機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì).docx

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì) 2015-2016第 2 學(xué)期 題 目： 仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 小組成員： 班 級(jí)： 指導(dǎo)教師： 成 績(jī)： 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(jī)器人的概念11.3課題來(lái)源21.4設(shè)計(jì)目的21.5技術(shù)要求21.6設(shè)計(jì)意義31.7設(shè)計(jì)范圍41.8國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r和存在的問(wèn)題41.8.1.國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r41.8.2.國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r81.8.3.存在的問(wèn)題101.9.具體設(shè)計(jì)101.9.1.設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想101.9.2.應(yīng)解決的主要問(wèn)題101.9.3.本設(shè)計(jì)采用的研究計(jì)算方法101.9.4.技術(shù)路線10第二章仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)步態(tài)規(guī)劃122.1引言122.2仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)的步行概念122.3步行過(guò)程設(shè)定132.4 雙足機(jī)器人步態(tài)穩(wěn)定性分析152.4.1 步行穩(wěn)定性判據(jù)152.4.2零力矩點(diǎn)定義162.4.3穩(wěn)定步態(tài)的條件172.4.4小結(jié)182.5 雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃192.5.1 引言192.5.2 雙足機(jī)器人步行過(guò)程分析192.5.3 髖關(guān)節(jié)規(guī)劃202.5.4 髖關(guān)節(jié)軌跡對(duì)ZMP的影響21第三章二足機(jī)器人的機(jī)構(gòu)分析233.1四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)233.1.1設(shè)計(jì)參數(shù)233.2 二足機(jī)器人主體設(shè)計(jì)243.2.1腿部的設(shè)計(jì)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(jié)274.1.設(shè)計(jì)小結(jié)274.2設(shè)計(jì)感受274.3課程設(shè)計(jì)見(jiàn)解27參考文獻(xiàn)28謝 辭3029 / 35摘 要人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展，各種各樣的機(jī)器人正漸漸的走進(jìn)我們的視野，有很多的地方都用到了機(jī)器人，在機(jī)器人的領(lǐng)域里越來(lái)越多的人開(kāi)始愛(ài)好上了機(jī)器人。能更好的適應(yīng)環(huán)境和地形是仿生機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，很多人的工作可以由機(jī)器人代替完成，科學(xué)價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值是很重要的。類(lèi)人機(jī)器人一直是機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，是目前科技發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。它匯集了機(jī)械、 電子、通訊、自動(dòng)控制、仿生等諸多學(xué)科最新的研究成果，代表了機(jī)電一體化的最高成就，反映了 一個(gè)國(guó)家智能化和自動(dòng)化研究的水平。雙足行走是類(lèi)人機(jī)器人最基本也是最難實(shí)現(xiàn)的功能，因而以實(shí)現(xiàn)雙足步行為目標(biāo)的兩足步行機(jī)器人研究是智能型類(lèi)人機(jī)器人研究的基礎(chǔ)。本文以實(shí)現(xiàn)仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)為研究目標(biāo)，對(duì)實(shí)現(xiàn)此功能的相關(guān)技術(shù)展開(kāi)了研究。主要分析了人類(lèi)行走動(dòng)作，在自由度配置、步態(tài)規(guī)劃以及穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上對(duì)仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：仿人二足爬樓梯行走機(jī)構(gòu)，步態(tài)規(guī)劃，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，四桿機(jī)構(gòu)，CATIA第一章 緒 論1.1. 前言步行機(jī)器人已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，且二足機(jī)器人的動(dòng)作近似人類(lèi)，更能于現(xiàn)今的工作環(huán)境相配合。一般二足機(jī)器人可步行于高危險(xiǎn)性的工作環(huán)境，跨越障礙物，上下樓梯，能補(bǔ)足人類(lèi)體能的限制，可用于探測(cè)、救災(zāi)、搬運(yùn)、服務(wù)等行業(yè)，或代替肢體殘障者的雙腳等。此兼具高靈活性及工作穩(wěn)定的兩大特點(diǎn)，在有危險(xiǎn)及枯燥頻繁的任務(wù)環(huán)境中扮演不可或缺的角色。此次主要研究目標(biāo)是二足機(jī)器人爬樓梯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以及對(duì)它的步態(tài)的規(guī)劃。1.2. 二足仿生機(jī)器人的概念現(xiàn)階段，機(jī)器人的研究應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，其中仿人機(jī)器人的 研究和應(yīng)用受到普遍的關(guān)機(jī)器人的研究應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，其中仿人機(jī)器人的 研究和應(yīng)用受到普遍的關(guān)注，并成為智能機(jī)器人領(lǐng)域中最活躍的研究熱點(diǎn)之一。仿人二足機(jī)器人爬樓梯的設(shè)計(jì)變營(yíng)運(yùn)而生。 研究與人類(lèi)外觀特征類(lèi)似，具有人類(lèi)智能，靈活性，并能夠與人交流，不斷適應(yīng)環(huán)境的仿人機(jī)器人一直是人類(lèi)的夢(mèng)想之一。仿人機(jī)器人的研究在很多方面已經(jīng)取得了突破，如關(guān)鍵的機(jī)械單元，基本行走能力，整體運(yùn)動(dòng)，動(dòng)態(tài)視覺(jué)等，但是離我們理想中的要求還相去甚遠(yuǎn)，還需要在更為具體的某些行動(dòng)進(jìn)行研究，仿人二足機(jī)器人爬樓梯設(shè)計(jì)獎(jiǎng)機(jī)器人的行動(dòng)具體到爬樓梯動(dòng)作上，可以更加適合人類(lèi)的生活和工作環(huán)境，代替人類(lèi)完成各種作業(yè)，可以在很多方面拓展人類(lèi)的能力，如圖所示圖1.1 仿生二足機(jī)器人1.3課題來(lái)源本課題來(lái)源于機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程的研究課題。之前我們學(xué)習(xí)了有關(guān)機(jī)械原理的基本概念，基本理論，以及相關(guān)的計(jì)算方法，老師帶領(lǐng)我們深入淺出的學(xué)習(xí)了機(jī)械方面的知識(shí)，使我們了解包括機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析，運(yùn)動(dòng)分析，力分析以及動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)于常用的機(jī)構(gòu)，例如，連桿機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)，齒輪機(jī)構(gòu)的等也有了深入的認(rèn)知。在王老師開(kāi)設(shè)的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程上我們選擇了這個(gè)課題，來(lái)將學(xué)習(xí)到的知識(shí)付諸于實(shí)踐。1.4設(shè)計(jì)目的本設(shè)計(jì)主要是利用機(jī)械原理相關(guān)知識(shí)合理設(shè)計(jì)機(jī)械腿的相關(guān)尺寸及機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)爬樓梯的功能。1.5技術(shù)要求1.電機(jī)的選擇和控制原理；2.運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析和仿真；3.連桿機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)；4.穩(wěn)定性，重心轉(zhuǎn)移。1.6設(shè)計(jì)意義雙足機(jī)器人是一種非常典型的仿人機(jī)器人，國(guó)外早在60年代末就開(kāi)始了雙足機(jī)器人的研究開(kāi)發(fā)。1968年，美國(guó)通用公司試制了一臺(tái)名為“Rig”的操縱型雙足機(jī)器人，揭開(kāi)了雙足機(jī)器人研究的序幕。隨著雙足機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛，各個(gè)國(guó)家在該領(lǐng)域相繼投入巨資開(kāi)展研究。自20世紀(jì)90年代開(kāi)始，雙足機(jī)器人的研究已從模仿人類(lèi)腿部行走發(fā)展到全方位擬人階段，相繼誕生了P3，ASIMO等機(jī)器人。步行是人類(lèi)最基本的行為方式，雙足機(jī)器人具備人類(lèi)的基本結(jié)構(gòu)，具有類(lèi)人的步行能力。雙足步行機(jī)器人在外形上具有人類(lèi)特征，適合用于人類(lèi)生活的環(huán)境，為人們提供方便，因此具有廣闊的市場(chǎng)前景。雙足機(jī)器人與其他多足機(jī)器人相比具有體積較小、重量輕、動(dòng)作靈活、迅速，而且更接近于人類(lèi)步行的特點(diǎn)，因此它們對(duì)環(huán)境有最好的適應(yīng)性，在日常生活中更具有廣泛的應(yīng)用前景。步行運(yùn)動(dòng)是雙足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)基本類(lèi)人動(dòng)作的關(guān)鍵，可以為仿人機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。對(duì)雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃進(jìn)行研究，規(guī)劃合理的步態(tài)并控制機(jī)器人穩(wěn)定的跟蹤步態(tài)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的步行運(yùn)動(dòng)成為雙足機(jī)器人技術(shù)研究的重點(diǎn)。穩(wěn)定的步態(tài)是雙足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)行走功能的基礎(chǔ)有了穩(wěn)定的步態(tài)才能顯現(xiàn)它的靈活性和更強(qiáng)的適應(yīng)能力，也才能使機(jī)器人其他的很多功能得以實(shí)現(xiàn)。另外，技術(shù)發(fā)展的角度看，步態(tài)規(guī)劃研究會(huì)對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)方式和控制方法產(chǎn)生一定影響，從而促進(jìn)仿生學(xué)及其他領(lǐng)域的相關(guān)研究與應(yīng)用，可以更多的了解和掌握人類(lèi)的步行特征，并為人類(lèi)的服務(wù)，如人造假肢。1.7設(shè)計(jì)范圍 一直以來(lái)移動(dòng)型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(lèi)似于履帶裝甲運(yùn)兵車(chē)，原理較為簡(jiǎn)單，技術(shù)也比較成熟，而且傳動(dòng)效率比較高，行走重心波動(dòng)很小，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。但是這類(lèi)裝置重量大，運(yùn)動(dòng)不夠靈活，爬樓梯時(shí)在樓梯邊緣會(huì)造成巨大的壓力，對(duì)樓梯有一定的損壞，轉(zhuǎn)彎不方便等問(wèn)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(gè)數(shù)可分為兩輪式，三輪式，以及四輪式。單輪組式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，在爬樓梯中需要有人協(xié)助才能實(shí)現(xiàn)。而雙輪組式雖然能實(shí)現(xiàn)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(zhí)行機(jī)構(gòu)由鉸鏈桿件機(jī)構(gòu)組成。上樓梯時(shí)，先將負(fù)重抬高，在向前移動(dòng)，如此重復(fù)這過(guò)程。步行式爬樓梯裝置模仿人類(lèi)爬樓的動(dòng)作，符合本組研究課題，所以采用這個(gè)方案。步行式爬樓梯裝置爬樓梯時(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，適合不同尺寸的樓梯，較為便捷。但是他對(duì)操作的要求很高，設(shè)計(jì)研究很復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)幅度不大，動(dòng)作緩慢。1.8國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r和存在的問(wèn)題1.8.1.國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r從上世紀(jì)60年代開(kāi)始。各國(guó)學(xué)者對(duì)兩足步行機(jī)器人從理論和實(shí)踐上進(jìn)行了較長(zhǎng)時(shí)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(tái)真正意義上的仿人形機(jī)器人 WABOT-1，可用日語(yǔ)與人交流，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)行走，可依據(jù)命令移動(dòng)身體去抓取物體。 1986年美籍華人郯元芳博士研制了美國(guó)第一臺(tái)真正意義上的類(lèi)人雙足步行機(jī)器人SO-2，實(shí)現(xiàn)平地前進(jìn)和左右側(cè)行；1987年該機(jī)器人實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)步行，在1990年，SD-2能走斜坡。圖1.8.1 HONDA 機(jī)器人P1，P2，P3經(jīng)過(guò)11年研究日本HONDA公司于1996年12月成功研制出第一臺(tái)取足步行機(jī)器凡P1，之后相繼推出p2、p3，希望機(jī)器人“能與人共存、同人協(xié)作，不受用途限制，并能完成一些人所不能完成的任務(wù)”，如圖LI。P-2是世界上首臺(tái)無(wú)纜自主式兩足機(jī)器人。P-2型機(jī)器人通過(guò)陀螺儀、加速度傳感器及六個(gè)腳底壓力倍感器把地面的信息傳給機(jī)器的控制單元進(jìn)行判斷，進(jìn)而平衡身體。P-2的出現(xiàn)標(biāo)志著一個(gè)嶄新的兩足機(jī)器時(shí)代的到來(lái)。 2000年i1月12日HONDA公司開(kāi)發(fā)出代表當(dāng)今雙足步行機(jī)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(gè)自由 度，采用Honda自行開(kāi)發(fā)的處理器、Vxwocks操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)元件采用伺服電機(jī)Harmonic減速器、 鐐氫電池作為動(dòng)力源，行走速度O到1.6千米小時(shí)，步距可調(diào)并采用先進(jìn)的IWALK技術(shù)和預(yù)測(cè)移動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)下一個(gè)移動(dòng)動(dòng)作并提前改變重心， 可完成8宇行走和上下臺(tái)階動(dòng)作。圖1.8.2 ASIMO機(jī)器人2002年12月9日日本川田工業(yè)和產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所、安川電機(jī)以及清水建設(shè)公布了可以 在建筑工埴等與工人共同作業(yè)的類(lèi)人型機(jī)器HRP-2。HRP-2的外形尺寸為高154cm質(zhì)量為 58KG，與真人相仿。全身共有32個(gè)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(gè)自由度(肩3，肘1，腕2)，工作能力根強(qiáng)，機(jī)器人可以與工人一起用“手”抓起建筑材料進(jìn)行搬運(yùn)。腰部有2個(gè)自由度俯仰自由度是專(zhuān)門(mén)為俯身工作設(shè)置的。大腿固定在臂部?jī)蓚?cè)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(cuò)行走等步行動(dòng)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(jìn)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(qǐng)民間藝術(shù)家跳舞，用特殊攝像機(jī)拍攝后將畫(huà)面輸入電腦，井對(duì)手、腳、頭、腰等32個(gè)部位的動(dòng)作進(jìn)行解析，再把解析數(shù)據(jù)輸給HRP-2，最后利用這些數(shù)據(jù)來(lái)控制HRP-2的手腳等關(guān)節(jié)動(dòng)作，從而使得HRP-2可以和人一樣動(dòng)作連貫地翩翩起舞。圖1.8.3 HRP-2機(jī)器人2003年9月日本Sony公司推出SDR-4X是目前最先進(jìn)的小型兩足機(jī)器人。SDR-4X身高0.5m,體重5kg，具有38個(gè)自由度，能夠以0.9kmh的速度行走，并能在行走中轉(zhuǎn)身。該機(jī)器人可 根據(jù)家中環(huán)境的變化調(diào)節(jié)自身行為不僅可以識(shí)路辨人、存儲(chǔ)信息，還可跳舞、唱歌，與人類(lèi)進(jìn)行更豐富的交流。 與該公司2000年底發(fā)布的SDR-3X機(jī)器人相比，SDR-4X的運(yùn)動(dòng)和反應(yīng)功能有了極大改進(jìn)。 由于安裝了多種傳感系統(tǒng)、行為控制軟件以及靈活的機(jī)械行走裝置，牽引其每個(gè)關(guān)節(jié)的小型執(zhí)行器 的功能均得到改進(jìn)。新型的綜合適應(yīng)控制系統(tǒng)可以通過(guò)各路傳感器采集到的信息，對(duì)機(jī)器人身上的 38個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使其在坎坷路面上行走自如。通過(guò)姿勢(shì)平衡系統(tǒng)抵御外界壓迫，能根據(jù)環(huán)境變化調(diào)整運(yùn)動(dòng)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(guān)節(jié)控制還可使其在自身跌倒時(shí)將損害降低到最低程度。另外，SDR-4X的積CCD彩色攝像頭可進(jìn)行影像識(shí)別，如判定目標(biāo)方位，確定接近目標(biāo)的路線。識(shí)別10多個(gè)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(yùn)動(dòng)控 制系統(tǒng)。通過(guò)內(nèi)置無(wú)線局域網(wǎng)。機(jī)器人可以與電腦相連接并獲取同步數(shù)據(jù)，識(shí)別眾多詞匯。如果主 人將音樂(lè)和歌詞輸入給它，它就可動(dòng)情地唱山美妙的歌。若主人通過(guò)其內(nèi)置的軟件系統(tǒng)與電腦連接。 設(shè)計(jì)一系列動(dòng)作，如舞蹈，機(jī)器人還能做出復(fù)雜而人性化的動(dòng)作。圖1.8.4 SDR-4X機(jī)器人1.8.2.國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r國(guó)內(nèi)在兩足步行機(jī)器人領(lǐng)域的研究起步較晚，長(zhǎng)沙國(guó)防科技大學(xué)于2000年11月研制出我國(guó)首臺(tái)兩足步行機(jī)器人先行者。先行者身高1 .4m，體重20kg，共有17個(gè)自由度，可以完成原地扭動(dòng)、平地前進(jìn)、后退、左右側(cè)行和左右轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)自1985-2000年研制出雙足步行機(jī)器人：HIT-I、HIT-II和HIT-III，HIT-III實(shí)現(xiàn) 了步距200毫米的靜態(tài)/動(dòng)態(tài)步行，最快步行周期為3.2-4秒/步，能夠完成前/后、側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、上 /下臺(tái)階及上斜坡等動(dòng)作。圖1.8.5 HIT-I、HIT-II機(jī)器人 北京理工大學(xué)于2002年12月研制出仿人機(jī)器人BRI-01，是目前國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的兩足步行機(jī)器人。機(jī)器人高1.6米，重80千克，具有32個(gè)自由度，步速1千米/時(shí)，步距33厘米；能根據(jù)自身的平衡狀態(tài)和地面高度變化，實(shí)現(xiàn)未知路面的穩(wěn)定行走。清華大學(xué)于2002年4月9日研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的仿人機(jī)器人THBIP-I樣機(jī)。THBIP-I 共32個(gè)自由度。實(shí)現(xiàn)無(wú)纜連續(xù)穩(wěn)定的平地行走、連續(xù)上下臺(tái)階行走，以及端水、太極拳和點(diǎn)頭等動(dòng)作。圖1.8.6 THBIP-I1.8.3.存在的問(wèn)題 綜上所述，國(guó)外在這方面的研究已經(jīng)有100多年的歷史了，成果較多，但是大多都結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)昂貴，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人民的經(jīng)濟(jì)承受能力。 國(guó)內(nèi)的研究相對(duì)較晚，雖然也誕生了很多專(zhuān)利，但由于受到體積，重量，穩(wěn)定性級(jí)安全問(wèn)題還沒(méi)有產(chǎn)品真正投入使用。1.9.具體設(shè)計(jì)1.9.1.設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想 面向社會(huì)應(yīng)用需求，基于機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程的課題要求，根據(jù)之前學(xué)習(xí)到的機(jī)械原理等知識(shí)，力求推動(dòng)大學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力，提高機(jī)器人應(yīng)用實(shí)際的實(shí)際操控力，達(dá)到我們機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的目的。1.9.2.應(yīng)解決的主要問(wèn)題1.重心對(duì)于機(jī)器人行走穩(wěn)定性的影響，對(duì)機(jī)體質(zhì)心及其穩(wěn)定性；2.二足行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)；3.兩腿之間運(yùn)動(dòng)時(shí)的協(xié)調(diào)配合，以及周期的確定；4.運(yùn)動(dòng)學(xué)分析：建立合理得運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，從而對(duì)不同運(yùn)動(dòng)階段進(jìn)行分析。1.9.3.本設(shè)計(jì)采用的研究計(jì)算方法 本設(shè)計(jì)主要通過(guò)分析仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)步態(tài)運(yùn)動(dòng)，結(jié)合高等代數(shù)、機(jī)械原理等相關(guān)知識(shí)以及利用互聯(lián)網(wǎng)資源對(duì)仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行合理的分析與設(shè)計(jì)。1.9.4.技術(shù)路線1.收集國(guó)內(nèi)外仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)的相關(guān)資料，分析并消化，總結(jié)出我們自己的方法；2.仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)的步態(tài)規(guī)劃，選擇合適的步態(tài)，并穩(wěn)定性分析，行走步態(tài)設(shè)計(jì)；3.機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，繪制仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)原理圖；針對(duì)運(yùn)動(dòng)特征設(shè)計(jì)相應(yīng)機(jī)構(gòu)，改善運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)完成設(shè)計(jì)。4.根據(jù)腿的二維平面設(shè)計(jì)示意圖進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，并用CATIA軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)行走仿真，動(dòng)態(tài)模擬分析。研究手段研究結(jié)果成果集成網(wǎng)上資料查閱收集確定基本思路步態(tài)分析查閱機(jī)械原理基礎(chǔ)知識(shí)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)模擬分析機(jī)器人機(jī)構(gòu)可行性分析第二章 仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)步態(tài)規(guī)劃2.1引言步態(tài)是指在步行運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)器人各關(guān)節(jié)在時(shí)間和空間上的一種協(xié)調(diào)關(guān)系。合理的步態(tài)規(guī)劃是機(jī)器人穩(wěn)定步行的基礎(chǔ)。步態(tài)規(guī)劃不僅是兩足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)基本擬人動(dòng)作的關(guān)鍵，而且可以為兩足機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。沒(méi)有行走步態(tài)的規(guī)劃，兩足機(jī)器人最基本的步行功能也就無(wú)從實(shí)現(xiàn)，就失去了兩足步行機(jī)器人靈活性、適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。而擬人機(jī)器人的其他功能，也會(huì)受到極大的影響。仿人機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃不僅取決于地面條件、下肢結(jié)構(gòu)、控制的難易程度，而且必須滿足運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、速度、機(jī)動(dòng)性和功率等要求。2.2仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)的步行概念為了便于對(duì)仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃，首先定義一些有關(guān)兩足步行的基本概念。步態(tài)：在步行運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)在時(shí)序和空間上的一種協(xié)調(diào)關(guān)系以及機(jī)器人相對(duì)環(huán)境的時(shí)空關(guān)系。通常由各關(guān)節(jié)角運(yùn)動(dòng)軌跡和質(zhì)心軌跡來(lái)描述。 步距：在步行運(yùn)動(dòng)中，機(jī)器人左右腳落地位置間的縱向距離。 跨高：擺動(dòng)腿在擺動(dòng)過(guò)程中腳底離地面的最大距離，用于衡量機(jī)器人跨越樓體高度的大小。 步行周期：是指機(jī)器人周期性行走過(guò)程中，同一只腳順序兩次著地所用的時(shí)間。每個(gè)周期內(nèi)左右腿各向前邁步一次，又可分為三個(gè)階段，雙腳支撐期、左腳支撐期和右腳支撐期。步速：是衡量機(jī)器人步行能力的一個(gè)重要指標(biāo)，是指機(jī)器人單位時(shí)間內(nèi)相對(duì)步行環(huán)境所移動(dòng)的距離。單腳支撐：機(jī)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(dòng)狀態(tài)。2.3步行過(guò)程設(shè)定 因本文所述的仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)爬樓梯功能，鑒于機(jī)器人行走場(chǎng)地具有良好的環(huán)境，在不影響機(jī)器人主要功能的前提下做出如下設(shè)定：(1)機(jī)器人在行走過(guò)程中處于靜力學(xué)平衡的狀態(tài)，即機(jī)器人行走方式為靜態(tài)步行； (2)由于樓梯的臺(tái)階具有較為良好的水平性，我們?cè)O(shè)定機(jī)器人腳底面相對(duì)于臺(tái)階表面始終保持平行狀態(tài)； (3)設(shè)定機(jī)器人以直線狀態(tài)行走；(4)機(jī)器人在直線行走過(guò)程中，髖關(guān)節(jié)相對(duì)于地面的高度始終保持不變； (5)由于本機(jī)器人左右腿的關(guān)節(jié)的對(duì)稱(chēng)性，在以后的討論中僅考慮右腿的運(yùn)動(dòng)情況，左腿的情況與右腿類(lèi)似。仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)機(jī)械圖如下圖所示：XY平面投影定義的大腿長(zhǎng)為R1，小腿的長(zhǎng)度為R2。由上圖可以看出，仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)髖關(guān)節(jié)向上旋轉(zhuǎn)了h角度的時(shí)候，其中大腿在Y軸方向提升高度，仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)大腿Y方向提升高度可以通過(guò)下圖計(jì)算:根據(jù)圖中所示，得到計(jì)算的表達(dá)式子：H=R1cosa-cosh 所以可以確定的是髖關(guān)節(jié)電機(jī)旋轉(zhuǎn)h角度時(shí)候在Z軸的方向上提升高度的函數(shù)關(guān)系。 由圖2-5可見(jiàn)仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)髖關(guān)節(jié)向著前面轉(zhuǎn)動(dòng)1的時(shí)候立足位置點(diǎn)在Y軸的方向上前進(jìn)了半步長(zhǎng)為x，仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)腿部X方向前進(jìn)的步長(zhǎng)計(jì)算如下：圖2-5 腿在Y方向上前進(jìn)的示意圖 所以說(shuō)可以得出來(lái)x=R1cos1+R2cos2sin1，由表達(dá)可以確定髖關(guān)節(jié)向前轉(zhuǎn)動(dòng)1角度的時(shí)候，立足位置點(diǎn)在X方向的前進(jìn)的步長(zhǎng)為一半x的確定的關(guān)系。當(dāng)1較小的時(shí)候，可以設(shè)旋轉(zhuǎn)1角度后腿在X軸上的投影長(zhǎng)度近視為L(zhǎng)=R1+R2。2.4 雙足機(jī)器人步態(tài)穩(wěn)定性分析2.4.1 步行穩(wěn)定性判據(jù)雙足機(jī)器人步行運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，兩只腳交替的與地面，發(fā)生間歇性的相互作用，即交替的出現(xiàn)左腳單支撐，雙腳支撐和右腳單支撐的狀態(tài)，周期性的不斷前進(jìn)。雙足機(jī)器人步態(tài)研究的重點(diǎn)就在于如何維持支撐腳與地面的相對(duì)瞬時(shí)固定，使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持穩(wěn)定步行而不發(fā)生翻倒或滑倒。目前衡量雙足步行機(jī)器人穩(wěn)定性有兩個(gè)主要的指標(biāo)：一個(gè)是整個(gè)機(jī)器人的重心在地面投影點(diǎn)(Center of Gravity，簡(jiǎn)稱(chēng)COG)，COG對(duì)應(yīng)的是靜態(tài)穩(wěn)定性；另一個(gè)是零力矩點(diǎn)(Zero Moment Point，簡(jiǎn)稱(chēng)ZMP)如圖22所示，ZMP對(duì)應(yīng)于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性M。靜態(tài)穩(wěn)定性只有在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)非常緩慢時(shí)才適用，大多數(shù)情況，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)具有一定的速度，需考慮它的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。因此，研究者們己經(jīng)采用了動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，最普遍的是采用零力矩點(diǎn)(ZMP)作為雙足機(jī)器人步態(tài)穩(wěn)定性判定標(biāo)準(zhǔn)。2.4.2零力矩點(diǎn)定義零力矩點(diǎn)(zeromoment point，縮寫(xiě)為ZMP)有關(guān)雙足機(jī)器人各部位動(dòng)態(tài)控制的概念，它首先由南斯拉夫?qū)W者M(jìn)iomirVukobratovic在1968年1月莫斯科第三屆理論與應(yīng)用力學(xué)全聯(lián)盟代表大會(huì)上提出，在他后來(lái)的研究工作中和發(fā)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(guān)于雙足機(jī)器人控制的論文開(kāi)頭定義了零力矩點(diǎn)?，F(xiàn)在經(jīng)過(guò)幾十年的研究發(fā)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(duì)x，Y軸分量為零的那一點(diǎn)，即T(Tx，Ty，Tz)表示由地面反力繞某一點(diǎn)產(chǎn)生的合力矩在ZMP點(diǎn)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(diǎn)上合力矩為零。可以證明這兩種表述方式是一致的，雙足機(jī)器人穩(wěn)定步行時(shí)，其ZMP具有如下性質(zhì)：ZMP始終位于支撐腿的腳掌所組成的凸形有效支撐區(qū)域內(nèi)，以保證ZMP的條件，滿足ZMP穩(wěn)定性原則p6朝。ZMP概念的引入，為雙足機(jī)器人的動(dòng)態(tài)步行運(yùn)動(dòng)分析和規(guī)劃提供了一個(gè)重要的依據(jù)。圖2-2重心地回投影及ZMP根據(jù)零力矩點(diǎn)的定義，不管哪一種步行方式，零力矩點(diǎn)必須落在機(jī)器人支撐腳構(gòu)成的區(qū)域的一定范圍內(nèi)才能保證它的穩(wěn)定。2.4.3穩(wěn)定步態(tài)的條件對(duì)于一個(gè)給定步態(tài)，如果其在雙足步行機(jī)器人上是可復(fù)現(xiàn)的，則稱(chēng)這一步態(tài)是穩(wěn)定的；反之，則稱(chēng)這一步態(tài)是不穩(wěn)定的。顯然，當(dāng)ZMP始終落在腳掌支撐面內(nèi)時(shí)，這一步態(tài)是穩(wěn)定的，也是可復(fù)現(xiàn)的；若ZMP超出腳掌支撐面，則這一步態(tài)是不穩(wěn)定的，也是不可復(fù)現(xiàn)的。機(jī)器人行走時(shí)支撐腳與地面的接觸面為支撐面，雙腳支撐面為兩腳所構(gòu)成的凸多邊形的面積。雙足機(jī)器人動(dòng)態(tài)步行的穩(wěn)定性問(wèn)題是步態(tài)規(guī)劃的關(guān)鍵問(wèn)題，借助理論力學(xué)工具，推導(dǎo)出穩(wěn)定步行需滿足的動(dòng)力學(xué)條件。為了將ZMP的性質(zhì)運(yùn)用于動(dòng)態(tài)步行的步態(tài)分析與設(shè)計(jì)中，首先得分析ZMP與步態(tài)軌跡之間的聯(lián)系。機(jī)器人的行走方式可以劃分為靜態(tài)行走和動(dòng)態(tài)行走兩種方式。靜態(tài)行走是指在行走過(guò)程的任意瞬間，機(jī)器人都處于靜平衡狀態(tài)，即重心在地面的投影始終處于支撐面內(nèi)。靜態(tài)行走的速度較慢，各桿件運(yùn)動(dòng)的速度和加速度都很小。擺動(dòng)腿著地時(shí)腳掌和地面的相對(duì)速度可看作近似為零，不發(fā)生碰撞，且行走過(guò)程中損失的能量很小，因而在連續(xù)行走中對(duì)其運(yùn)動(dòng)控制不考慮慣性力的影響。靜態(tài)穩(wěn)定性忽略機(jī)器人的動(dòng)態(tài)性能，采用重心(COG)作為穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，所以這種穩(wěn)定性只有在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)非常緩慢時(shí)才適用。此時(shí)，Zi=Xi=Yi=0，則ZMP點(diǎn)坐標(biāo)變?yōu)椋篨ZMP=XC=i=1nmiXii=1nmi，YZMP=YC=i=1nmiYii=1nmi (2.10)式(210)中：XC，YC雙足機(jī)器人質(zhì)心的坐標(biāo)，即雙足機(jī)器人的質(zhì)心即為ZMP點(diǎn)。因此，只要使重心落在腳掌支撐面上就能保證雙足步行機(jī)器人穩(wěn)定的步行。式(210)中：mi各部分的質(zhì)量；Xi，Yi，Zi各部分的質(zhì)心，本項(xiàng)目中為虛擬桿件i的質(zhì)心。動(dòng)態(tài)行走與靜態(tài)行走有很大的不同。動(dòng)態(tài)行走的速度快，機(jī)器人處于動(dòng)平衡狀態(tài)，即動(dòng)態(tài)行走不要求重心COG始終位于支撐面內(nèi)，而是要求零力矩點(diǎn)ZMP始終位于支撐面內(nèi)。動(dòng)態(tài)行走時(shí)，機(jī)器人各桿件的運(yùn)動(dòng)速度和加速度都較大，僅以質(zhì)心是否在支撐面內(nèi)不能決定系統(tǒng)的穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)行走時(shí)ZMP坐標(biāo)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(dòng)態(tài)行走中，由于慣性力的作用，系統(tǒng)的質(zhì)心和ZMP點(diǎn)不可能始終保持重合，當(dāng)質(zhì)心COG落到支撐面之外，即出現(xiàn)靜不穩(wěn)定期，如果ZMP點(diǎn)仍處在支撐面內(nèi)，就可以保持系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。在兩足機(jī)器人的動(dòng)態(tài)行走過(guò)程中，即使重心滿足靜態(tài)穩(wěn)定條件而ZMP在穩(wěn)定區(qū)域之外，整個(gè)雙足機(jī)器人系統(tǒng)也是不穩(wěn)定的，在其運(yùn)動(dòng)控制中需要充分考慮慣性力的影響，始終保持系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)平衡關(guān)系。由上述推導(dǎo)可知，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的步態(tài)規(guī)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(jī)器人在行走中不會(huì)騰空，產(chǎn)生跑或者跳的動(dòng)作。 2等效力與地面的交點(diǎn)P(XZMP,YZMP,0)，始終位于支撐域內(nèi)，即-labXZMPlaf-wrYZMPwl （2.13）以保證機(jī)器人在步行中不會(huì)繞x軸傾覆，式中乙為后腳掌的長(zhǎng)度，0為前腳掌的長(zhǎng)度，彬?yàn)槟_掌內(nèi)側(cè)的寬度，w，為腳掌外側(cè)的寬度。從節(jié)能的角度考慮，靜態(tài)步行的驅(qū)動(dòng)力矩主要克服重力矩，而動(dòng)態(tài)步行可以有效地利用重力和慣性力進(jìn)行重心的移動(dòng)。毫無(wú)疑問(wèn)，動(dòng)態(tài)步行的驅(qū)動(dòng)力矩比靜態(tài)步行的驅(qū)動(dòng)力矩要小，而且可以實(shí)現(xiàn)高速行走。要保證雙足機(jī)器人的動(dòng)態(tài)步行穩(wěn)定，必須保證零力矩在行走過(guò)程中始終落在支撐區(qū)域內(nèi)。ZMP越靠近支撐域的中心，機(jī)器人的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性越好，當(dāng)ZMP與支撐域中心重合，機(jī)器人步行穩(wěn)定裕度最大，抗顛覆能力最強(qiáng)，ZMP位置可以通過(guò)控制關(guān)節(jié)力矩的方法進(jìn)行間接控制。2.4.4小結(jié)本節(jié)首先分析雙足機(jī)器人的構(gòu)造特點(diǎn)，建立雙足機(jī)器人七連桿模型。接著介紹了用雙足機(jī)器人穩(wěn)定性判據(jù)的類(lèi)型，闡述了零力矩點(diǎn)的定義及推導(dǎo)過(guò)程，并分別就機(jī)器人靜態(tài)步行和動(dòng)態(tài)步行展開(kāi)分析，得出兩種不同運(yùn)動(dòng)情況下各自的步行穩(wěn)定判斷條件，隨后研究了雙足機(jī)器人穩(wěn)定步行的條件，為后面章節(jié)的步態(tài)規(guī)劃和步態(tài)優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。2.5 雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃2.5.1 引言雙足機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃，是指機(jī)器人行走過(guò)程中其各組成部分運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃。步態(tài)是指機(jī)器人步行運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)在時(shí)序和空間上的一種協(xié)調(diào)關(guān)系，通常由各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的一組軌跡函數(shù)來(lái)描述。雙足機(jī)器人步行運(yùn)動(dòng)過(guò)程可以分為三個(gè)階段：起步、周期步行和停步。這三個(gè)階段各不相同，但有著緊密的聯(lián)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(fù)性。2.5.2 雙足機(jī)器人步行過(guò)程分析雙足機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃就是規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的行走步態(tài)，水平地面的基本行走步態(tài)有前向步行、側(cè)向步行和轉(zhuǎn)向步行。轉(zhuǎn)向步行包含了前向步行和側(cè)向步行，是最復(fù)雜的步行。本文主要以前向周期步行作為步態(tài)規(guī)劃的重點(diǎn)，將前向步態(tài)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(dòng)腿為例分解，若右腿首先作為支撐腿，左腿作為擺動(dòng)腿只需將圖中左右調(diào)換即可。曲腿下蹲邁左腿側(cè)向移動(dòng)重心（向左）側(cè)向移動(dòng)重心（）雙腿直立邁右腿圖2.5.1 前向步態(tài)分析框圖在雙足機(jī)器人整個(gè)步行過(guò)程中，假設(shè)身軀始終保持直立，所以左、右髖關(guān)節(jié)在Z軸上的位置函數(shù)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(xiàn)不斷前進(jìn)的過(guò)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(kāi)地面的時(shí)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(kāi)地面到它再次跟地面接觸的時(shí)間段，在這段時(shí)間里，只有一只腳與地面接觸即圖32中AC時(shí)段。雙足機(jī)器人的前向運(yùn)動(dòng)過(guò)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(dòng))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(dòng))_0A雙腳支撐(左腳在前，右腳在后)一從第F狀態(tài)起，就是不斷重復(fù)OF的過(guò)程，而OC的過(guò)程，與CF的過(guò)程相比，只是左右狀態(tài)互換，因此只要把OC時(shí)段的步態(tài)確定了，機(jī)器人整個(gè)步行運(yùn)動(dòng)周期的步態(tài)就可以完全確定。圖2.5.2 雙足機(jī)器人步行過(guò)程示意圖2.5.3 髖關(guān)節(jié)規(guī)劃假定髖關(guān)節(jié)在步行過(guò)程中高度H不變，髖關(guān)節(jié)的位置對(duì)ZMP的影響很大，對(duì)機(jī)器人能否保持穩(wěn)定步行起到至關(guān)重要的作用。初次規(guī)劃的軌跡不一定能使機(jī)器人穩(wěn)定，所以在髖關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃時(shí)設(shè)幾個(gè)可調(diào)參數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)使機(jī)器人保持穩(wěn)定。如圖2.5.5所示，d。表示擺動(dòng)腳落地時(shí)髖關(guān)節(jié)到支撐腿踝關(guān)節(jié)的距離，d。表示擺動(dòng)腳抬起時(shí)髖關(guān)節(jié)到支撐腿踝關(guān)節(jié)的距離。dxedxs圖2.5.5 dxs,dxe參數(shù)說(shuō)明圖2.5.4 髖關(guān)節(jié)軌跡對(duì)ZMP的影響雙足機(jī)器人的很大部分質(zhì)量集中于上半身，故上半身的位置對(duì)ZMP的影響大，而髖關(guān)節(jié)是離上半身最近的可控自由度，故本文主要分析髖關(guān)節(jié)位置對(duì)ZMP的影響。建立機(jī)器人步行時(shí)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(jù)文獻(xiàn)19中對(duì)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(zhǎng)度上地面作用力的鉛垂分量，為d的X坐標(biāo)，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(biāo)系中的位置。兩個(gè)可調(diào)參數(shù)dxs,dxe，如圖2.5.5所示，用來(lái)調(diào)節(jié)髖關(guān)節(jié)在擺動(dòng)腿離地和落地時(shí)刻髖關(guān)節(jié)中心的位置。當(dāng)dxs變小時(shí)，髖關(guān)節(jié)向支撐腳后方移動(dòng)，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(dòng)。反之，若dxs變大，則髖關(guān)節(jié)前移，從而使支撐腳所受地面作用力分布前移，導(dǎo)致ZMP也向腳尖移動(dòng)，使穩(wěn)定裕度變小。同理，當(dāng)dxe變小時(shí)，ZMP前移；dxe變大時(shí)，ZMP向后移。據(jù)此分析，可以調(diào)節(jié)髖關(guān)節(jié)的位置使ZMP盡量位于支撐腳的中心，保證較大的穩(wěn)定裕度。第三章 二足機(jī)器人的機(jī)構(gòu)分析3.1四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)機(jī)器人設(shè)計(jì)過(guò)程中，腿部采用了四桿機(jī)構(gòu)。在前期時(shí)參考了不少有關(guān)腿部機(jī)構(gòu)的資料，這個(gè)機(jī)構(gòu)的選擇很重要，主要原因如下：（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)決定了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜度，機(jī)構(gòu)越復(fù)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(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)系到運(yùn)動(dòng)的最終狀態(tài)，決定運(yùn)行的姿態(tài)。（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)最終保證整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。3.1.1設(shè)計(jì)參數(shù)(1)連桿尺寸lAB=160mm,lBC=160mm,lCD=220mm,lDA=80mm,lAE=200mm,lEF=110mm,lFB=240mm圖3.1.1 機(jī)構(gòu)原理圖（2）估算機(jī)身高度設(shè)置為H=400mm,在正前方運(yùn)行時(shí)，左腿和右腿之間不會(huì)發(fā)生相互干涉，為了保證兩腿之間有足夠的距離，兩髖關(guān)節(jié)之間的距離為125mm。 3.2 二足機(jī)器人主體設(shè)計(jì)用三維軟件CATIA畫(huà)出總設(shè)計(jì)圖如下:3.2.1腿部的設(shè)計(jì)腿部結(jié)構(gòu)是機(jī)器人身體里主要的部分，根據(jù)仿生學(xué)的知識(shí)，人腿部結(jié)構(gòu)大致為：髖關(guān)節(jié)，和膝關(guān)節(jié)，還有踝關(guān)節(jié)和腳。本文采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其直線行走和爬樓梯功能的。兩組腿交替的變換使機(jī)身能向前運(yùn)動(dòng)，他們每組都支撐機(jī)體的重量，并在負(fù)重的狀態(tài)下使機(jī)體的前行，所以適應(yīng)的剛性和承載能力是非常重要的，所以對(duì)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(jié)4.1.設(shè)計(jì)小結(jié)通過(guò)這次機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用了機(jī)械原理及其他課程的理論知識(shí)。將理論與實(shí)際結(jié)合在了一起，培養(yǎng)了我們團(tuán)隊(duì)合作以及解決機(jī)械工程有關(guān)的實(shí)際問(wèn)題，最重要的是讓我們從所學(xué)專(zhuān)業(yè)中找到了樂(lè)趣。在本次機(jī)械原理的課程設(shè)計(jì)訓(xùn)練中鞏固學(xué)習(xí)了機(jī)械原理設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、CAD二維制圖軟件和CATIA三維軟件，也學(xué)會(huì)了怎樣從前人設(shè)計(jì)中取得經(jīng)驗(yàn)以及處理數(shù)據(jù)的能力。4.2設(shè)計(jì)感受在機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們通過(guò)對(duì)已有文獻(xiàn)的查閱結(jié)合我們自己所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。將理論和實(shí)踐完美的結(jié)合在了一起，使我們更深刻的理解了我們的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。從中學(xué)到了很多知識(shí)，并認(rèn)識(shí)到團(tuán)隊(duì)協(xié)作的重要性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中我們遇到了很多困難和挫折但經(jīng)過(guò)努力以及我們不畏困難，不拋棄，不抱怨等都是我們學(xué)到的精神品質(zhì)。通過(guò)這次設(shè)計(jì)我們認(rèn)識(shí)到，機(jī)械是精準(zhǔn)、系統(tǒng)、經(jīng)驗(yàn)化的學(xué)科，對(duì)于問(wèn)題不能粗略的概括和認(rèn)識(shí)，容不得半點(diǎn)偏差。面對(duì)茫然不知所措的問(wèn)題時(shí)要冷靜，耐心對(duì)待。再設(shè)計(jì)過(guò)程中我們不斷領(lǐng)悟機(jī)械學(xué)科及行業(yè)精髓，對(duì)所學(xué)專(zhuān)業(yè)有了濃厚的興趣，激發(fā)了我們的學(xué)習(xí)熱情當(dāng)然讓我們對(duì)將來(lái)的職業(yè)也充滿了希望。在設(shè)計(jì)過(guò)程中培養(yǎng)了我們的自學(xué)能力，這是我們步入社會(huì)所必備的素質(zhì)?，F(xiàn)實(shí)企業(yè)中越來(lái)越強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)協(xié)作，這次設(shè)計(jì)是我們小組在老師指導(dǎo)下共同努力的結(jié)果，沒(méi)有良好的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能了我們是不可能完成本次機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)的。這種團(tuán)隊(duì)意識(shí)使我們步入社會(huì)必備的技能，這對(duì)我們即將步入社會(huì)的大學(xué)生有著重大意義。4.3課程設(shè)計(jì)見(jiàn)解機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)，對(duì)于我們將要上更多專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)生有著積極的意義，讓我們更近的理解本專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)。所以我希望我們能有相對(duì)更充足的時(shí)間，先在老師的指導(dǎo)下自學(xué)相關(guān)理論文獻(xiàn)，鍛煉我們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)的學(xué)習(xí)能力。這樣我們就可以更加完美的完成我們的課程設(shè)計(jì)，得到的體會(huì)或許更多。參考文獻(xiàn)1 張瑞紅、金德文、張濟(jì)川等，不同路況下正常步態(tài)特征研究J.清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2000,8（40）：77-802張春林編，機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)M，