機械創新設計課程設計 2015-2016第 2 學期 題 目： 仿人二足步行機器人爬樓梯行走機構設計 小組成員： 班 級： 指導教師： 成 績： 日期：2016 年 6 月 目錄摘 要第一章緒 論11.1.前言11.2.二足仿生機器人的概念11.3課題來源21.4設計目的21.5技術要求21.6設計意義31.7設計范圍41.8國內外的發展狀況和存在的問題41.8.1.國外發展狀況41.8.2.國內發展狀況81.8.3.存在的問題101.9.具體設計101.9.1.設計指導思想101.9.2.應解決的主要問題101.9.3.本設計采用的研究計算方法101.9.4.技術路線10第二章仿人二足步行機器人爬樓梯行走機構步態規劃122.1引言122.2仿人二足步行機器人爬樓梯行走機構的步行概念122.3步行過程設定132.4 雙足機器人步態穩定性分析152.4.1 步行穩定性判據152.4.2零力矩點定義162.4.3穩定步態的條件172.4.4小結182.5 雙足機器人步態規劃192.5.1 引言192.5.2 雙足機器人步行過程分析192.5.3 髖關節規劃202.5.4 髖關節軌跡對ZMP的影響21第三章二足機器人的機構分析233.1四連桿機構的設計233.1.1設計參數233.2 二足機器人主體設計243.2.1腿部的設計243.2.2大腿253.2.3小腿253.2.4腳263.2.5其他輔助連桿26第四章總結274.1.設計小結274.2設計感受274.3課程設計見解27參考文獻28謝 辭3029 / 35摘 要人類社會的發展，各種各樣的機器人正漸漸的走進我們的視野，有很多的地方都用到了機器人，在機器人的領域里越來越多的人開始愛好上了機器人。能更好的適應環境和地形是仿生機器人的優點，很多人的工作可以由機器人代替完成，科學價值和實際應用價值是很重要的。類人機器人一直是機器人領域的研究熱點，是目前科技發展最活躍的領域之一。它匯集了機械、 電子、通訊、自動控制、仿生等諸多學科最新的研究成果，代表了機電一體化的最高成就，反映了 一個國家智能化和自動化研究的水平。雙足行走是類人機器人最基本也是最難實現的功能，因而以實現雙足步行為目標的兩足步行機器人研究是智能型類人機器人研究的基礎。本文以實現仿人二足步行機器人爬樓梯行走機構為研究目標，對實現此功能的相關技術展開了研究。主要分析了人類行走動作，在自由度配置、步態規劃以及穩定性分析的基礎上對仿人二足步行機器人爬樓梯行走機構進行了設計。關鍵詞：仿人二足爬樓梯行走機構，步態規劃，機構設計，四桿機構，CATIA第一章 緒 論1.1. 前言步行機器人已經被廣泛應用于各個領域，且二足機器人的動作近似人類，更能于現今的工作環境相配合。一般二足機器人可步行于高危險性的工作環境，跨越障礙物，上下樓梯，能補足人類體能的限制，可用于探測、救災、搬運、服務等行業，或代替肢體殘障者的雙腳等。此兼具高靈活性及工作穩定的兩大特點，在有危險及枯燥頻繁的任務環境中扮演不可或缺的角色。此次主要研究目標是二足機器人爬樓梯機構的設計，以及對它的步態的規劃。1.2. 二足仿生機器人的概念現階段，機器人的研究應用領域不斷拓寬，其中仿人機器人的 研究和應用受到普遍的關機器人的研究應用領域不斷拓寬，其中仿人機器人的 研究和應用受到普遍的關注，并成為智能機器人領域中最活躍的研究熱點之一。仿人二足機器人爬樓梯的設計變營運而生。 研究與人類外觀特征類似，具有人類智能，靈活性，并能夠與人交流，不斷適應環境的仿人機器人一直是人類的夢想之一。仿人機器人的研究在很多方面已經取得了突破，如關鍵的機械單元，基本行走能力，整體運動，動態視覺等，但是離我們理想中的要求還相去甚遠，還需要在更為具體的某些行動進行研究，仿人二足機器人爬樓梯設計獎機器人的行動具體到爬樓梯動作上，可以更加適合人類的生活和工作環境，代替人類完成各種作業，可以在很多方面拓展人類的能力，如圖所示圖1.1 仿生二足機器人1.3課題來源本課題來源于機械創新設計課程的研究課題。之前我們學習了有關機械原理的基本概念，基本理論，以及相關的計算方法，老師帶領我們深入淺出的學習了機械方面的知識，使我們了解包括機構結構分析，運動分析，力分析以及動力學分析，對于常用的機構，例如，連桿機構，凸輪機構，齒輪機構的等也有了深入的認知。在王老師開設的機械創新設計課程上我們選擇了這個課題，來將學習到的知識付諸于實踐。1.4設計目的本設計主要是利用機械原理相關知識合理設計機械腿的相關尺寸及機構來實現爬樓梯的功能。1.5技術要求1.電機的選擇和控制原理；2.運動學的分析和仿真；3.連桿機構，傳動機構的設計；4.穩定性，重心轉移。1.6設計意義雙足機器人是一種非常典型的仿人機器人，國外早在60年代末就開始了雙足機器人的研究開發。1968年，美國通用公司試制了一臺名為“Rig”的操縱型雙足機器人，揭開了雙足機器人研究的序幕。隨著雙足機器人在各個領域的應用日趨廣泛，各個國家在該領域相繼投入巨資開展研究。自20世紀90年代開始，雙足機器人的研究已從模仿人類腿部行走發展到全方位擬人階段，相繼誕生了P3，ASIMO等機器人。步行是人類最基本的行為方式，雙足機器人具備人類的基本結構，具有類人的步行能力。雙足步行機器人在外形上具有人類特征，適合用于人類生活的環境，為人們提供方便，因此具有廣闊的市場前景。雙足機器人與其他多足機器人相比具有體積較小、重量輕、動作靈活、迅速，而且更接近于人類步行的特點，因此它們對環境有最好的適應性，在日常生活中更具有廣泛的應用前景。步行運動是雙足機器人實現基本類人動作的關鍵，可以為仿人機器人的機構設計、優化提供理論指導和技術支持。對雙足機器人步態規劃進行研究，規劃合理的步態并控制機器人穩定的跟蹤步態實現穩定的步行運動成為雙足機器人技術研究的重點。穩定的步態是雙足機器人實現行走功能的基礎有了穩定的步態才能顯現它的靈活性和更強的適應能力，也才能使機器人其他的很多功能得以實現。另外，技術發展的角度看，步態規劃研究會對傳統的機械機構、傳動方式和控制方法產生一定影響，從而促進仿生學及其他領域的相關研究與應用，可以更多的了解和掌握人類的步行特征，并為人類的服務，如人造假肢。1.7設計范圍 一直以來移動型機器人的運動方式大體上包括，輪式，履帶式，足式等。履帶式爬樓梯的裝置原理類似于履帶裝甲運兵車，原理較為簡單，技術也比較成熟，而且傳動效率比較高，行走重心波動很小，運動平穩。但是這類裝置重量大，運動不夠靈活，爬樓梯時在樓梯邊緣會造成巨大的壓力，對樓梯有一定的損壞，轉彎不方便等問題，有很大的限制。輪組式，輪組式爬樓梯裝置按輪組中使用小輪的個數可分為兩輪式，三輪式，以及四輪式。單輪組式結構穩定性較差，在爬樓梯中需要有人協助才能實現。而雙輪組式雖然能實現自主爬樓，但由于其體積龐大且偏重，影響了她的適用范圍。步行式，其爬樓梯的執行機構由鉸鏈桿件機構組成。上樓梯時，先將負重抬高，在向前移動，如此重復這過程。步行式爬樓梯裝置模仿人類爬樓的動作，符合本組研究課題，所以采用這個方案。步行式爬樓梯裝置爬樓梯時運動平穩，適合不同尺寸的樓梯，較為便捷。但是他對操作的要求很高，設計研究很復雜，運動幅度不大，動作緩慢。1.8國內外的發展狀況和存在的問題1.8.1.國外發展狀況從上世紀60年代開始。各國學者對兩足步行機器人從理論和實踐上進行了較長時間的研究工作，在理論研究上得豐碩的成果。 1973年，日本加麟一郎從工程角度研制出世界上第一臺真正意義上的仿人形機器人 WABOT-1，可用日語與人交流，實現靜態行走，可依據命令移動身體去抓取物體。 1986年美籍華人郯元芳博士研制了美國第一臺真正意義上的類人雙足步行機器人SO-2，實現平地前進和左右側行；1987年該機器人實現動態步行，在1990年，SD-2能走斜坡。圖1.8.1 HONDA 機器人P1，P2，P3經過11年研究日本HONDA公司于1996年12月成功研制出第一臺取足步行機器凡P1，之后相繼推出p2、p3，希望機器人“能與人共存、同人協作，不受用途限制，并能完成一些人所不能完成的任務”，如圖LI。P-2是世界上首臺無纜自主式兩足機器人。P-2型機器人通過陀螺儀、加速度傳感器及六個腳底壓力倍感器把地面的信息傳給機器的控制單元進行判斷，進而平衡身體。P-2的出現標志著一個嶄新的兩足機器時代的到來。 2000年i1月12日HONDA公司開發出代表當今雙足步行機器人最高研究水平的ASIMO (Advanced Step in Innovative Mobility)，如圖1.8.2,高120厘米重52千克，菇34個自由 度，采用Honda自行開發的處理器、Vxwocks操作系統驅動元件采用伺服電機Harmonic減速器、 鐐氫電池作為動力源，行走速度O到1.6千米小時，步距可調并采用先進的IWALK技術和預測移動控制技術，實時預測下一個移動動作并提前改變重心， 可完成8宇行走和上下臺階動作。圖1.8.2 ASIMO機器人2002年12月9日日本川田工業和產業技術綜合研究所、安川電機以及清水建設公布了可以 在建筑工埴等與工人共同作業的類人型機器HRP-2。HRP-2的外形尺寸為高154cm質量為 58KG，與真人相仿。全身共有32個自由度，具體為62(腿部)+62 (手臂)+2（腰部）+2（頭部）+22（手指）=32，能夠很均衡地雙足步行。HRP-2手臂有6個自由度(肩3，肘1，腕2)，工作能力根強，機器人可以與工人一起用“手”抓起建筑材料進行搬運。腰部有2個自由度俯仰自由度是專門為俯身工作設置的。大腿固定在臂部兩側外伸的懸臂上，從而腿部的靈活性增加可以做出走“一字步”和兩腿交錯行走等步行動作。 HRP-2不論仰臥還是俯臥倒地后都可以自行站起，可以在地面爬行進入較小的工作空間，還可以做敲鼓、跳舞等表演。研究人員先請民間藝術家跳舞，用特殊攝像機拍攝后將畫面輸入電腦，井對手、腳、頭、腰等32個部位的動作進行解析，再把解析數據輸給HRP-2，最后利用這些數據來控制HRP-2的手腳等關節動作，從而使得HRP-2可以和人一樣動作連貫地翩翩起舞。圖1.8.3 HRP-2機器人2003年9月日本Sony公司推出SDR-4X是目前最先進的小型兩足機器人。SDR-4X身高0.5m,體重5kg，具有38個自由度，能夠以0.9kmh的速度行走，并能在行走中轉身。該機器人可 根據家中環境的變化調節自身行為不僅可以識路辨人、存儲信息，還可跳舞、唱歌，與人類進行更豐富的交流。 與該公司2000年底發布的SDR-3X機器人相比，SDR-4X的運動和反應功能有了極大改進。 由于安裝了多種傳感系統、行為控制軟件以及靈活的機械行走裝置，牽引其每個關節的小型執行器 的功能均得到改進。新型的綜合適應控制系統可以通過各路傳感器采集到的信息，對機器人身上的 38個關節進行實時控制，使其在坎坷路面上行走自如。通過姿勢平衡系統抵御外界壓迫，能根據環境變化調整運動步伐。如前行或拐彎，它的雙手各有5只靈活的手指，靈活的關節控制還可使其在自身跌倒時將損害降低到最低程度。另外，SDR-4X的積CCD彩色攝像頭可進行影像識別，如判定目標方位，確定接近目標的路線。識別10多個人的臉部特征。除此之外，SDR-4X身上還安裝了帶有記憶功能的交流和運動控 制系統。通過內置無線局域網。機器人可以與電腦相連接并獲取同步數據，識別眾多詞匯。如果主 人將音樂和歌詞輸入給它，它就可動情地唱山美妙的歌。若主人通過其內置的軟件系統與電腦連接。 設計一系列動作，如舞蹈，機器人還能做出復雜而人性化的動作。圖1.8.4 SDR-4X機器人1.8.2.國內發展狀況國內在兩足步行機器人領域的研究起步較晚，長沙國防科技大學于2000年11月研制出我國首臺兩足步行機器人先行者。先行者身高1 .4m，體重20kg，共有17個自由度，可以完成原地扭動、平地前進、后退、左右側行和左右轉彎等動作。 哈爾濱工業大學自1985-2000年研制出雙足步行機器人：HIT-I、HIT-II和HIT-III，HIT-III實現 了步距200毫米的靜態/動態步行，最快步行周期為3.2-4秒/步，能夠完成前/后、側行、轉彎、上 /下臺階及上斜坡等動作。圖1.8.5 HIT-I、HIT-II機器人 北京理工大學于2002年12月研制出仿人機器人BRI-01，是目前國內最先進的兩足步行機器人。機器人高1.6米，重80千克，具有32個自由度，步速1千米/時，步距33厘米；能根據自身的平衡狀態和地面高度變化，實現未知路面的穩定行走。清華大學于2002年4月9日研制出具有自主知識產權的仿人機器人THBIP-I樣機。THBIP-I 共32個自由度。實現無纜連續穩定的平地行走、連續上下臺階行走，以及端水、太極拳和點頭等動作。圖1.8.6 THBIP-I1.8.3.存在的問題 綜上所述，國外在這方面的研究已經有100多年的歷史了，成果較多，但是大多都結構復雜，造價昂貴，遠遠超出人民的經濟承受能力。 國內的研究相對較晚，雖然也誕生了很多專利，但由于受到體積，重量，穩定性級安全問題還沒有產品真正投入使用。1.9.具體設計1.9.1.設計指導思想 面向社會應用需求，基于機械創新設計課程的課題要求，根據之前學習到的機械原理等知識，力求推動大學生設計創新能力，提高機器人應用實際的實際操控力，達到我們機械創新設計的目的。1.9.2.應解決的主要問題1.重心對于機器人行走穩定性的影響，對機體質心及其穩定性；2.二足行走機構的設計；3.兩腿之間運動時的協調配合，以及周期的確定；4.運動學分析：建立合理得運動學模型，從而對不同運動階段進行分析。1.9.3.本設計采用的研究計算方法 本設計主要通過分析仿人二足步行機器人爬樓梯行走機構步態運動，結合高等代數、機械原理等相關知識以及利用互聯網資源對仿人二足步行機器人爬樓梯行走機構進行合理的分析與設計。1.9.4.技術路線1.收集國內外仿人二足步行機器人爬樓梯行走機構的相關資料，分析并消化，總結出我們自己的方法；2.仿人二足步行機器人爬樓梯行走機構的步態規劃，選擇合適的步態，并穩定性分析，行走步態設計；3.機構設計和運動學分析，繪制仿人二足步行機器人爬樓梯行走機構的機構原理圖；針對運動特征設計相應機構，改善運動機構完成設計。4.根據腿的二維平面設計示意圖進行三維設計，并用CATIA軟件進行機構行走仿真，動態模擬分析。研究手段研究結果成果集成網上資料查閱收集確定基本思路步態分析查閱機械原理基礎知識機構設計仿人二足步行機器人爬樓梯行走機構動態模擬分析機器人機構可行性分析第二章 仿人二足步行機器人爬樓梯行走機構步態規劃2.1引言步態是指在步行運動過程中，機器人各關節在時間和空間上的一種協調關系。合理的步態規劃是機器人穩定步行的基礎。步態規劃不僅是兩足機器人實現基本擬人動作的關鍵，而且可以為兩足機器人機構設計與優化提供理論指導。沒有行走步態的規劃，兩足機器人最基本的步行功能也就無從實現，就失去了兩足步行機器人靈活性、適應能力強等優勢。而擬人機器人的其他功能，也會受到極大的影響。仿人機器人步態規劃不僅取決于地面條件、下肢結構、控制的難易程度，而且必須滿足運動平穩性、速度、機動性和功率等要求。2.2仿人二足步行機器人爬樓梯行走機構的步行概念為了便于對仿人二足步行機器人爬樓梯行走機構進行步態規劃，首先定義一些有關兩足步行的基本概念。步態：在步行運動過程中，機器人各關節運動在時序和空間上的一種協調關系以及機器人相對環境的時空關系。通常由各關節角運動軌跡和質心軌跡來描述。 步距：在步行運動中，機器人左右腳落地位置間的縱向距離。 跨高：擺動腿在擺動過程中腳底離地面的最大距離，用于衡量機器人跨越樓體高度的大小。 步行周期：是指機器人周期性行走過程中，同一只腳順序兩次著地所用的時間。每個周期內左右腿各向前邁步一次，又可分為三個階段，雙腳支撐期、左腳支撐期和右腳支撐期。步速：是衡量機器人步行能力的一個重要指標，是指機器人單位時間內相對步行環境所移動的距離。單腳支撐：機器人僅有一只腳與地面相接觸，起支撐作用，另一只腳處于擺動狀態。2.3步行過程設定 因本文所述的仿人二足步行機器人爬樓梯行走機構設計目標是實現爬樓梯功能，鑒于機器人行走場地具有良好的環境，在不影響機器人主要功能的前提下做出如下設定：(1)機器人在行走過程中處于靜力學平衡的狀態，即機器人行走方式為靜態步行； (2)由于樓梯的臺階具有較為良好的水平性，我們設定機器人腳底面相對于臺階表面始終保持平行狀態； (3)設定機器人以直線狀態行走；(4)機器人在直線行走過程中，髖關節相對于地面的高度始終保持不變； (5)由于本機器人左右腿的關節的對稱性，在以后的討論中僅考慮右腿的運動情況，左腿的情況與右腿類似。仿人二足步行機器人爬樓梯行走機構機械圖如下圖所示：XY平面投影定義的大腿長為R1，小腿的長度為R2。由上圖可以看出，仿人二足步行機器人爬樓梯行走機構髖關節向上旋轉了h角度的時候，其中大腿在Y軸方向提升高度，仿人二足步行機器人爬樓梯行走機構大腿Y方向提升高度可以通過下圖計算:根據圖中所示，得到計算的表達式子：H=R1cosa-cosh 所以可以確定的是髖關節電機旋轉h角度時候在Z軸的方向上提升高度的函數關系。 由圖2-5可見仿人二足步行機器人爬樓梯行走機構髖關節向著前面轉動1的時候立足位置點在Y軸的方向上前進了半步長為x，仿人二足步行機器人爬樓梯行走機構腿部X方向前進的步長計算如下：圖2-5 腿在Y方向上前進的示意圖 所以說可以得出來x=R1cos1+R2cos2sin1，由表達可以確定髖關節向前轉動1角度的時候，立足位置點在X方向的前進的步長為一半x的確定的關系。當1較小的時候，可以設旋轉1角度后腿在X軸上的投影長度近視為L=R1+R2。2.4 雙足機器人步態穩定性分析2.4.1 步行穩定性判據雙足機器人步行運動過程中，兩只腳交替的與地面，發生間歇性的相互作用，即交替的出現左腳單支撐，雙腳支撐和右腳單支撐的狀態，周期性的不斷前進。雙足機器人步態研究的重點就在于如何維持支撐腳與地面的相對瞬時固定，使機器人的運動過程中保持穩定步行而不發生翻倒或滑倒。目前衡量雙足步行機器人穩定性有兩個主要的指標：一個是整個機器人的重心在地面投影點(Center of Gravity，簡稱COG)，COG對應的是靜態穩定性；另一個是零力矩點(Zero Moment Point，簡稱ZMP)如圖22所示，ZMP對應于動態穩定性M。靜態穩定性只有在機器人運動非常緩慢時才適用，大多數情況，機器人運動具有一定的速度，需考慮它的動態穩定性。因此，研究者們己經采用了動態穩定性，最普遍的是采用零力矩點(ZMP)作為雙足機器人步態穩定性判定標準。2.4.2零力矩點定義零力矩點(zeromoment point，縮寫為ZMP)有關雙足機器人各部位動態控制的概念，它首先由南斯拉夫學者MiomirVukobratovic在1968年1月莫斯科第三屆理論與應用力學全聯盟代表大會上提出，在他后來的研究工作中和發表的論文中，MiomirVukobratovic等人致力于ZMP的研究工作，1972年，Vukobratoviche Stepanenko在一篇關于雙足機器人控制的論文開頭定義了零力矩點。現在經過幾十年的研究發展，ZMP的表述方法主要有兩種：1ZMP指地面上滿足地面反力的合力矩對x，Y軸分量為零的那一點，即T(Tx，Ty，Tz)表示由地面反力繞某一點產生的合力矩在ZMP點滿足Tx=0，Ty=0，Tz=0，如圖2.4.2所示。2ZMP指重力和慣性力的合力在地面上的投影，在這一點上合力矩為零。可以證明這兩種表述方式是一致的，雙足機器人穩定步行時，其ZMP具有如下性質：ZMP始終位于支撐腿的腳掌所組成的凸形有效支撐區域內，以保證ZMP的條件，滿足ZMP穩定性原則p6朝。ZMP概念的引入，為雙足機器人的動態步行運動分析和規劃提供了一個重要的依據。圖2-2重心地回投影及ZMP根據零力矩點的定義，不管哪一種步行方式，零力矩點必須落在機器人支撐腳構成的區域的一定范圍內才能保證它的穩定。2.4.3穩定步態的條件對于一個給定步態，如果其在雙足步行機器人上是可復現的，則稱這一步態是穩定的；反之，則稱這一步態是不穩定的。顯然，當ZMP始終落在腳掌支撐面內時，這一步態是穩定的，也是可復現的；若ZMP超出腳掌支撐面，則這一步態是不穩定的，也是不可復現的。機器人行走時支撐腳與地面的接觸面為支撐面，雙腳支撐面為兩腳所構成的凸多邊形的面積。雙足機器人動態步行的穩定性問題是步態規劃的關鍵問題，借助理論力學工具，推導出穩定步行需滿足的動力學條件。為了將ZMP的性質運用于動態步行的步態分析與設計中，首先得分析ZMP與步態軌跡之間的聯系。機器人的行走方式可以劃分為靜態行走和動態行走兩種方式。靜態行走是指在行走過程的任意瞬間，機器人都處于靜平衡狀態，即重心在地面的投影始終處于支撐面內。靜態行走的速度較慢，各桿件運動的速度和加速度都很小。擺動腿著地時腳掌和地面的相對速度可看作近似為零，不發生碰撞，且行走過程中損失的能量很小，因而在連續行走中對其運動控制不考慮慣性力的影響。靜態穩定性忽略機器人的動態性能，采用重心(COG)作為穩定性標準，所以這種穩定性只有在機器人運動非常緩慢時才適用。此時，Zi=Xi=Yi=0，則ZMP點坐標變為：XZMP=XC=i=1nmiXii=1nmi，YZMP=YC=i=1nmiYii=1nmi (2.10)式(210)中：XC，YC雙足機器人質心的坐標，即雙足機器人的質心即為ZMP點。因此，只要使重心落在腳掌支撐面上就能保證雙足步行機器人穩定的步行。式(210)中：mi各部分的質量；Xi，Yi，Zi各部分的質心，本項目中為虛擬桿件i的質心。動態行走與靜態行走有很大的不同。動態行走的速度快，機器人處于動平衡狀態，即動態行走不要求重心COG始終位于支撐面內，而是要求零力矩點ZMP始終位于支撐面內。動態行走時，機器人各桿件的運動速度和加速度都較大，僅以質心是否在支撐面內不能決定系統的穩定性，動態行走時ZMP坐標為：XZMP=-MyFz=i=1nmi(Zi+g)xi-i=1nmixiZi+i=1nmiyi=1nmi(Zi+g)YZMP=-MxFz=i=1nmi(Zi+g)yi-i=1nmiyiZi+i=1nmixi=1nmi(Zi+g) (2.11)在高速動態行走中，由于慣性力的作用，系統的質心和ZMP點不可能始終保持重合，當質心COG落到支撐面之外，即出現靜不穩定期，如果ZMP點仍處在支撐面內，就可以保持系統的動態穩定性。在兩足機器人的動態行走過程中，即使重心滿足靜態穩定條件而ZMP在穩定區域之外，整個雙足機器人系統也是不穩定的，在其運動控制中需要充分考慮慣性力的影響，始終保持系統的動力學平衡關系。由上述推導可知，實現穩定的步態規劃須滿足以下條件：1由于地面與支撐腳為單面約束，即地面反力Fgz=-Fz0mi(Zi+g)0 (212)以保證機器人在行走中不會騰空，產生跑或者跳的動作。 2等效力與地面的交點P(XZMP,YZMP,0)，始終位于支撐域內，即-labXZMPlaf-wrYZMPwl （2.13）以保證機器人在步行中不會繞x軸傾覆，式中乙為后腳掌的長度，0為前腳掌的長度，彬為腳掌內側的寬度，w，為腳掌外側的寬度。從節能的角度考慮，靜態步行的驅動力矩主要克服重力矩，而動態步行可以有效地利用重力和慣性力進行重心的移動。毫無疑問，動態步行的驅動力矩比靜態步行的驅動力矩要小，而且可以實現高速行走。要保證雙足機器人的動態步行穩定，必須保證零力矩在行走過程中始終落在支撐區域內。ZMP越靠近支撐域的中心，機器人的動態穩定性越好，當ZMP與支撐域中心重合，機器人步行穩定裕度最大，抗顛覆能力最強，ZMP位置可以通過控制關節力矩的方法進行間接控制。2.4.4小結本節首先分析雙足機器人的構造特點，建立雙足機器人七連桿模型。接著介紹了用雙足機器人穩定性判據的類型，闡述了零力矩點的定義及推導過程，并分別就機器人靜態步行和動態步行展開分析，得出兩種不同運動情況下各自的步行穩定判斷條件，隨后研究了雙足機器人穩定步行的條件，為后面章節的步態規劃和步態優化及實驗奠定基礎。2.5 雙足機器人步態規劃2.5.1 引言雙足機器人的步態規劃，是指機器人行走過程中其各組成部分運動軌跡的規劃。步態是指機器人步行運動過程中，機器人各關節運動在時序和空間上的一種協調關系，通常由各關節運動的一組軌跡函數來描述。雙足機器人步行運動過程可以分為三個階段：起步、周期步行和停步。這三個階段各不相同，但有著緊密的聯系，起步之后緊接著就是周期步行，周期步行之后是停步，周期步行的軌跡具有周期重復性。2.5.2 雙足機器人步行過程分析雙足機器人的步態規劃就是規劃機器人的行走步態，水平地面的基本行走步態有前向步行、側向步行和轉向步行。轉向步行包含了前向步行和側向步行，是最復雜的步行。本文主要以前向周期步行作為步態規劃的重點，將前向步態分解如圖2.5.1所示，圖中以左腿首先作為支撐腿，右腿作為擺動腿為例分解，若右腿首先作為支撐腿，左腿作為擺動腿只需將圖中左右調換即可。曲腿下蹲邁左腿側向移動重心（向左）側向移動重心（）雙腿直立邁右腿圖2.5.1 前向步態分析框圖在雙足機器人整個步行過程中，假設身軀始終保持直立，所以左、右髖關節在Z軸上的位置函數是相同的。人在平地上向前行走是雙腳支撐期和單腳支撐周期性交替出現不斷前進的過程。每一步可分為雙腳支撐期和單腳支撐期，雙腳支撐期指從前腳跟接觸地面到后腳尖離開地面的時間段，即圖2.5.2中OA、CD階段，雙腳都跟地面接觸。單腳支撐期指從一只腳離開地面到它再次跟地面接觸的時間段，在這段時間里，只有一只腳與地面接觸即圖32中AC時段。雙足機器人的前向運動過程可分為：OA雙腳支撐(左腳在前，右腳在后)_AC單腳支撐(左腳支撐，右腳擺動)一CD雙腳支撐(右腳在前，左腳在后)_DF單腳支撐(右腳支撐，左腳擺動)_0A雙腳支撐(左腳在前，右腳在后)一從第F狀態起，就是不斷重復OF的過程，而OC的過程，與CF的過程相比，只是左右狀態互換，因此只要把OC時段的步態確定了，機器人整個步行運動周期的步態就可以完全確定。圖2.5.2 雙足機器人步行過程示意圖2.5.3 髖關節規劃假定髖關節在步行過程中高度H不變，髖關節的位置對ZMP的影響很大，對機器人能否保持穩定步行起到至關重要的作用。初次規劃的軌跡不一定能使機器人穩定，所以在髖關節軌跡規劃時設幾個可調參數，通過調節參數使機器人保持穩定。如圖2.5.5所示，d。表示擺動腳落地時髖關節到支撐腿踝關節的距離，d。表示擺動腳抬起時髖關節到支撐腿踝關節的距離。dxedxs圖2.5.5 dxs,dxe參數說明圖2.5.4 髖關節軌跡對ZMP的影響雙足機器人的很大部分質量集中于上半身，故上半身的位置對ZMP的影響大，而髖關節是離上半身最近的可控自由度，故本文主要分析髖關節位置對ZMP的影響。建立機器人步行時腳掌的受力模型，如圖2.5.6所示。圖2.5.6 腳掌受地面作用力分布圖根據文獻19中對ZMP的定義，可得x方向的ZMP為：Px=x1x2dx1x2d (2.14)式中d為足底每單位長度上地面作用力的鉛垂分量，為d的X坐標，Px，為地面作用力的壓力中心，即ZMP，x1,x2分別為支撐腳腳跟和腳尖在基坐標系中的位置。兩個可調參數dxs,dxe，如圖2.5.5所示，用來調節髖關節在擺動腿離地和落地時刻髖關節中心的位置。當dxs變小時，髖關節向支撐腳后方移動，致使支撐腳所受地面作用力分布向后端偏移，由公式(2.14)可知ZMP將隨之向腳跟移動。反之，若dxs變大，則髖關節前移，從而使支撐腳所受地面作用力分布前移，導致ZMP也向腳尖移動，使穩定裕度變小。同理，當dxe變小時，ZMP前移；dxe變大時，ZMP向后移。據此分析，可以調節髖關節的位置使ZMP盡量位于支撐腳的中心，保證較大的穩定裕度。第三章 二足機器人的機構分析3.1四連桿機構的設計機器人設計過程中，腿部采用了四桿機構。在前期時參考了不少有關腿部機構的資料，這個機構的選擇很重要，主要原因如下：（1）執行機構決定了整個系統的復雜度，機構越復雜，涉及到的工作和配合越多，制作的精度就不容易保證。（2）執行機構關系到運動的最終狀態，決定運行的姿態。（3）執行機構最終保證整個機器人系統功能的實現。3.1.1設計參數(1)連桿尺寸lAB=160mm,lBC=160mm,lCD=220mm,lDA=80mm,lAE=200mm,lEF=110mm,lFB=240mm圖3.1.1 機構原理圖（2）估算機身高度設置為H=400mm,在正前方運行時，左腿和右腿之間不會發生相互干涉，為了保證兩腿之間有足夠的距離，兩髖關節之間的距離為125mm。 3.2 二足機器人主體設計用三維軟件CATIA畫出總設計圖如下:3.2.1腿部的設計腿部結構是機器人身體里主要的部分，根據仿生學的知識，人腿部結構大致為：髖關節，和膝關節，還有踝關節和腳。本文采用曲柄搖桿機構實現其直線行走和爬樓梯功能的。兩組腿交替的變換使機身能向前運動，他們每組都支撐機體的重量，并在負重的狀態下使機體的前行，所以適應的剛性和承載能力是非常重要的，所以對承載能力有著限制。圖3.2.1 腿3.2.2大腿3.2.3小腿3.2.4腳3.2.5其他輔助連桿第四章 總結4.1.設計小結通過這次機械原理課程設計，綜合運用了機械原理及其他課程的理論知識。將理論與實際結合在了一起，培養了我們團隊合作以及解決機械工程有關的實際問題，最重要的是讓我們從所學專業中找到了樂趣。在本次機械原理的課程設計訓練中鞏固學習了機械原理設計基礎、CAD二維制圖軟件和CATIA三維軟件，也學會了怎樣從前人設計中取得經驗以及處理數據的能力。4.2設計感受在機械原理課程設計過程中，我們通過對已有文獻的查閱結合我們自己所學的專業知識。將理論和實踐完美的結合在了一起，使我們更深刻的理解了我們的專業知識。從中學到了很多知識，并認識到團隊協作的重要性。在設計過程中我們遇到了很多困難和挫折但經過努力以及我們不畏困難，不拋棄，不抱怨等都是我們學到的精神品質。通過這次設計我們認識到，機械是精準、系統、經驗化的學科，對于問題不能粗略的概括和認識，容不得半點偏差。面對茫然不知所措的問題時要冷靜，耐心對待。再設計過程中我們不斷領悟機械學科及行業精髓，對所學專業有了濃厚的興趣，激發了我們的學習熱情當然讓我們對將來的職業也充滿了希望。在設計過程中培養了我們的自學能力，這是我們步入社會所必備的素質。現實企業中越來越強調團隊協作，這次設計是我們小組在老師指導下共同努力的結果，沒有良好的團隊協作能了我們是不可能完成本次機械原理課程設計的。這種團隊意識使我們步入社會必備的技能，這對我們即將步入社會的大學生有著重大意義。4.3課程設計見解機械原理課程設計，對于我們將要上更多專業課程的學生有著積極的意義，讓我們更近的理解本專業的特點。所以我希望我們能有相對更充足的時間，先在老師的指導下自學相關理論文獻，鍛煉我們在短時間內的學習能力。這樣我們就可以更加完美的完成我們的課程設計，得到的體會或許更多。參考文獻1 張瑞紅、金德文、張濟川等，不同路況下正常步態特征研究J.清華大學學報（自然科學版），2000,8（40）：77-802張春林編，機械創新設計M，