1、PAGE PAGE 88兩足步行機器人設計說明書姓名： 學號：班級： 指導老師： 20122年6月目 錄TOC o 1-4 h z u HYPERLINK l _Toc327401329 第1章 問題題的提出 PAGEREF _Toc327401329 h 1 HYPERLINK l _Toc327401330 1.1設計背景景 PAGEREF _Toc327401330 h 1 HYPERLINK l _Toc327401331 1.2課題的研研究意義與應應用前景 PAGEREF _Toc327401331 h 1 HYPERLINK l _Toc327401332 1.3主要設計計思想 P

2、AGEREF _Toc327401332 h 2 HYPERLINK l _Toc327401333 第2章 設計計要求與設計計數據 PAGEREF _Toc327401333 h 3 HYPERLINK l _Toc327401334 2.1高度的設設置 PAGEREF _Toc327401334 h 3 HYPERLINK l _Toc327401335 2.2自由度的的設置 PAGEREF _Toc327401335 h 5 HYPERLINK l _Toc327401336 2.3各關節活活動范圍的確確定 PAGEREF _Toc327401336 h 6 HYPERLINK l _T

3、oc327401337 2.3.1髖關關節的運動 PAGEREF _Toc327401337 h 6 HYPERLINK l _Toc327401338 2.3.2膝關關節的運動 PAGEREF _Toc327401338 h 6 HYPERLINK l _Toc327401339 2.3.3踝關關節的運動 PAGEREF _Toc327401339 h 7 HYPERLINK l _Toc327401340 2.4關節驅動動方式的選擇擇 PAGEREF _Toc327401340 h 7 HYPERLINK l _Toc327401341 第3章 機構構選型設計 PAGEREF _Toc32

4、7401341 h 8 HYPERLINK l _Toc327401342 3.1兩足步行行機器人機構構設計 PAGEREF _Toc327401342 h 8 HYPERLINK l _Toc327401343 3.1.1腿部部機構設計簡簡圖： PAGEREF _Toc327401343 h 8 HYPERLINK l _Toc327401344 3.1.2手臂臂機構設計 PAGEREF _Toc327401344 h 13 HYPERLINK l _Toc327401345 3.2設計方案案的評價與選選擇 PAGEREF _Toc327401345 h 13 HYPERLINK l _To

5、c327401346 3.2.1 腿腿部方案的評評價與選擇 PAGEREF _Toc327401346 h 13 HYPERLINK l _Toc3274013477 3.2.22手臂方案的的評價與選擇擇 PAGEREF _Toc327401347 h 15 HYPERLINK l _Toc327401348 第4章 機構構尺度綜合 PAGEREF _Toc327401348 h 15 HYPERLINK l _Toc327401349 4.1凸輪的尺尺寸設計 PAGEREF _Toc327401349 h 15 HYPERLINK l _Toc327401350 4.1.1臀部部凸輪設計 P

6、AGEREF _Toc327401350 h 15 HYPERLINK l _Toc327401351 4.1.2膝關關節凸輪設計計 PAGEREF _Toc327401351 h 20 HYPERLINK l _Toc327401352 4.2平面連桿桿機構的尺寸寸設計 PAGEREF _Toc327401352 h 24 HYPERLINK l _Toc327401353 4.2.1手臂臂平面連桿機機構運動規律律分析 PAGEREF _Toc327401353 h 24 HYPERLINK l _Toc327401354 4.2.2手臂臂平面連桿機機構尺寸設計計與計算 PAGEREF _T

7、oc327401354 h 25 HYPERLINK l _Toc327401355 第5章 機構構運動及動力力分析 PAGEREF _Toc327401355 h 27 HYPERLINK l _Toc327401356 5.1動態靜力力分析 PAGEREF _Toc327401356 h 27 HYPERLINK l _Toc327401360 5.2運動仿真真分析集成28 HYPERLINK l _Toc327401361 5.2.1腳尖尖分析29 HYPERLINK l _Toc327401362 5.2.2手臂臂分析 PAGEREF _Toc327401362 h 33 HYPERL

8、INK l _Toc327401364 第6章 結論論 PAGEREF _Toc327401364 h 36 HYPERLINK l _Toc327401365 6.1兩足步行行機器人機構構特點 PAGEREF _Toc327401365 h 36 HYPERLINK l _Toc327401366 6.2設計的主主要特點 PAGEREF _Toc327401366 h 36 HYPERLINK l _Toc327401367 6.3 設計結結果 PAGEREF _Toc327401367 h 37 HYPERLINK l _Toc327401368 第7章 收獲獲與體會 PAGEREF _T

9、oc327401368 h 37 HYPERLINK l _Toc327401369 第8章 致謝謝 PAGEREF _Toc327401369 h 38 HYPERLINK l _Toc327401370 參考文獻 PAGEREF _Toc327401370 h 388 HYPERLINK l _Toc327401371 附錄140 HYPERLINK l _Toc327401372 附錄二 PAGEREF _Toc327401372 h 60 HYPERLINK l _Toc327401373 附錄三 PAGEREF _Toc327401373 h 63第1章 問題題的提出1.1設計背景景

10、類人機器人一直直是機器人領領域的研究熱熱點，是目前前科技發展最最活躍的領域域之一。當前機器人人的移動方式式主要是四種種，分別是：輪式、履帶帶式、步行、爬爬行。世界著著名機器人學學專家、日本本早稻田大學學的加藤一郎郎教授說過：“機器人應當當具有的最大大特征之一是是步行功能”。這是因為為，步行有其其它移動方式式所無法比擬擬的優越性。其優點主要表現在如下兩個方面：首先，兩足步行行機器人具有有較強的越障障能力，相比比輪式和履帶帶式更能通過過不平整、不不規則的路面面，減少了移移動盲區，擴擴大了運動范范圍。其次，兩足步行行機器人的能能耗小，與其其他足式機器器人相比具有有體積小、重重量輕、動作作靈活等特點點

11、，同時能夠夠取代人類從從而將人類從從工作環境對對人體有害或者高強度、長長時間、高重重復性的勞動動中解脫出來來，因而具有有廣闊的應用用前景和重要要的研究意義義。雙足行走是類人人機器人最基基本也是最難難實現的功能能，因此以實實現雙足步行行為目標的兩兩足步行機器器人研究是智智能型類人機機器人研究的的基礎，而實現機器人人的穩步行走走更是兩足步行行機器人研究究中的首要任任務。同時雙足機機器人的研究究對機器人的的機械結構及及驅動裝置提提出了許多特特殊要求，將將導致傳統機機械的重大變變革，是工程程上少有的多多自由度系統統。那么設計這樣一一個純機構的的兩足步行機機器人將在很很大程度上滿滿足現代人類類發展需求，

12、一一方面可實現現基礎機械式式多自由度穩穩步步行，另另一方面降低低能耗、減小小體積、延長長使用壽命， 具有廣泛而而重要的意義義。1.2課題的研研究意義與應應用前景目前國內外對雙雙足步行機器器人的研究已已經到了較成成熟的領域，應用前景也更加廣闊，應用領域主要有：1為殘疾人（下下肢癱瘓者或或截肢者）提提供室內和戶戶外行走工具具。利用人工工假腿、腿椅椅或步行座椅椅盡可能使殘殘疾人恢復正正常行走功能能，減少對他他人的依賴。2極限環境下下代替人工作作業，核電站內的的監視和維護護作業，遙控控救災、滅火火，爆炸物的的處置（如探探雷、排雷等等）等。 3在教育、藝藝術和大眾服服務行業等領領域都有著潛潛在而廣闊的的

13、應用前景。娛娛樂機器人，可作作為人類同伴伴的機器人是是發展的新方方向，這將使使雙足機器人人逐漸走向普普通居民中。為了更好的了解解人類的行走走機理，也為為了日后為下下肢癱患者提提供理想的假假肢，以及為為方便人類出出行的自動兩兩足步行椅提提供理論基礎礎，本論文致致力于研究雙雙足步行機器器人的行走規規律、傳動機機理并用機械械結構加簡單單的控制來模模擬人類的行行走，并通過過研究和模擬擬步行更好地地分析和探討討步行機器人人。兩足步行機器人人的機械本體體機構與步態態規劃是實現現機器人穩定定行走的基礎礎，因此，以以實現具有基基本行走功能能的兩足步行行機器人的研究對于于研制節能型型、智能型類類人機器人具具有重

14、要的理理論價值。 1.3主要設計計思想雙足步行機器人人具有多關節節、多驅動器器、多自由度度的特點，其其自由度的設設置、各關節節的活動范圍圍直接影響機機器人外在美美觀、行走方方式、活動范范圍、建模方式、步態規規劃以及控制制方案等。機構設計：設計計出模擬人體體步行的機構構,步行的復復雜程度直接接控制了機構構的難易程度度,用純機械械的機構來實實現較難的人人體行走過程程,必然會有有很大的誤差差,但我們一一致追求機構構的盡量精確確和逼真,研研究自己行走走時的各個過過程,下圖是是我們得出的的人行走時的的幾個主要過過程:圖1-1 人體體步行主要過過程如上圖所示,步步行主要有七七個過程,由由左右腿相互互交替邁

15、腿,收腿,達到到向前走的目目的。第2章 設計計要求與設計計數據 一個兩足步行行機器人除了了滿足可向前前行走的基本本要求，還必必須具有一定定的穩定性、方方便性、安全全性。針對這這些性能要求求，進行了機機器人高度、自自由度、各關關節活動范圍圍、關節驅動動方式的選擇擇的討論和設設計分析。2.1高度的設設置兩足步行機器人人的高度選擇擇（包括各部部分高度）對對于步行穩定定十分重要。高度過高，重心心也隨之過高高，穩定性減減小；而如果果高度過低，人人坐在上面腳腳會拖在地上上。為了達到到可推廣水平平，按照中華華人民共和國國國家標準GGB/T53397511983進行行設計，其中中人體基本測測量項目達557個，

16、就其其類別而言可可分為：高度：即在人體體的上、下方方向測量的高高度；長度：直線長度度指兩測點之之間的直線距距離，曲線長長度指沿人體體表面過測點點的曲線圍長長；寬度：測量頭部部、面部和軀軀干部時，寬寬度指在左、右右方向上對稱稱的兩個測點點之間的直線線距離；測量量上肢時，寬寬度指繞骨側側的兩個測量量點之間的距距離；測量下下肢時，寬度度指脛骨側和和腓骨側的兩兩個測量點之之間的直線距距離；厚度：指人體前前、后方向上上，兩個測量量點之間的直直線距離；圍經：指通過或或經過人體某某一部位上的的測量點圍長長。目前，國內在人人機工程方面面所采取的人人體尺寸數據據均來自“中國成年人人人體尺寸”（GB1000008

17、88），是由由國家技術監監督局發行，反反映了我國不不同地區的人人體尺寸差異異。由于數據據本身沒有提提供足夠的三三維信息，這這就決定了在在某種意義上上，我們根據據其建立的三三維人體模型型只能是一種種簡化的模型型。我們引用用并參考與機機器人設計密密切關系的人人體數據。(一) 人體主主要尺寸人體主要尺寸包包括：身高、體體重、上臂長長、前臂長、大大腿長、小腿腿長共六項。表表2-1列出了了我國成年人人的人體主要要尺寸。表2-1 我我國成年人人人體主要尺寸寸百分比數 年齡分組組測量項目男（18600）女（18555）5 500 990 955 500 990 951.1身高/mmm1583 11678 1

18、754 177751484 1570 16440 116591.2體重/kkg48 559 70 7542 52 63 7711.3上臂長/mm289 3313 333 3388262 284 3033 30021.4前臂長/mm216 2237 253 2588193 2213 229 23341.5大腿長/mm428 4465 496 5055402 4438 467 47661.6小腿長/mm338 3369 396 4033313 3344 370 3755 (二) 人體水水平尺寸人體水平尺寸包包括：胸厚、肩肩寬、最大肩肩寬、臀寬和和坐姿臀寬。表2-2 我我國成年人的的人體水平尺尺寸年

19、年齡分組百分位數測量項目男（18600）女（18555）5 50 900 9955 500 990 952.1胸厚/mmm186 2212 237 245 170 1199 230 2392.2肩寬/mmm344 3375 397 403320 3351 371 3772.3最大肩寬寬/mm398 4431 460 469363 3397 428 4382.4臀寬/mmm282 3306 327 334290 3317 340 3462.5坐姿臀寬寬/mm285 3321 347 355310 3344 374 382這是以某種人體體尺寸極限作作為設計參數數的設計原則則：設計的最最大尺寸參考考

20、選擇人體尺尺寸的低百分分位，設計的的最小尺寸參參考選擇人體體尺寸的高百百分位；受人人體伸及度限限制的尺寸應應該根據低百百分位確定，受受人體屈曲限限制的尺寸應應該根據高百百分位確定。由以上參考資料料確定其機器器人的尺寸：正常的成年人身身高大概在1170cm到到190cmm之間，其下下肢高度大概概100cmm到120cmm間，踝關節節到地面、膝膝關節到踝關關節、髖關節節到膝關節的的距離分別大大約是5cmm、40500cm、50600cm。兩足步行機器人人的高度選擇擇（包括各部部分高度）對對于步行穩定定十分重要。高度過高，重心心也隨之過高高，穩定性減減小；而如果果高度過低，如果設計的是步行椅，人坐在

21、上面腳會拖在地上。參考上述人體身高數據，以及現有兩足步行機器人，確定兩足步行機器人的總高度（距地面）為180cm左右，其中大腿和小腿分別為50和40cm，踝關節高度為15cm。2.2自由度的的設置 兩足步行行機器人應盡盡可能模仿人人類雙腿可以以完成的動作作，而這其中中的一個重點點就是如何設設置機器人的的自由度。人人的下肢是一一個復雜的運運動系統，依依靠下肢二百百多對肌肉、三三十多塊骨骼骼，能夠完成成十分復雜的的協調動作。人人所能實現的的動作是包括括靈長類動物物在內的兩足足類行走動物物中最完美的的。在長期進進化過程中，人人體的關節已已經至臻完美美，結構簡單單而又相當靈靈活。美國CClemsoon

22、 大學鄭鄭元芳博士曾曾經撰文分析析兩足步行機機器人腿部的的自由度配置置問題，他認認為兩足步行行機器人能完完成步行所需需的自由度每每條腿最少為為4 個，而如如果要達到類類似人類步行行的程度則每每條腿需要88 個，即髖髖關節3 個、膝關關節1 個、踝關關節3 個、腳部部1 個（類似似腳趾）。但但是，目前絕絕大多數以有有的兩足步行行機器人都采采用的是6 自由度的設設計，如哈爾爾濱工業大學學的HIT-III、國國防科技大學學的“先行者”、本田公司司的ASIMMO 和HRP 以及及前文所述豐豐田公司的ii-foott。絕大多數步行機機器人采用112自由度設設計。這類機機器人髖關節節具有3 個自由度度，膝

23、關節具具有1 個自由度度，踝關節具具有2 個自由度度，可以實現現前向運動和和側向運動。而而且由于髖關關節具有旋轉轉自由度，所所以這類機器器人可以轉彎彎。這類機器器人可以在水水平地面和傾傾斜地面行走走，可以實現現上下樓梯以以及轉彎、后后退等動作。這這類機器人和和人類的兩腿腿已經十分類類似。如圖22-2所示：圖2-1 具有有12個自由度度的兩足步行行機器人 鑒于純純機構確定112個自由度度的兩足步行行機器人有難難度，我們初初步決定采用用6自由度的的步行機器人人。另外，加上手臂臂的甩動動作作，賦予肩部部一個pittch方向的的運動自由度度，因此總共共是8自由度度的步行機器器人。2.3各關節活活動范圍

24、的確確定兩足步行機器人人的目的是模模仿人類步行行運動，因此此兩足步行機機器人各關節節的運動范圍圍應該和人類類基本相同。在在設計兩足步步行之前，應應先確定人體體下肢各關節節的活動范圍圍。2.3.1髖關關節的運動人體的髖關節是是由髖骨的髖髖臼和股骨的的股骨頭構成成，類似于球球關節，共有有三個轉動軸軸，三個轉動動自由度。本設計僅限于平平地步行，故故初步設定為為一個轉動自自由度，即大大腿的抬升和和下降。2.3.2膝關關節的運動人體的膝關節是是由股骨的內內外側髖的關關節面和脛骨骨的內外側踝踝的上關節面面既髖骨的后后關節面構成成的。膝關節節僅有一個轉轉動軸，具有有一個轉動自自度，即大腿腿和小腿的連連接部分

25、膝蓋蓋控制的屈伸伸動作。2.3.3踝關關節的運動人體的踝關節其其實是足關節節的一個組成成部分，近似似一個球關節節，具有三個個轉動軸，三三個轉動自由由度。同理，我我們僅僅只考考慮平地步行行的狀態，設設定踝關節只只有一個轉動動自由度，即即適應地面時時的轉動動作作。兩足步行機器人人各關節活動動范圍和人體體不完全相同同。這主要是是由于以電機機作為驅動的的機器人關節節的靈活性要要比人類的關關節差很多，因因此兩足步行行機器人的關關節活動范圍圍要比人體略略大。參考已已有的一些兩兩足步行機器器人關節運動動范圍，確定定兩足步行機機器人各關節節的運動范圍圍如表2-3、2-4 所示。表2-3 人體體各關節運動動范圍

26、髖關節Yaw-45到455Roll-45到200Pitch-125到115膝關節Pitch0到130踝關節Pitch-45到200Roll-20到300表2-4 兩足足步行機器人人各關節運動動范圍關節活動范圍髖關節-100到440膝關節0到50踝關節-20到355肩關節0到302.4關節驅動動方式的選擇擇 目前機機器人關節的的驅動方式主主要有氣動、液液動和伺服電電機。驅動部部件在兩足步步行椅機器人人中的作用相相當于人體的的肌肉，如果果把連桿以及及關節想象成機器人人的骨骼，那那么驅動器就就起到了肌肉肉的作用。 兩足足步行機器人人各個關節都都是轉動副，主主要是實現相相對回轉或者者擺動。而大大多數電

27、機正正是實現旋轉轉運動的。故故初步確定采采用電機提供供原動力，靠靠機械機構傳傳遞動力。第3章 機構構選型設計3.1兩足步行行機器人機構構設計3.1.1腿部部機構設計簡簡圖： 方案一: 滑塊塊連動機構此方案的特點是是小腿的伸縮縮轉動是由大大腿控制的，區區別方案一的的是小腿大腿腿沒有分開控控制，由連動動控制，另一一特點是大腿腿的伸縮又是是由大腿的轉轉動角度控制制的，如下圖圖：圖3-1 機機器人大小腿腿聯動控制圖3-2 臀臀部和大腿連連接部分圖3-3 機機器人膝關節節機構簡圖圖中F框表示機機器人的臀部部，G框表示示大腿，鉸鏈鏈A固結在FF上，用以連連接大腿和臀臀部，鉸鏈CC和D固結在在G上，滑塊塊B

28、軸心固結結在F上，當當大腿繞A點點逆時針轉動動時（即大腿腿往前伸），CBH變大，此時滑塊B下滑，又由于BE桿的作用，使得點E逆時針轉動，那么桿EDF也繞點D轉動，此時F繞點D順時針轉動，由處的球形鉸可以控制桿(即小腿)繞點逆時針轉動，實現小腿的往前伸。方案二：采用凸凸輪機構利用凸輪的運動動規律，設計計凸輪輪廓曲曲線來較準確確的控制機構構的運動路線線，此方案分分別對大腿和和小腿的不同同運動特點采采用不同的凸凸輪輪廓曲線線，使運動更更形象逼真，而而凸輪又靠電電機來帶動，用用這種方法來來實現機器人人的行走。以以下幾圖為此此方案的機構構簡圖：圖3-4 機機器人單邊腿腿部的機構簡簡圖該圖即為機器人人單邊

29、腿部的的機構簡圖，分分別用了2個個凸輪機構，44個滑塊機構構，9個活動動構件，111個低副，22個高副和22個虛約束。圖3-5 機機器人臀部機機構上圖方框表示機機器人臀部部部分，凸輪轉轉動中心、橫橫向滑桿和兩兩個機架都固固定在臀部上上，B處圓是是與凸輪相切切的圓柱，用用來控制橫向向滑塊的前進進和后退，AA桿是大腿的的簡圖，一端端插在B處的的一個滑塊上上，同時與CC處的鉸鏈相相接，用以固固定大腿和臀臀部的連接，另另一端連接小小腿部分，如如下圖：圖3-6 機器器人膝關節的的機構簡圖上圖即為大腿和和小腿連接部部分，即膝關關節部分，橫橫桿G焊接在在大腿A桿上上，用以固定定凸輪和虛線線處的橫向滑滑桿，E

30、桿為為小腿簡圖，FF處的鉸鏈用用以連接小腿腿和大腿，使使小腿能繞大大腿旋轉，EE桿一端與滑滑塊連接用以以控制小腿的的轉動角度，另另一端連接腳腳掌，如下圖圖：圖3-7 機機器人的腳掌掌機構簡圖 3.1.2手臂臂機構設計由于手臂的運動動過程很簡單單，也不是我我們的主要研研究對象，因因此我們僅設設計出一種合合適的方案，用用以配合腿部部的機構進行行仿真，因此此手臂機構簡簡圖如下：圖3-8 手臂臂平面連桿機機構簡圖圖中AD桿即為為機器人手臂臂，滑塊B的的滑槽設置在在機器人臀部部，滑塊B的的移動靠臀部部處的大凸輪輪帶動，從而而使得點E繞繞點A轉動，即即手臂繞點AA轉動，實現現了手臂和腿腿部運動的同同時性，

31、并且且不會出現同同手同腳的情情況，使得機機器人的步行行更加逼真。3.2設計方案案的評價與選選擇 3.2.1 腿部方案的的評價與選擇擇 方案一一的設計思路路就是想讓小小腿由大腿控控制，產生連連動的效果，因因此方案一充充分運用連桿桿和滑塊機構構，將大腿的的轉動角度轉轉化為控制小小腿的主要參參數，角度越越大小腿彎曲曲程度越大，即即實現了大腿腿和小腿的連連動，并將小小腿的主控參參數巧妙的設設置成了角度度的變化。其其中的一大特特點是利用了了一個球形鉸鉸鏈，能夠同同時控制小腿腿的前伸和后后退。 但方案案一的一大缺缺點就是運動動太受限制，角角度只有增加加和減少，從從而小腿只有有前伸和后退退，關鍵是角角度和小

32、腿都都是同時對應應的運動，不不能達到一些些復雜的過程程（如圖3-9），造成行走走很格式僵硬硬化，不夠貼貼切現實人們們的步行特點點，對比圖如如下：圖3-9 方方案一行走特特點方案二考慮了方方案一的弊端端，對各種機機構進行了理理論分析，決決定用凸輪結結構來控制大大小腿的運動動情況。由于于方案一的經經驗，大小腿腿的連動必然然會導致機器器人行走的僵僵硬化，不夠夠真實，因此此就分別采用用2個凸輪來來對大小腿進進行控制，由由于凸輪的運運動規律特性性，可以利用用凸輪的推程程、遠修止過過程、回程、以以及近休止過過程與機器人人腿部的各個個過程向對應應，比如控制制小腿時，可可以將控制小小腿的凸輪遠遠休止角與大大腿

33、和小腿同同時回退的過過程相對應，這這樣使得另一一只腿部伸出出時這邊的腿腿部保持直線線，如此往復復，就達到了了機器人的往往前行走，如如下圖：圖3-10 方案二行走走特點通過對方案一二二的綜合分析析還考慮，建建立了綜合評評價指標如下下：表3-1 機機器人機構設設計方案評價價體系評價項目得分等級評價尺度目標完成情況FF1完全實現功能要要求基本實現功能要要求部分實現功能要要求不能實現功能要要求10520行走穩定程度FF2非常穩定基本穩定不穩定但不影響響行走不穩定完全不能能行走10520逼真程度F3很逼真比較逼真不太逼真完全看不懂10520復雜程度F4簡單不復雜一般復雜復雜10520機構可調性能FF5方

34、便可調一般可調不可調1050對以上方案打分分如下：表3-2 機機器人機構設設計方案評價價結果方案F1F2F3F4F5評價總分方案一5225519方案二1010521037從評分標準來看看，我們選擇擇了方案二用用以控制腿部部的運動。3.2.2手臂臂方案的評價價與選擇如前面所說，由由于手臂的運運動過程很簡簡單，也不是是我們的主要要研究對象，因因此我們僅設設計出一種合合適的方案，用用以配合腿部部的機構進行行仿真，此方方案如前文所所示。第4章 機構構尺度綜合4.1凸輪的尺尺寸設計4.1.1臀部部凸輪設計(一) 臀部凸凸輪從動件運運動規律分析析凸輪機構采用的的是偏心距為為0的對心從從動件凸輪機機構,主要

35、利利用了凸輪的的推程、遠休休止過程和回回程三個過程程。 推程采采用正弦加速速度運動規律律，即 （）推程角定為900度，那么=900，即 （）由于大腿需要在在抬高的同時時小腿伸展過過程中保持不不動，所以大大腿需要在空空中停留數秒秒，故采用了了大腿凸輪的的的遠休止過過程，此時 （）遠休止角定為990度；在另一只腳往前前行的同時，這這條抬高的腿腿也相對在往往后退，所以以對凸輪的回回程采用等減減速運動規律律，即 ()回程角取為1880度。表4-1 臀臀部凸輪從動動件運動規律律設計表凸輪轉角從動件運動規律律凸輪運動方程凸輪末位置0到90度正弦加速度運動動規律90到180度度停頓180到3600度等減速運

36、動規律律(二) 臀部凸凸輪輪廓曲線線設計圖4-1 凸凸輪輪廓曲線線參數方程的的建立由上圖幾何關系系可以寫出：又由于凸輪是逆逆時針轉的，所所以有：由此可得：由于從動件為滾滾子從動件，分別代入的方程程，則可得到到滾子中心BB（，）運動軌跡跡曲線為：時： 時：時： 由于從動件為滾滾子從動件,故基圓半徑徑是從動件運運動過程中滾滾子中心到凸凸輪轉動中心心的最小距離離。由于機構構設計大小所所限，故取，其其中滾子半徑徑為1.5。經經計算，推程程h取5.44。則代入以以上各式可得得：時： 時：時：設凸輪輪廓曲線線上點C（，）和滾子中中心B（，）在凸輪過過點C處的法法線上，則有有關系： （為滾子半半徑）利用以上

37、關系可可以求得實際際輪廓曲線上上點C的坐標標為：接著往下計算代入上式得：時，時，時，4.1.2膝關關節凸輪設計計(一) 膝關節節凸輪從動件件運動規律分分析該凸輪機構同樣樣采用的是偏偏心距為0的的對心從動件件凸輪機構,主要利用了了凸輪的推程程、回程和近近休止過程三三個過程。 推程采采用等速運動規律律，即 （）推程角定為900度，那么=90，即： （）此過程及為小腿腿的彎曲過程程；當小腿彎曲一定定程度后需要要及時伸展著著地，以便另另一只腳的運運動，故小腿腿彎曲后凸輪輪應立即回程程，回程角定定為90度，故故，所以回程采采用等加速運運動規律，即即： （）當腳著地后，另另一只腳開始始往前走，所所以這只腳

38、就就相對往后走走，但此時小小腿相對大腿腿是不轉動的的，只有大腿腿往后移，所所以此時小腿腿應該保持原原狀，因此凸凸輪應該處于于近休止狀態態，取近休止止角為1800度，此時：表4.2 膝膝關節凸輪從從動件運動規規律設計表凸輪轉角從動件運動規律律凸輪運動方程凸輪末位置0到90度等速運動規律90到180度度等加速運動規律律180到3600度停頓(二) 膝關節節凸輪輪廓曲曲線設計方法同4.1.1.2中凸凸輪設計方法法，由于從動動件為滾子從從動件，分別別代入的方程程，則可得到到滾子中心BB（，）運動軌跡跡曲線為：時：時：時：由于從動件為滾滾子從動件,故基圓半徑徑是從動件運運動過程中滾滾子中心到凸凸輪轉動中

39、心心的最小距離離。由于機構構設計大小所所限，故取，其其中滾子半徑徑為1.5。經經計算，推程程h取4。則代入以以上各式可得得：時： 時：時：設凸輪輪廓曲線線上點C（，）和滾子中中心B（，）在凸輪過過點C處的法法線上，則有有關系： （為滾子半半徑）利用以上關系可可以求得實際際輪廓曲線上上點C的坐標標為：接著往下計算，代入上式得：時， 時，時：4.2平面連桿桿機構的尺寸設計4.2.1手臂臂平面連桿機機構運動規律律分析 兩足步行機機器人的手臂臂采用以臀部部的凸輪帶動動滑塊移動，滑滑塊帶動平面面連桿機構產產生“手臂”的5聯動的的方法與兩腿腿的動作協調調。手臂的平平面連桿機構構如下圖所示示。圖4-2 手臂

40、臂平面連桿機機構圖 根據第二二章設計要求求與設計數據據，成年男性性上臂長約為為330mmm，不妨設AAD=3300mm。同時時A點為機器器人的肩部，建建立以如圖為為平面的XYY坐標，那么么設A(0,0)。機器人的肩肩部A點與BB點水平距離離大約為機器器人的上身長長，設為6000mm。 當機器人人臀部凸輪轉轉動時，B點點的滑塊左右右滑動，根據據上一節的計計算結果，滑滑動距離為55.4mm。現現在確定B點點在凸輪回程程結束點、推推程中某一點、遠休休止點的三個個坐標分別是是，其中。所對應應的AD的轉轉動角度為。為上臂處于于第一位置（即即自然垂下）時時的肩膀轉角角，為上臂抬抬高到上限位位置時的肩膀膀轉

41、角。具體體如下圖所示示：圖4-3 手手臂平面連桿桿機構運動規規律 圖中中,。4.2.2手臂臂平面連桿機機構尺寸設計計與計算 從圖中容容易看出，因因為EAD是是繞固定點AA轉動的一個個剛體，ADD的轉動角直直接等于AEE的轉動角。根根據所要實現現的精確位置置可以寫出從從第一精確位位置到第二和和第三精確位位置的位移矩矩陣和。 =由于點E是該剛剛體上的點，由由剛體的位移移矩陣方程有有： 同時，點E又是是連架桿BEE上的點，連連架桿BE的的運動形式是是繞點B轉動動，且B點水水平往復移動動。點E到點點B的距離應應保持不變，有有運動約束方方程：代入上式中，可可得到2個含含有兩未知數數的設計方程，這這樣的方

42、程組組能夠解出唯唯一解。設計要求實現的的連桿精確位位置如下表所所示，則可進進行如下的數數值計算：表4-3 設設計要求實現現的連桿精確確位置0-6002.7-6005.4-600因為假設了，則則設計方程可可以整理關于于變量的如下下的線性方程程組： 代入表4-1中中和的值化簡線性方方程組，可以以得到：解之得：，桿長 第5章 機構構運動及動力力分析5.1動態靜力力分析以大腿機構為例例，進行機構構的動態靜力力分析：大腿受力分析：（如圖5-1所示）圖5-1 大腿腿BAGF桿桿受力分析（2）小腿受力力分析：（如如圖5-2所所示）圖5-1 小腿腿EFH桿受受力分析5.2運動仿真真分析集成 課程設設計要求所有

43、有的零部件的的造型都在ssolidwworks中中完成，并在在其中進行相相應的機構設設置及仿真設設置，然后對對設置好的機機構進行運動動學及動力學學求解，并分分析求解結果果。圖5-1 導入入模型，加載載力矩，進行行仿真設置如圖，進行相應應的機構設置置及仿真設置置，下面以手手臂肩部的轉轉動為例，對對機器人的肩肩部加載Z方方向的力矩。下圖描述了在機構運動過程中構件力矩動態變化的情況。圖5-2 ZZ方向力矩幅幅值對機器人的四個個電機進行設設置并仿真運運動。取腳尖一點代表表腳部運動。5.2.1腳尖尖分析腳尖位移分析 圖5-1腳尖尖X方向位移移分量可以從圖中看出出腳尖位移大大致符合勻速速運動，即位位移隨時

44、間的的推移而呈直直線上升，即即等速運動，符符合設計要求求，人正常行行走時即為勻勻速運動，此此結果說明這這種方案的設設計是可行的的。圖5-2腳尖尖Y方向位移移分量腳尖速度分析 圖5-3腳尖尖XY方向速度度分量圖5-4腳尖尖X方向速度分分量由于腳部有前伸伸和后縮兩個個主要動作，所所以速度線圖圖有正負兩種種速度，收腿腿時出現了一一個小峰值，可可能是由于大大腿和小腿共共同運動時間間差導致的。圖5-5 腳尖尖Y方向速度分分量Y方向也出現了了正負速度，是是由于腳部的的抬高和放低低兩個過程。腳尖加速度分析析 圖5-6腳尖尖X方向加速速度分量加速度大致圍繞繞在一個恒定定值，隨著時時間的推移，出出現了波動，是是

45、由于振動的的不斷加強導導致。圖5-7 腳尖尖Y方向加速速度分量5.2.1手臂臂分析 手臂位移分析圖5-8手臂臂X方向位移移分量圖5-9手臂臂Y方向位移移分量由以上兩圖可以以看出手臂的的擺動基本符符合勻速運動動，與腳部的的伸縮相互配配合，達到人人行走的狀態態，手腳相互互交替擺動。手臂速度分析 圖5-10手手臂XY方向向速度分量圖5-11手手臂X方向速速度分量圖5-12手手臂Y方向速速度分量手臂加速度分析析 圖5-13手手臂X方向加加速度分量圖5-14手手臂Y方向加加速度分量第6章 結論論6.1兩足步行行機器人機構構特點本次設計中我們們利用了凸輪的運動動規律，設計計了凸輪輪廓廓曲線來較準準確地控制

46、機機構的運動路路線，大致達達到了人體步步行動作的連連貫性和穩定定性標準。并且且分別對大腿腿和小腿的不不同運動特點點采用不同的的凸輪輪廓曲曲線，使運動動更形象逼真真，而凸輪又又靠電機來帶帶動，以這種種方法來實現現機器人的行行走。6.2設計的主主要特點此次設計對兩足足步行機器人人的設計及空空間運動步態態規劃開展研研究，具有一一定的啟發性性和應用價值值。機構設計計的主要特點點如下。一、純機械機構構、步行穩定、動作流暢在總結多種兩足足步行機器人人腿部構型的的優缺點基礎礎上，提出一一種能夠利用用純機械構件件實現行走的的機構，該機機構巧妙地將將凸輪傳動引引入到平面連連桿機構中，有有效地克服一一般機器人存存

47、在的行走不不穩定、動作作僵硬等缺點點，還具有結結構簡單緊湊湊、驅動力矩矩大、運動平平穩等優點。應應用這種腿部部機構模塊設設計了可以帶帶動手臂甩動動的8自由度度空間兩足步步行機器人，使使該機器人具具有良好的整整體性能。二、小功率電機機驅動、節能降耗、安全環保該兩足步行機器器人采用電機機驅動控制，在在模擬控制的的約40mmm/s的平均均行走速度下下，假設機器器人重量為550kg，經經過估算可知知每一個電機機的功率不到到30w，充充分證明機器器人的確完成成了節能降耗耗、安全環保保的改進。三、兼并機構的的高效合理與與外觀的協調調美觀基于仿生學和人人體工程學，注重了結合機器人機構的高效合理和外觀的協調美

48、觀，在設計中詳細考慮到將一些傳動軸隱藏到機器人的胸膛和臀部中，使組建完成的機器人不僅傳動精度高、動作流暢，而且具有結構優良、外形自然、步行行為類人等特點。凸輪方案與滑塊塊方案對比，其其最主要的缺缺點是大小腿腿有各自的凸凸輪和電機帶帶動，使得自自由度增多，不不便于初始調調節。關于方方案的優劣對對比，前文已已經詳細談到到，這里不再再贅述。另外，機器人的的研制堪稱一一個國家科技技發展水平的的衡量標準之之一，我們的的設計固然存存在著許多的的缺點。首先先是機器人的的重心移動問問題，在我們們的論文討論論中基本忽略略了，然而這這卻是一個十十分重要和基基本的問題。然然后關于機器器人的傳感控控制部分，這這在電氣

49、和計計算機專業的的碩士論文中中非常常見，更更是構型分析析和性能要求求的重點，但但遺憾的是本本論文并未涉涉足。其三，由由于知識水平平的欠缺，我我們沒有對機機器人的步態態規劃和運動動理論分析及及優化方面進進行研究。6.3 設計結結果 從三維仿真效果果看，設計的的兩足步行機機器人行走穩穩定自然、動動作連貫流暢暢，大小腿的的抬動和放低低動作達到了了準確位置的的要求，手臂臂的甩動符合合常人行走的的特征，角度度亦完全正確確，基本實現現了設計目標標和要求。從運動學仿真的的結果看，位位移曲線相當當光滑并且隨隨時間的推移移而呈直線上上升，即等速速運動，符合合設計要求，人人正常行走時時即為勻速運運動，此結果果說明

50、這種方方案的設計是是可行的；速速度曲線由于于腳步的位置置變化而有正正負之分，收收腿時出現了了一個小峰值值，可能是由由于大腿和小小腿共同運動動時間差導致致的。Y方向向也出現了正正負速度，是是由于腳部的的抬高和放低低兩個過程，總總體較為穩定定；加速度曲曲線大致恒定定，隨時間推推移出現了小小的波動，是是由振動的不不斷加強導致致的。第7章 收獲獲與體會首先,對機械原原理這門課程程有了更深入入的了解。平平時只停留在在一個初等的的感性認識水水平,沒有真真正的理解透透所學的具體體原理該如何何應用的問題題,但在自己己做設計過程程中老在問為為什么,如何何解決,通過過這樣的想法法，使自己對對自己所學的的理論有了深

51、深入的理解.在設計過程程中,如何才才能把所學的的理論運用到到實際中,這這才是我們學學以所獲,學學以致用的真真正宗旨,這這也是當我們們從這個專業業畢業后所必必需具有的能能力,這也更更是從學到時時間的過程,才能為自己己在以后的工工作中游刃有有余,才能為為機械工業的的發展盡綿薄薄之力.其次對所學的專專業課產生了了很大的興趣趣，對專業軟軟件的運用更更加熟練。在在做設計的過過程中,發現現機械的很多多東西滲透在在我們生活的的方方面面,小到鐘表,大到航天器器。這也給自自己很大的學學習范圍和任任務，更給了了自己很大的的發展空間和和興趣的培養養。在設計機機構和動畫模模擬以及運動動模擬分析的的過程中，不不斷地操作

52、如如AutoCCAD、SOOLIDWOORKS、AADAMS這這些機械設計計專業軟件，不不僅鞏固了機機構簡圖、運運動原理的知知識，而且讓讓我們在短短短的時間里快快速地學會了了新的制圖軟軟件，觸摸了了高端的機械械設計工具，為為畢業以后的的機械行業繼繼續深造提供供了必要的軟軟件基礎。最后對團隊的合合作有了更深深的體會。每每個人不可能能方方面面都都會，這就需需要團隊組員員各自發揮自自己的優點，說說出各自的想想法，取長補補短，這樣才才能從別人身身上學到自己己所缺的能力力和品質，在在現代的企業業合作中，團團隊合作精神神是很重要的的，各個產品品的開發都需需要很多人傾傾注心血，這這樣才能使企企業有長遠的的發

53、展。設計計過程中我主主要負責文獻獻資料的查找找與整理，方方案評價和選選擇，傳動設計與與計算，設計說明書書的編寫，PPPT制作。黃黃凱主要負責責方案設計，三維建模，運動仿真，凸輪設計與校核，動力學仿真結果的分析。機構尺寸共同設計完成。這門課程的結束束是我們這學學期學習的終終點，但卻是是我們再學習習、再創造的的開端，學海海無涯，天外外有天，我們們將繼續加強強對機械綜合合設計這門學學科的學習和和研究，以更更飽滿的熱情情投入到今后后的學習生活活中，做不斷斷探索，勇于于創新的西南南交大機械學學子。第8章 致謝謝本次課程設計原原本是設計一一個兩足步行行椅，然后得到到了何朝明老老師的建議和悉心心指導，最后完

54、成了了這個行走機機器人，在此此對他表示衷心地地感謝。參考文獻Yusuke S et al. DDesignn of aa batttery-ppowereed mullti-puurposee bipeedal llocomootor wwith paralllel mmechannismAA. prroceeddings of thhe 20002 IEEEE/RSJJ Inteernatiional Confeerencee on Intellligennt Robbots aand Syystemss C. Laussanne, Swittzerlaand: 22002. 2658-26

55、63.郭清.教學雙足足行走機器人人的研究D.哈爾濱：哈爾爾濱工程大學學，20088.陳禮順.空間超超冗余度機器器人機構設計計及運動規劃劃研究D.成都都:西南交通通大學，20009.8宋繼祥等.兩足足步行機器人人的靜態平衡衡分析J.煤礦礦機械,20007,(228):722-74李紅兵.兩足步步行機器人機機構設計及步步態規劃研究究D.南京:東南南大學,20009. 55梁靜強.雙足步步行機器人機機構設計及運運動學仿真D.南昌航空大大學,2007.6Shuuji Kajitta andd Kazuuo TANNI. Exxperimment SStudy of Baased DDynamiic W

56、allking in the LLinearr Penddulum ModeJ. PProceeeding of thhe 19995 IEEEE Intternattionall Confferencce on Robottics and Autommationn, 28885-28889.GONG Taao, CAAI Z-ii x inng.Paralllel eevoluttionarry commputinng andd 3-tiier looad baalancee of remotte minning rrobotJ. Transs. Nonnferroous Meet. Soo

57、c. Chhina,22003,(13):9948-9552Q Huangg ,S KKajitaa et aal. A High Stabiility, Smoooth waalkingg Pateern foor a BBipedRRobot. Procceedinng of ICRA99,655-71.LIU Chaanghuaan etcc.Bipeed Robbot wiith Trrianglle ConnfigurrationnJ. CHINEESE JOOURNALL OF MMECHANNICAL ENGINNEERINNG,20112,(255):20-28附錄1建模過程：

58、（一）大腿的建建模 （二）小腿腿建模（三）腳掌建模模（四）大手臂的的建模（五）臀部的建建模（六）上身建模模（七）曲柄及各各部件建模（八） 凸輪通通過SOLIIDWORKKS使用參數數自動生成。生成的大小凸輪輪如下。 （九）裝配與組組建工作。（十）給凸輪裝裝以驅動馬達達（十一）模擬環環境下進行動動力學仿真附錄二附錄三 一、兩足步行機機器人的研究究現狀 機器人是是現代科學技技術發展的必必然產物，人人類發明機器器人的目的就就是設法用機機器人代替人人類從事某種種工作或服務務人類。雙足機器人的研研制開始于上上世紀70年年代末，由于于國內外許多多學者都從事事于這一領域域的研究工作作，使得雙足足機器人的研研

59、究工作進展展迅速，如今今已經成為機機器人技術領領域的主要研研究方向之一一。從發展到到現在，所經經歷的時間雖雖然不長，可可是在各國研研究人員的致致力研究下，已已取得了不少少成果，也裝裝配出了不少少樣機。雙足足行走機器人人可以按照自自由度、機構構類型、控制制方式等的不不同來進行分分類。雙足行行走機器人按按照步行機構構自由度數目目的多少可分分為多自由度度步行機器人人和少自由度度步行機器人人。少于7個自由度的的為少自由度度步行機器人人，其它為多多自由度步行行機器人。多多自由度步行行機器人由于于機構自由構構件多，因而而動作空間大大、靈活性好好、適應環境境能力強、變變速較為方便便。但由于動動力源較多，因因

60、而體積大、重重量較重、控控制比較復雜雜、控制精度度要求高、成成本高、結構構復雜、研制制難度大。而而少自由度步步行機器人卻卻具有與之恰恰好相反的優優缺點。但少少自由度步行行機器人也可可以應工作環環境要求在其其上增加自由由度，對系統統作相應改變變，這是一個個從簡單到復復雜，從低級級到高級的過過程，從而達達到滿足實用用的要求。另另外在一定的的工作環境中中，少自由度度步行機器人人同樣能完成成一定的預期期工作，而且且能發揮它體體積小、重量量輕、價格低低的優勢、對對于使用要求求在一定的空空間范圍內的的用戶具有很很大的吸引力力。所以無論論從長遠的發發展的觀點還還是從目前的的現實可行性性出發，開發發少自由度步