿人型機(jī)器人的一種。1959 年，世界上誕生了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，開(kāi)創(chuàng)了機(jī)器人發(fā)展的新紀(jì)元。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，仿人型機(jī)器人的研究與應(yīng)用迅猛發(fā)展。世界著名機(jī)器人專家、日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授說(shuō)過(guò)：“機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有的最大特征之一是步行功能” 。其中雙足行走是步行方式中自動(dòng)化程度最高、最為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。偉大的發(fā)明家愛(ài)迪生也曾說(shuō)過(guò)這樣一句話：“上帝創(chuàng)造人類，兩條腿是最美妙的杰作” 。雙足步行系統(tǒng)具有非常豐富的動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)步行的環(huán)境要求很低，既能在平地上行走，也能在非結(jié)構(gòu)性的復(fù)雜地面上行走，對(duì)環(huán)境有很好的適應(yīng)性。步行功能的具備為擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)辟了無(wú)限廣闊的前景。研究雙足步行機(jī)器人的原因和目的，主要有以下幾個(gè)方面：希望研制出雙足步行機(jī)構(gòu)，使它們能在許多結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)環(huán)境中行走，以代替人進(jìn)行作業(yè)或延伸和擴(kuò)大人類的活動(dòng)領(lǐng)域；希望更多得了解和掌握人類得步行特性，并利用這些特性為人類服務(wù)，例如：人造假肢。雙足步行系統(tǒng)具有豐富的動(dòng)力學(xué)特性，在這方面的研究可以拓寬力學(xué)及機(jī)器人的研究方向；雙足步行機(jī)器人可以作為一種智能機(jī)器人在人工智能中發(fā)揮重要的作用?？苹眯≌f(shuō)和電影作品中，人們將像人一樣行走、思考、行為的機(jī)器人作為機(jī)器人研究的最高境界?？茖W(xué)工作者也一直將實(shí)現(xiàn)類人行為的機(jī)器人作為工作的最高目標(biāo)去追求。步行機(jī)器人特別是雙足步行機(jī)器人的研究是整個(gè)類人機(jī)器人研究的前奏，是實(shí)現(xiàn)類人機(jī)器人的必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。在具有許多優(yōu)點(diǎn)的步行機(jī)器人中，由于雙足步行機(jī)器人體積較小，所以他們對(duì)環(huán)境有最好的適應(yīng)性。這種機(jī)器人除結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單外，在靜、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定步行方面，都是最困難的，但這種困難并不是不能克服。實(shí)用的雙足步行機(jī)器人由兩條腿和平臺(tái)（腰部）組成。腿的作用是為平臺(tái)提供移動(dòng)能力，而平臺(tái)的作用則是提供一個(gè)基礎(chǔ)，以便安裝機(jī)械手、CCD 攝像機(jī)、機(jī)載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和電池等。顯然，這種帶機(jī)械手的雙足步行機(jī)器人外形上更像人，能非常各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127靈活地從事較多的工作。但是，對(duì)于這種雙足步行機(jī)器人來(lái)說(shuō)，平臺(tái)的穩(wěn)定性對(duì)于有效地控制機(jī)械手末端操作器的位置和姿態(tài)是至關(guān)重要的，而兩條腿的步態(tài)又對(duì)平臺(tái)的穩(wěn)定性起決定作用。因此，如何規(guī)劃好腿的步態(tài)，協(xié)調(diào)地控制兩條腿的運(yùn)動(dòng)以保持平臺(tái)及整個(gè)雙足步行機(jī)器人的穩(wěn)定就成為一個(gè)主要問(wèn)題。雙足步行機(jī)器人可以是很復(fù)雜的系統(tǒng)，當(dāng)然也可以是構(gòu)造簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。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(kāi)始出現(xiàn)。60 年代美國(guó)的 ConsolidatedContr01 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(lái)，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)哈爾濱工程大學(xué)碩十學(xué)位論文。1970 年，第一次國(guó)際機(jī)器人會(huì)議在美國(guó)舉行。經(jīng)過(guò)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(guò)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。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(jiàn)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。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)用范各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127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(lè)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。1.3 雙足步行機(jī)器人研究概況1.3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀分析最早系統(tǒng)地研究人類和動(dòng)物運(yùn)動(dòng)原理的是Muybridge，他發(fā)明了電影用的獨(dú)特?cái)z像機(jī)，即一組電動(dòng)式觸發(fā)照相機(jī)，并在1877年成功地拍攝了許多四足動(dòng)物步行和奔跑的連續(xù)照片。后來(lái)這種采用攝像機(jī)的方法又被Demeny用來(lái)研究人類的步行運(yùn)動(dòng)。從本世紀(jì)30年代到50年代，蘇聯(lián)的Bernstein從生物動(dòng)力學(xué)的角度也對(duì)人類和動(dòng)物的步行機(jī)理進(jìn)行深入的研究，并就步行運(yùn)動(dòng)作了非常形象化的描述。真正全面、系統(tǒng)地開(kāi)展兩足步行機(jī)器人的研究是始于本世紀(jì)60年代．迄今，不僅形成了兩足步行機(jī)器人一整套較為完善的理論體系，而且在一些國(guó)家，如日本、美國(guó)和蘇聯(lián)等都已研制成功了能靜態(tài)或動(dòng)態(tài)步行的兩足步行機(jī)器人樣機(jī)。這一部分，我們主要介紹隊(duì)60年代到1985年這一時(shí)期，在兩足步行機(jī)器人領(lǐng)域所取得的最重要進(jìn)展。在60年代和70年代，對(duì)步行機(jī)器人控制理論的研究產(chǎn)生了3種非常重要的控制方法，即有限狀態(tài)控制、模型參考控制和算法控制。這3種控制方法對(duì)各種類型的步行機(jī)器人都是適用的。有限狀態(tài)控制是由南斯拉夫的Tomovic在1961年提出來(lái)的 ，模型參考控制是由美國(guó)的Farnsworth在1975年提出來(lái)的，而算法控制則是由南斯拉夫米哈依羅·鮑賓研究所著名的機(jī)器人學(xué)專家Vukobratovic博士在1969年至1972年問(wèn)提出來(lái)的。這3種控制方法之間有一定的內(nèi)在聯(lián)系。有限狀態(tài)控制實(shí)質(zhì)上是一種采樣化的模型參考控制，而算法控制則是一種居中的情況 [1]。在兩足步行機(jī)器人的發(fā)展史上，Vukobratovic博士是一個(gè)非常突出的人物。他在整個(gè)70年代就兩足步行機(jī)器人的理論研究和假肢的設(shè)計(jì)發(fā)表了很多有影響的論文。他提出了用歐拉角描述兩足步行系統(tǒng)的通用數(shù)學(xué)模型；指出了由于步行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和控制性能的特殊性，用一般控制理論不能滿意地解決人工實(shí)現(xiàn)步行的問(wèn)題，各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127并相應(yīng)地提出了算法控制的概念；研究了類人型兩足步行系統(tǒng)在單腳和雙腳支撐期機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，并建立了從運(yùn)動(dòng)副組合到關(guān)節(jié)力矩計(jì)算等各項(xiàng)運(yùn)算的KINPAIR算法，分析了類人型兩足步行系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定性，并提出了相應(yīng)的姿態(tài)控制算法；對(duì)類人型兩足步行系統(tǒng)進(jìn)行了能量分析和頻率分析．此外，他還與合作者一起為截癱病人和小兒麻痹癥患者設(shè)計(jì)了一系列半動(dòng)力型和動(dòng)力型輔助行走裝置 。特別重要的是，他和Stepanenko博士一起在1972年提出了“零力矩點(diǎn)ZMP”的概念ZMP概念的提出對(duì)兩足步行機(jī)器人控制產(chǎn)生了非常重要的影響，為有效地控制兩足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)開(kāi)辟了一條嶄新的途徑 [2]。在步態(tài)研究方面，蘇聯(lián)的Bessonov和Umnov定義了“最優(yōu)步態(tài)”，Kugushev和Jaro-shevskij定義了自由步態(tài)。這兩種步態(tài)不僅適應(yīng)于兩足而且也適應(yīng)于多足步行機(jī)器人。其中，自由步態(tài)是相對(duì)于規(guī)則步態(tài)而言的。如果地面非常粗糙不平，那么步行機(jī)器人在行走時(shí)，下一步腳應(yīng)放在什么地方，就不能根據(jù)固定的步序來(lái)考慮，而是應(yīng)該象登山運(yùn)動(dòng)員那樣走一步看一步，通過(guò)某一優(yōu)化準(zhǔn)則來(lái)確定，這就是所謂的自由步態(tài)。在兩足步行機(jī)器人的穩(wěn)定性研究方面，美國(guó)的Hemami等人曾提出將兩足步行系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的簡(jiǎn)化模型看作是一個(gè)倒立振子(倒擺)，從而可以將兩足步行的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)解釋為使振子直立移動(dòng)的問(wèn)題。此外，從減小控制的復(fù)雜性考慮，Hemami等人還曾就兩足步行機(jī)器人的“降階模型”問(wèn)題進(jìn)行了研究。在步行模式這方面的研究中，日本加藤一郎教授及其合作者1980年提出了“準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步行的概念 ，這是一種介于靜態(tài)步行和動(dòng)態(tài)步行之間的步行方式。它既具有靜態(tài)步行的特點(diǎn)又具有動(dòng)態(tài)步行的特點(diǎn)，其步速要比靜態(tài)步行快，而實(shí)現(xiàn)起來(lái)又不象動(dòng)態(tài)步行那樣困難。最早采用最優(yōu)理論來(lái)研究類人型兩足步行系統(tǒng)是美國(guó)的Chow和Jacobson。他們?cè)?971年發(fā)表的論文中， 具有約束條件的力學(xué)模型和性能最優(yōu)準(zhǔn)則作為兩足步行優(yōu)化問(wèn)題的核心，而以一種簡(jiǎn)化模型作為研究對(duì)象。但最后，他們僅是以局部耗能最少為基礎(chǔ)得出了一個(gè)優(yōu)化結(jié)果。前面我們?cè)赋鯲ukobratovic也對(duì)類人型兩足步行系統(tǒng)進(jìn)行了能量分析，但他僅限于導(dǎo)出各關(guān)節(jié)及整個(gè)步行系統(tǒng)的功率隨時(shí)間的變化關(guān)系，并沒(méi)有過(guò)多地涉及能耗最優(yōu)這個(gè)問(wèn)題．但在他的研究中，Vukobratovic得出了一個(gè)有用的結(jié)論，即步行各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127姿態(tài)越平滑，類人型兩足步行系統(tǒng)所消耗的功率就越少。下面介紹一下樣機(jī)研制方面的主要情況。早在50年代中期，美國(guó)通用電氣公司就制造了一臺(tái)名為“Hardiman”的步行車，但當(dāng)時(shí)的驅(qū)動(dòng)和伺服控制技術(shù)顯然還不足以使Hardiman進(jìn)入實(shí)用化階段。1986年至1971年間，牛津大學(xué)的Witt等人曾制造和完善了一個(gè)兩足步行機(jī)器人。當(dāng)時(shí)他們的主要目的是為癱瘓者和下肢殘疾者設(shè)計(jì)實(shí)用的輔助行走裝置。這個(gè)機(jī)器人在平地上走得非常好，步速為0.28m／s，功率消耗約4瓦 。1972年，日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授及其合作者設(shè)計(jì)的Wabot(前身為WL-5)是迄今為止最上象的一個(gè)兩足步行機(jī)器人，它除有兩條腿之外，還具有許多其它擬人的特征Wabot首次步行是在1973年，它具有一定的自律性，能完成低速度的靜態(tài)穩(wěn)定步行。后來(lái)，加藤他們又制造了一系列兩足步行機(jī)器人，這些機(jī)器人一般都是液壓驅(qū)動(dòng)的，每條腿上一般具有5個(gè)自由度，典型的步長(zhǎng)和步行周期分別是15厘米和l5秒，并且它們都能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步行。特別值得一提的是，這些科學(xué)家在1984年成功地使他們研制的WL-lORD兩足步行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)步行，步幅為43.18厘米，步速達(dá)到1.3步每秒。WL-10RD機(jī)器人重84公斤，在其本體上安裝了一臺(tái)Z8002微型計(jì)算機(jī)，用來(lái)控制它的步行運(yùn)動(dòng)。在80年代初，東京大學(xué)的Miura和Shimoyama研制了5種類型的兩足步行機(jī)器人，它們依次被命名為BIPER-1。所有這些機(jī)器人都不能保持靜態(tài)穩(wěn)定，但在適當(dāng)?shù)目刂谱饔孟露寄軐?shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)步行。BIPER-1和BIPER-2其能側(cè)行；BIPER-3是一個(gè)高蹺型機(jī)器人，腳與地面以點(diǎn)狀接觸，它既能側(cè)行，也能前進(jìn)、后退；BIPER-4的兩條腿具有與人完全相同的自由度；而B(niǎo)IPER-5則與BIPER-3相似，但BIPER-5的所有儀器．如計(jì)算機(jī)等，都安裝在其本體上。1982年，東京理工學(xué)院的Funabashi等人設(shè)計(jì)了一個(gè)名為MEG-2的兩足步行機(jī)器人，在該機(jī)器人的連桿機(jī)構(gòu)上安裝有重力和慣性力補(bǔ)償裝置。在1985年的實(shí)驗(yàn)中，該機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了高速步行。此外，日本還有很多科學(xué)家和技術(shù)人員在8O年代也研制了一些兩足步行機(jī)器人。其中有的采用最優(yōu)調(diào)節(jié)器和數(shù)字控制理論來(lái)控制兩足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，有的用形狀記憶合金作為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，而有的則是研究軌跡產(chǎn)生算法或試將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論用于步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制。在1985年以前，樣機(jī)的研制主要是日本的科學(xué)家做出了突各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127出的貢獻(xiàn)。1.3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀分析國(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(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)列入其中。目前我國(guó)從事機(jī)器人研究與應(yīng)用開(kāi)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(kāi)始研究雙足步行機(jī)器人，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/步，后來(lái)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 步每秒的步行。目前正在研制的 HI 下 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 [3～7] 。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-1，它能前進(jìn)、后退和上下樓梯，最大步幅為 40cm，步速為 4 步每秒，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 0.8 步每秒，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 [8～13] 。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(jué)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，各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127于 2002 年 12 月通過(guò)驗(yàn)收的仿人形機(jī)器人 BHR-l，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(jué)、平衡覺(jué)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 [13,14]。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。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。各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=17148791272 雙足機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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 雙足機(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(lái)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，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 [15]。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))。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” 、本田公司的 ASIMO 和索尼公司的 SDR 和 QRIO。具有 6×2 個(gè)自由度的機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制都特別的復(fù)雜。按照在能完成研究目標(biāo)的情況下，自由度最少的設(shè)計(jì)原則，在過(guò)去的四十年中，為了不同的研究目標(biāo)，人們?cè)O(shè)計(jì)了許多具有不同自由度的兩足步行機(jī)器人，按照行走過(guò)程中的穩(wěn)定方式，兩足步行機(jī)器人一般分為三類:（1）靜態(tài)機(jī)器人，這類步行機(jī)器人的 COM(Cenier of Mass)始終處于支撐哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文多邊形(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(shí)現(xiàn)靜態(tài)行走。（2）動(dòng)態(tài)機(jī)器人，這類步行機(jī)器人有踝關(guān)節(jié)，依靠踝關(guān)節(jié)來(lái)保證它的 ZMP 點(diǎn)各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127(Zero Momeni Cenier)始終處于支撐多邊形內(nèi)，所以可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)行走和動(dòng)態(tài)行走。（3）完全動(dòng)態(tài)機(jī)器人，這類步行機(jī)器人的踝關(guān)節(jié)沒(méi)有驅(qū)動(dòng)，甚至沒(méi)有踝關(guān)節(jié)。所以，支撐多邊形在單腳支撐期縮小成一個(gè)點(diǎn)，在雙腳支撐期縮小為一條線段，所以，這類機(jī)器人不能保持靜態(tài)平衡，只能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)行走。下面，我們按照自由度數(shù)從少到多的原則，參考曾經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)的兩足步行機(jī)器人模型，分析不同結(jié)構(gòu)的兩足步行機(jī)器人的特點(diǎn)。為了計(jì)算機(jī)器人的自由度，我們將采用以下原則：假設(shè)機(jī)器人固定于一端，考慮單腳支撐機(jī)器人開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)情況下的自由度。同時(shí)就機(jī)器人雙腳支撐閉鏈結(jié)構(gòu)情況下的冗余自由度進(jìn)行分析。自由度數(shù)最少的兩足步行機(jī)器人只有一個(gè)自由度，如圖 2.1 所示。圖 2.1 這類機(jī)器人沒(méi)有軀干，兩條腿直接鉸鏈在一起。這類機(jī)器人理論上只有一個(gè)自由度，實(shí)際上，為了防止擺動(dòng)腿擺動(dòng)時(shí)和地面干涉，這兩條腿都必須是可以伸縮的。加上這兩個(gè)平移自由度，這個(gè)機(jī)器人實(shí)際上有 3 個(gè)自由度。它的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型是平面的，沒(méi)有側(cè)向運(yùn)動(dòng)，在徑向平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)象一個(gè)兩腳圓規(guī)。在雙腳支撐期，沒(méi)有冗余自由度。這類兩足步行機(jī)器人不能保持靜態(tài)平衡，屬于完全動(dòng)態(tài)機(jī)器人，在僅受重力作用時(shí)，可以在斜面上行走。 圖 2.1 一個(gè)自由度的兩足步行機(jī)器人圖 2.2 表示的是有四個(gè)自由度的兩足步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。這類機(jī)器人由一個(gè)軀干和兩條變結(jié)構(gòu)的腿組成。這個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型也是平面的，沒(méi)有側(cè)向運(yùn)動(dòng)，為了防止側(cè)向傾倒，兩只固定在小腿上的腳在和徑向面垂直的方向上排列。徑向面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)包括 5 個(gè)連桿(軀干和兩條變結(jié)構(gòu)的腿)和 4 個(gè)自由度。這類機(jī)器人屬于完全動(dòng)態(tài)機(jī)器人，它可以在水平面上沿直線行走幾步，然后就會(huì)因?yàn)閿[動(dòng)腿著地時(shí)的沖擊過(guò)大而跌倒。各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127圖 2.2 四個(gè)自由度的兩足步行機(jī)器人圖 2.3 表示的是具有八個(gè)自由度的兩足步行機(jī)器人。這類機(jī)器人由一個(gè)軀干和兩條腿組成，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)各有一個(gè)前向自由度，踝關(guān)節(jié)有一個(gè)前向自由度和一個(gè)側(cè)向旋轉(zhuǎn)自由度。它在側(cè)向面的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)倒立擺模型，像一個(gè)只有踝關(guān)節(jié)一個(gè)自由度的剛體，這個(gè)側(cè)向關(guān)節(jié)使它可以側(cè)向平衡。在徑向面的運(yùn)動(dòng)包括 7 個(gè)連桿和6 個(gè)關(guān)節(jié)。這類機(jī)器人可以在水平地面和斜坡上行走，并且可以上下樓梯。但是由于只有踝關(guān)節(jié)處的一個(gè)側(cè)向關(guān)節(jié)，所以對(duì)側(cè)向關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能和控制精度都要求較高，往往會(huì)側(cè)向傾倒。圖 2.3 八個(gè)自由度的兩足步行機(jī)器人真正實(shí)現(xiàn)擬人行走的機(jī)器人是具有十二個(gè)自由度的兩足步行機(jī)器人，如圖 2.4所示，這類機(jī)器人艘關(guān)節(jié)有 3 個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)有 1 個(gè)自由度，踝關(guān)節(jié)有 2 個(gè)自由度。在側(cè)向面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)包括 5 個(gè)連桿和 4 個(gè)自由度，在徑向面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)包括 7 個(gè)連桿和 6 個(gè)自由度。由于髖關(guān)節(jié)有繞豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，所以這類機(jī)器人可以轉(zhuǎn)彎。在雙足支撐期，這類步行機(jī)器人具有 6 個(gè)冗余自由度。這類兩足機(jī)器人屬于動(dòng)態(tài)機(jī)器人，可以在普通的平整地面(塑料瓷磚、鋪砌地面或者草地)上和平整的斜坡上行走，還可以上下樓梯，側(cè)向行走，后退和轉(zhuǎn)彎。并且這類機(jī)器人可以方便地在上體增加胳膊和頭頸，已經(jīng)為研究者廣泛接受。各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127圖 2.4 具有十二個(gè)自由度的兩足步行機(jī)器人通過(guò)上面的分析，可以看出，兩足步行機(jī)器人是從完全動(dòng)態(tài)機(jī)器人發(fā)展到動(dòng)態(tài)機(jī)器人的。大部分兩足步行機(jī)器人在雙腳支撐期都可以順利地將重心從一只腳轉(zhuǎn)移到另一只腳。但是，相對(duì)地，在單足支撐期有許多問(wèn)題，不管機(jī)器人結(jié)構(gòu)怎么樣，都受到擺動(dòng)腿著地時(shí)的巨大的沖擊，從而無(wú)法保證側(cè)向的平衡，尤其是沒(méi)有膝關(guān)節(jié)的機(jī)器人。解決擺動(dòng)腿著地時(shí)的沖擊是兩足步行機(jī)器人研究的一個(gè)重要的課題。2.3 雙足機(jī)器人的自由度配置綜上所述，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)取名(X-W-Robot)即 XWR 型的雙足步行機(jī)器人模型，如圖 2.6 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(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)平地前后行、爬斜坡等功能。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)源全為電機(jī)，便于集中控制和程序化控制。圖 2.6 雙足步行機(jī)器人模型圖 2.6 模仿人類，肩關(guān)節(jié)三個(gè)自由度，前向和側(cè)向自由度，一般不考慮轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。肘關(guān)節(jié)兩個(gè)自由度前向和側(cè)向自由度，腕關(guān)節(jié)一個(gè)自由度。踝關(guān)節(jié)有兩個(gè)自由度，前向和側(cè)向自由度:膝關(guān)節(jié)只有一個(gè)前向自由度，髖關(guān)節(jié)處要模擬人類髖關(guān)各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127節(jié)行為理論上要求有三個(gè)正交的自由度，但在機(jī)器人直線前進(jìn)時(shí)只需要正交的前向和側(cè)向自由度，同樣不考慮。關(guān)節(jié)編號(hào)如表 2.1 所示。表 2.1 機(jī)器人關(guān)節(jié)編號(hào)關(guān)節(jié)標(biāo)號(hào) 對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié) 運(yùn)動(dòng)范圍／° 關(guān)節(jié)標(biāo)號(hào) 對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié) 運(yùn)動(dòng)范圍／°1 左踝關(guān)節(jié)側(cè)向 －30～30 2 左踝關(guān)節(jié)前向 －30～303` 左膝關(guān)節(jié) －90～10 4 左髖關(guān)節(jié)前向 －30～805 左髖關(guān)節(jié)側(cè)向 －30～30 6 左腿轉(zhuǎn)彎關(guān)節(jié) －60～607 右腿轉(zhuǎn)彎關(guān)節(jié) －60～60 8 右髖關(guān)節(jié)側(cè)向 －30～309 右髖關(guān)節(jié)前向 －30～80 10 右膝關(guān)節(jié) －90～1011 右踝關(guān)節(jié)前向 －30～0 12 右踝關(guān)節(jié)側(cè)向 －30～30雙足步行機(jī)器人的一個(gè)主要問(wèn)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)定行走并能夠做靈活的仿人動(dòng)作，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(wèn)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(lái)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。依據(jù)仿生學(xué)原理，肢體的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度要盡量與人的肢體長(zhǎng)度比例相近，為了提高行走穩(wěn)定性，將機(jī)器人的兩足設(shè)計(jì)得較大。為了簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算，踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)處采用雙關(guān)節(jié)交叉結(jié)構(gòu)，減弱了關(guān)節(jié)藕合程度及非線性，可以近似認(rèn)為前向平面與側(cè)向平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)是解藕的。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，這種材料重量輕、硬度高。2.4 驅(qū)動(dòng)方式的選擇和舵機(jī)工作原理各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=17148791272.4.1 驅(qū)動(dòng)方式的選擇驅(qū)動(dòng)器用于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)本體各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)功率。目前驅(qū)動(dòng)方式主要有氣動(dòng)、液壓和伺服電機(jī)。驅(qū)動(dòng)器在雙足步行機(jī)器人中的作用就相當(dāng)于人體的肌肉，如果把連桿以及關(guān)節(jié)想象為機(jī)器人的骨骼，那么驅(qū)動(dòng)器就起到肌肉的作用，它通過(guò)移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)連桿來(lái)改變機(jī)器人的構(gòu)型。驅(qū)動(dòng)器必須有足夠的功率對(duì)負(fù)載加速或者減速。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)器本身要精確、靈敏、輕便、經(jīng)濟(jì)、使用方便可靠且易于維護(hù)。目前己經(jīng)有很多種驅(qū)動(dòng)器，常用的有以下幾種:(1)電動(dòng)機(jī):舵機(jī)、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)；(2)液壓驅(qū)動(dòng)器；(3)氣壓驅(qū)動(dòng)器；(4)形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器；(5)磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器等。液壓驅(qū)動(dòng)是由高精度的剛體和活塞一起完成的?；钊蛣傮w采用滑動(dòng)配合，壓力油從液壓缸的一端進(jìn)入，把活塞推向液壓缸的另一端，調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)部活塞兩端的液體壓力和進(jìn)入液壓缸的油量即可控制活塞的運(yùn)動(dòng)。以前在大型的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中，液壓系統(tǒng)使用非常普遍，它具有驅(qū)動(dòng)力矩大，功率重量比較高，工作平穩(wěn)可靠，系統(tǒng)響應(yīng)速度快以及傳動(dòng)中的力、速度、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等特點(diǎn);但是也存在成本高、重量大、工藝復(fù)雜以及可能發(fā)生泄漏甚至高溫爆炸等缺點(diǎn)，同時(shí)因其固有的笨重性，不宜用作雙足步行機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器。氣動(dòng)具有成本低、控制簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。氣動(dòng)裝置在原理上和液壓系統(tǒng)非常相似，它以壓縮空氣為氣源驅(qū)動(dòng)氣缸做直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并用人工或電磁閥哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文進(jìn)行控制。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的制造精度要求沒(méi)有液壓元件高，易于高速控制，無(wú)污染，但由于位置控制困難，只能用于 1/2 自由度(受限的關(guān)節(jié)，被限定為幾個(gè)可能的值)的開(kāi)關(guān)類型關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)插入、點(diǎn)位搬運(yùn)等簡(jiǎn)單操作，并且其工作穩(wěn)定性差，壓縮空氣需要除水。液壓驅(qū)動(dòng)與氣壓驅(qū)動(dòng)不能實(shí)現(xiàn)自帶能源，更直接決定了其難于應(yīng)用到雙足步行機(jī)器人系統(tǒng)中。步行機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)都是旋轉(zhuǎn)副。在廉價(jià)的計(jì)算機(jī)問(wèn)世之前，控制旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的主要困難是計(jì)算量大，所以當(dāng)時(shí)認(rèn)為采用直線驅(qū)動(dòng)方式比較好。今天，電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制的費(fèi)用已經(jīng)大大降低，大功率晶體管己經(jīng)廣泛使用，只需要采用幾個(gè)晶體管就可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)大功率伺服電機(jī)。同樣，微型計(jì)算機(jī)的價(jià)格也越來(lái)越便宜，計(jì)算機(jī)費(fèi)各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127用在機(jī)器人總費(fèi)用中所占的比例大大降低。甚至在每個(gè)關(guān)節(jié)或自由度中都采用一個(gè)微處理器?；谏鲜龇治隹梢钥闯?，電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有成本低、精度高、易于控制、可靠且維修方便等特點(diǎn)，是最常用的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器。直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，形狀一記憶合金等驅(qū)動(dòng)器目前還處于研究和開(kāi)發(fā)階段，在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)變得非常有用。本雙足步行機(jī)器人采用舵機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。舵機(jī)是一種最早應(yīng)用在航模運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)力裝置，它的控制信號(hào)是一個(gè)脈寬調(diào)制信號(hào)，所以很方便和數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行接口。只要能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的控制信號(hào)的數(shù)字設(shè)備都可以用來(lái)控制舵機(jī)，比如 PLC、單片機(jī)等。而且舵機(jī)體積緊湊，便于安裝，輸出力矩大，穩(wěn)定性好，控制簡(jiǎn)單，所以舵機(jī)己經(jīng)廣泛地應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域。2.4.2 舵機(jī)的工作原理機(jī)器人的動(dòng)力來(lái)源都是舵機(jī)，機(jī)器人控制系統(tǒng)主要控制的對(duì)象就是舵機(jī)，對(duì)舵機(jī)必須有一個(gè)清華粗的認(rèn)識(shí)，舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并具有保持力矩的控制系統(tǒng)。舵機(jī)的工作原理是：控制電路板接受來(lái)自信號(hào)線的控制信號(hào)，控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)一系列齒輪組，減速后傳動(dòng)至輸出舵盤。多級(jí)的輸出軸和位置反饋電位器是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)位置反饋電位器，電位器將輸出一個(gè)電壓信號(hào)到控制電路板，進(jìn)行反饋，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度，從而達(dá)到目標(biāo)停止?？刂菩盘?hào)由接受機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得只留偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為 20ms，寬度為 1.5ms 的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，決定電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)讀一定時(shí)，通過(guò)級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為 0，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。舵機(jī)結(jié)構(gòu)由如下組成。(1)電動(dòng)機(jī)：為舵機(jī)提供動(dòng)力。(2)減速箱：將電動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速降低，并獲得打的轉(zhuǎn)矩。(3)電位器：為系統(tǒng)提供輸出軸的反饋。(4)電子控制板: 用來(lái)分析控制信號(hào)和反饋位置直接的關(guān)系，控制電動(dòng)機(jī)正傳、反轉(zhuǎn)還是停機(jī)。各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=17148791273 雙足行走機(jī)器人的 3D 圖3.1 總體結(jié)構(gòu) PRO/E 圖及實(shí)物圖雙足行走機(jī)器人由 42 個(gè)鋁合金材質(zhì)的零件，17 臺(tái)舵機(jī)，145 個(gè)螺母螺栓，若干導(dǎo)線，和 AVR 控制板等組成，理論高約 385mm，寬約 242mm。自由度從廣義上來(lái)說(shuō)就是在某一方向上能夠旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)。它是機(jī)器人性能中的一個(gè)重要的參數(shù)，和舵機(jī)聯(lián)系在一起。一般來(lái)說(shuō)，有多少個(gè)舵機(jī)就有多少個(gè)自由度。在設(shè)計(jì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，要考慮到機(jī)器人的仿人特點(diǎn)。在每個(gè)關(guān)節(jié)處都要設(shè)立自由度，那樣才能完成類似人的動(dòng)作。頭部?jī)H一個(gè)自由度，轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。肩關(guān)節(jié)三個(gè)自由度，前向和側(cè)向自由度，不考慮轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。肘關(guān)節(jié)兩個(gè)自由度前向和側(cè)向自由度，腕關(guān)節(jié)一個(gè)自由度。踝關(guān)節(jié)有兩個(gè)自由度，前向和側(cè)向自由度:膝關(guān)節(jié)只有一個(gè)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(gè)正交的自由度，但在機(jī)器人直線前進(jìn)時(shí)只需要正交的前向和側(cè)向自由度，同樣不考慮。模型和實(shí)物見(jiàn)圖 3.1、3.2 和 3.3 所示。(a) 雙足行走機(jī)器人正面 PRO/E 圖 (b) 雙足行走機(jī)器人正面實(shí)物圖圖 3.1 雙足行走機(jī)器人正面各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127(a) 雙足行走機(jī)器人反面 PRO/E 圖 (b) 雙足行走機(jī)器人反面實(shí)物圖圖 3.2 雙足行走機(jī)器人反面圖 3.3 雙足行走機(jī)器人側(cè)面各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=17148791273.2 臂部結(jié)構(gòu) PRO/E 及實(shí)物圖雙足行走機(jī)器人臂部由 6 個(gè)零件，2 臺(tái)舵機(jī)和若干螺釘導(dǎo)線組成，理論長(zhǎng)約175mm，高約 50mm。上肢有 6 個(gè)自由度，分別是肩部?jī)蓚€(gè)自由度和肘部一個(gè)自由度。肩部?jī)蓚€(gè)自由度分別控制胳膊前后旋轉(zhuǎn)和上下擺動(dòng)，肘部一個(gè)自由度控制上下擺動(dòng)。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，可以順利的完成簡(jiǎn)單的甩大臂和甩小臂等動(dòng)作。見(jiàn)圖 3.4 所示。(a) 雙足行走機(jī)器人臂部 PRO/E 圖(b) 雙足行走機(jī)器人臂部實(shí)物圖圖 3.4 雙足行走機(jī)器人臂部圖各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=17148791273.3 部分零件 PRO/E 圖及實(shí)物圖“輝盛”MG945 舵機(jī)。如圖 3.5 所示。圖 3.5 舵機(jī)此零件為鋁制，長(zhǎng) 55mm，寬 50mm，高 16mm。主要用于連接兩個(gè)舵機(jī)，中間 2 個(gè)孔用于連接圖 3.7 所示零件盒舵機(jī)。相對(duì)的 3 個(gè)孔是用來(lái)連接舵機(jī)的軸，其中單個(gè)孔是連接舵機(jī)軸，2 個(gè)孔用來(lái)連接齒輪。如圖 3.6 所示。(a) 雙足行走機(jī)器人臂部零件 PRO/E 圖 (b) 雙足行走機(jī)器人臂部零件實(shí)物圖圖 3.6 臂部零件各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127此零件為鋁制，長(zhǎng) 62mm，寬 20mm，高 32mm。如圖 3.7 所示。主要用于固定舵機(jī)，如圖 3.7（b）所示。用 4 個(gè)螺栓使舵機(jī)緊緊的固定在此零件上。然后通過(guò)上面的零件和 2 個(gè)螺栓把圖 3.7 所示的兩個(gè)舵機(jī)連接在一起，組成了臂部的主體部分。(a) 雙足行走機(jī)器人臂部零件 PRO/E 圖 (b) 雙足行走機(jī)器人臂部零件實(shí)物圖圖 3.7 臂部零件圖手部零件如圖 3.8 所示。圖 3.8 手各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=17148791274 雙足行走機(jī)器人的制作4.1 機(jī)器人舵機(jī)的調(diào)制為了表現(xiàn)機(jī)器人擬人特性，當(dāng)通電以后要讓機(jī)器人處于立正狀態(tài)也稱作初始位置（Homeposition） 。初始位置是機(jī)器人類似于人類，在重力的作用下，正處于能量最低的消耗狀態(tài)。 每個(gè)機(jī)器人組裝完畢后，首先調(diào)試出的就是初始位置狀態(tài)。如圖3.1 和如圖 3.2 分別是處于初始位置的正面和側(cè)面圖。舵機(jī)的初始角度是在安裝時(shí)各個(gè)舵機(jī)所處的角度。一般的情況下，我們都將舵機(jī)調(diào)節(jié)為 90°，這樣便于安裝。安裝時(shí)，我有這樣的體會(huì)：不讓胳膊處于伸直狀態(tài)，讓它處于垂下?tīng)顟B(tài)和軀干上的舵機(jī)連接。如果這樣就會(huì)發(fā)現(xiàn)，剛安裝的胳膊不能夠舉過(guò)頭部，需要重新安裝。因?yàn)閯偛虐惭b的兩個(gè)舵機(jī)發(fā)生了運(yùn)動(dòng)干涉，各個(gè)舵機(jī)具有耦合關(guān)系，雖然兩個(gè)舵機(jī)均處于 90°的狀態(tài)，但是安裝以后兩個(gè)舵機(jī)的活動(dòng)空間發(fā)生了變化。機(jī)器人的初始姿態(tài)是指將各個(gè)舵機(jī)連接在一起時(shí)機(jī)器人所處的姿態(tài)。在將胳膊和大腿與軀干連接時(shí)，舵機(jī)的初始角度都是 90°，但是沒(méi)有按初始的姿態(tài)安裝，可能就會(huì)產(chǎn)生某一個(gè)舵機(jī)活動(dòng)干涉，不能完成類人動(dòng)作。4.2 雙足行走機(jī)器人制作的前期工作前期我們小組認(rèn)真查閱機(jī)器人的資料，我們分析了機(jī)器人所需的材料后，我們買了如下所需的材料。（1）雙足行走機(jī)器人最主要的零件就是舵機(jī)，我們?cè)谀暇┵?gòu)買到。如圖 4.1 所示。圖4.1 “輝盛”MG945舵機(jī)各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127“輝盛”MG945舵機(jī)參數(shù)如表4.1所示。表4.1 “輝盛”MG945舵機(jī)參數(shù)尺寸 重量 速度 扭力 使用電壓40.8×9.9×37.3mm 56.3g 0.24sec/60度 12kg/cm 4.8V～7.2V（2） 鋁制板是在泰州購(gòu)買到，長(zhǎng)度為 1.5m，寬度為 0.4m，厚度約為 1mm。還有所需若干螺栓螺母。我們還購(gòu)買了若干工具。如尖嘴鉗、銼刀一套。（3） 雙足行走機(jī)器人的零件是先畫(huà)了簡(jiǎn)易的圖紙，去廠里拜訪了工人師傅一起完成了制作，主要是采用了線切割機(jī)進(jìn)行切割，然后在用折彎?rùn)C(jī)精確做成零件。4.3 機(jī)器人組裝機(jī)器人的組織是將 17 臺(tái)舵機(jī)以搭積木的方式搭成人形。機(jī)體大部分是由舵機(jī)組成的，各個(gè)舵機(jī)之間是由一些板金件連接而成，組裝順序按如下 7 步順序。（1） 用螺釘先將安裝的配件單個(gè)組裝。（2） 用螺釘將配件和舵機(jī)組裝在一起，如圖 4.1 所示。注意在安裝腳部和臂部舵機(jī)時(shí)，首先將舵機(jī)的外殼放在里面，然后將舵機(jī)的數(shù)據(jù)線從配件的側(cè)面方孔穿過(guò)。圖 4.1 小臂（3） 組裝機(jī)器人的兩個(gè)上肢，每個(gè)上肢有 2 個(gè)舵機(jī)組成，具有 2 個(gè)自由度，如圖 4.2 所示。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)發(fā)生干涉，能完成一些簡(jiǎn)單的甩大臂和甩小臂等動(dòng)作。各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127圖 4.2 臂部（4） 組裝機(jī)器人的兩個(gè)下肢，每個(gè)下肢有 4 個(gè)人舵機(jī)組成，如圖 4.3 所示。組裝機(jī)器人的軀干，由 4 個(gè)舵機(jī)組成，控制胳膊前后旋轉(zhuǎn)和大腿左右擺動(dòng)。圖 4.3 腿部（5） 組裝機(jī)器人的軀干，由 4 個(gè)舵機(jī)組成，具有 4 個(gè)自由度如圖 4.3 所示。安裝前將舵機(jī)初始的角度設(shè)定在 90°，在安裝時(shí)，先從一面開(kāi)始安裝，這樣有利于緊固螺釘。此處由于受到空間的限制，操作比較困難，那么在安裝時(shí)一定要注意緊固每個(gè)螺釘。 各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127圖 4.3 軀干（6） 安裝機(jī)器人頭。先將上肢兩個(gè)舵機(jī)和機(jī)器頭舵機(jī)的數(shù)據(jù)放在好，這樣有利于整體布置數(shù)據(jù)。然后用 4 個(gè)螺釘緊固住。（7） 組裝成一個(gè)整體，分別將上肢與軀干連接在一起。注意安裝時(shí)，大腿是處于并攏狀態(tài)，胳膊處于伸直狀態(tài)。在組裝前，首先要有整體的布局，然后再分步組裝。組裝好了實(shí)物后，此機(jī)器人能簡(jiǎn)單的完成向搖頭、前行走、向后行走、甩大臂和甩小臂燈運(yùn)動(dòng)，但是還不能在有障礙物的地面、不平整的地面上行走走。機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)器人自身的穩(wěn)定性還不怎么好，還需要更好的優(yōu)化結(jié)構(gòu)和選擇更好的材料，使機(jī)器人的穩(wěn)定性更好。各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127結(jié)束語(yǔ)兩足機(jī)器人的研制開(kāi)始于本世紀(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。本章首先介紹了兩足行走機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和制作過(guò)程，此雙足行走機(jī)器人能簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)前后運(yùn)動(dòng)，甩大臂，甩小臂等運(yùn)動(dòng)。在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)進(jìn)行以下研究:復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn):規(guī)劃出仿人機(jī)器人在快速動(dòng)態(tài)步行中拐彎、乃至跑動(dòng)和起跳的步態(tài)。轉(zhuǎn)彎動(dòng)作的步態(tài)規(guī)劃應(yīng)考慮兩個(gè)垂直平面的禍合作用，還應(yīng)考慮擺動(dòng)腳的沖擊。奔跑時(shí)，由于擺動(dòng)腳離地時(shí)速度較高，所以帶來(lái)的沖擊也比較大，可以考慮采取在腳底板加軟墊以及減小機(jī)器人的質(zhì)心在豎直方向的變化幅度、快慢等措施來(lái)減小沖擊。本文所提出的機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)幾個(gè)簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)，但考慮到時(shí)間緊促，還不是很完善。比如結(jié)構(gòu)方面還不是非常堅(jiān)固和牢靠，有待進(jìn)行更加完善；在用軟件控制時(shí)，軟件還不是那么穩(wěn)定，有時(shí)會(huì)互相干擾；還有在穩(wěn)定性方面還不是做的很好，還需改進(jìn)設(shè)計(jì)和零件的進(jìn)一步精確等。在實(shí)際制作中，還要根據(jù)實(shí)際情況修改己有的理論。在這 3 個(gè)月來(lái)我們小組在知道老師劉老師的指導(dǎo)和幫助下，大家齊心協(xié)力，共同努力，為了同一個(gè)目標(biāo)奮斗。在這之間我學(xué)會(huì)了在團(tuán)隊(duì)里相互合作，使自己得到了鍛煉，我相信會(huì)使我受益匪淺。各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127致 謝在即將完成畢業(yè)設(shè)計(jì)階段的學(xué)習(xí)之際，我首先特別感謝導(dǎo)師劉艷老師 1 年來(lái)對(duì)我的無(wú)限關(guān)懷和悉心指導(dǎo)。尤其在我最需要幫助的時(shí)候，導(dǎo)師給予我方方面面的照顧，使我能夠順利完成學(xué)業(yè)。留言老師嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的工作作風(fēng)、精益求精的治學(xué)態(tài)度、循循善誘的悉心教導(dǎo)，使我受益非淺、能夠?qū)W有所成;不僅學(xué)到了許多知識(shí)，更重要的是學(xué)到了思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的方法及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度。論文研究工作的完成，不僅是我的辛勞付出，同時(shí)也傾注了導(dǎo)師的心血與關(guān)懷。在此向?qū)熈粞岳蠋熤乱灾孕牡母兄x!同時(shí)感謝所有關(guān)心、愛(ài)護(hù)、和幫助我的老師、同學(xué)和朋友們，感謝一起共同學(xué)習(xí)組友許峰、黃俊、徐昕晏、吳玉坤對(duì)我的幫助。最后，謹(jǐn)將此文獻(xiàn)給養(yǎng)育我健康成長(zhǎng)的父母，感謝他們多年來(lái)在生活上、精神上、物質(zhì)上給予我的支持、關(guān)心和鼓勵(lì)，謝謝他們的付出和為我所做的一切。各類畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q 號(hào)是 1714879127 該論文含配套的圖紙(需購(gòu)買)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127參 考 文 獻(xiàn)[1] 張永學(xué). 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