机械创新设计课程设计.docx
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机械创新设计课程设计
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机械创新设计课程设计
2015-2016第2学期
题目:
仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构设计
小组成员:
班级:
指导教师:
成绩:
日期:
2016年6月
TOC\o"1-3"\h\z\uHYPERLINK\l"_Toc453230629"摘要
HYPERLINK\l"_Toc453230630"第一章绪论PAGEREF_Toc453230630\h1
HYPERLINK\l"_Toc453230631"1.1.前言PAGEREF_Toc453230631\h1
HYPERLINK\l"_Toc453230632"1.2.二足仿生机器人的概念PAGEREF_Toc453230632\h1
HYPERLINK\l"_Toc453230633"1.3课题来源PAGEREF_Toc453230633\h2
HYPERLINK\l"_Toc453230634"1.4设计目的PAGEREF_Toc453230634\h2
HYPERLINK\l"_Toc453230635"1.5技术要求PAGEREF_Toc453230635\h2
HYPERLINK\l"_Toc453230636"1.6设计意义PAGEREF_Toc453230636\h3
HYPERLINK\l"_Toc453230637"1.7设计范围PAGEREF_Toc453230637\h4
HYPERLINK\l"_Toc453230638"1.8国内外的发展状况和存在的问题PAGEREF_Toc453230638\h4
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HYPERLINK\l"_Toc453230642"1.9.具体设计PAGEREF_Toc453230642\h10
HYPERLINK\l"_Toc453230643"1.9.1.设计指导思想PAGEREF_Toc453230643\h10
HYPERLINK\l"_Toc453230644"1.9.2.应解决的主要问题PAGEREF_Toc453230644\h10
HYPERLINK\l"_Toc453230645"1.9.3.本设计采用的研究计算方法PAGEREF_Toc453230645\h10
HYPERLINK\l"_Toc453230646"1.9.4.技术路线PAGEREF_Toc453230646\h10
HYPERLINK\l"_Toc453230647"第二章仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构步态规划PAGEREF_Toc453230647\h12
HYPERLINK\l"_Toc453230648"2.1引言PAGEREF_Toc453230648\h12
HYPERLINK\l"_Toc453230649"2.2仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构的步行概念PAGEREF_Toc453230649\h12
HYPERLINK\l"_Toc453230650"2.3步行过程设定PAGEREF_Toc453230650\h13
HYPERLINK\l"_Toc453230651"2.4双足机器人步态稳定性分析PAGEREF_Toc453230651\h15
HYPERLINK\l"_Toc453230652"2.4.1步行稳定性判据PAGEREF_Toc453230652\h15
HYPERLINK\l"_Toc453230653"2.4.2零力矩点定义PAGEREF_Toc453230653\h16
HYPERLINK\l"_Toc453230654"2.4.3稳定步态的条件PAGEREF_Toc453230654\h17
HYPERLINK\l"_Toc453230655"2.4.4小结PAGEREF_Toc453230655\h18
HYPERLINK\l"_Toc453230656"2.5双足机器人步态规划PAGEREF_Toc453230656\h19
HYPERLINK\l"_Toc453230657"2.5.1引言PAGEREF_Toc453230657\h19
HYPERLINK\l"_Toc453230658"2.5.2双足机器人步行过程分析PAGEREF_Toc453230658\h19
HYPERLINK\l"_Toc453230659"2.5.3髋关节规划PAGEREF_Toc453230659\h20
HYPERLINK\l"_Toc453230660"2.5.4髋关节轨迹对ZMP的影响PAGEREF_Toc453230660\h21
HYPERLINK\l"_Toc453230661"第三章二足机器人的机构分析PAGEREF_Toc453230661\h23
HYPERLINK\l"_Toc453230662"3.1四连杆机构的设计PAGEREF_Toc453230662\h23
HYPERLINK\l"_Toc453230663"3.1.1设计参数PAGEREF_Toc453230663\h23
HYPERLINK\l"_Toc453230664"3.2二足机器人主体设计PAGEREF_Toc453230664\h24
HYPERLINK\l"_Toc453230665"3.2.1腿部的设计PAGEREF_Toc453230665\h24
HYPERLINK\l"_Toc453230666"3.2.2大腿PAGEREF_Toc453230666\h25
HYPERLINK\l"_Toc453230667"3.2.3小腿PAGEREF_Toc453230667\h25
HYPERLINK\l"_Toc453230668"3.2.4脚PAGEREF_Toc453230668\h26
HYPERLINK\l"_Toc453230669"3.2.5其他辅助连杆PAGEREF_Toc453230669\h26
HYPERLINK\l"_Toc453230670"第四章总结PAGEREF_Toc453230670\h27
HYPERLINK\l"_Toc453230671"4.1.设计小结PAGEREF_Toc453230671\h27
HYPERLINK\l"_Toc453230672"4.2设计感受PAGEREF_Toc453230672\h27
HYPERLINK\l"_Toc453230673"4.3课程设计见解PAGEREF_Toc453230673\h27
HYPERLINK\l"_Toc453230674"参考文献PAGEREF_Toc453230674\h28
HYPERLINK\l"_Toc453230675"谢辞PAGEREF_Toc453230675\h30
摘要
人类社会的发展,各种各样的机器人正渐渐的走进我们的视野,有很多的地方都用到了机器人,在机器人的领域里越来越多的人开始爱好上了机器人。
能更好的适应环境和地形是仿生机器人的优点,很多人的工作可以由机器人代替完成,科学价值和实际应用价值是很重要的。
类人机器人一直是机器人领域的研究热点,是目前科技发展最活跃的领域之一。
它汇集了机械、电子、通讯、自动控制、仿生等诸多学科最新的研究成果,代表了机电一体化的最高成就,反映了一个国家智能化和自动化研究的水平。
双足行走是类人机器人最基本也是最难实现的功能,因而以实现双足步行为目标的两足步行机器人研究是智能型类人机器人研究的基础。
本文以实现仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构为研究目标,对实现此功能的相关技术展开了研究。
主要分析了人类行走动作,在自由度配置、步态规划以及稳定性分析的基础上对仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构进行了设计。
关键词:
仿人二足爬楼梯行走机构,步态规划,机构设计,四杆机构,CATIA
绪论
前言
步行机器人已经被广泛应用于各个领域,且二足机器人的动作近似人类,更能于现今的工作环境相配合。
一般二足机器人可步行于高危险性的工作环境,跨越障碍物,上下楼梯,能补足人类体能的限制,可用于探测、救灾、搬运、服务等行业,或代替肢体残障者的双脚等。
此兼具高灵活性及工作稳定的两大特点,在有危险及枯燥频繁的任务环境中扮演不可或缺的角色。
此次主要研究目标是二足机器人爬楼梯机构的设计,以及对它的步态的规划。
二足仿生机器人的概念
现阶段,机器人的研究应用领域不断拓宽,其中仿人机器人的研究和应用受到普遍的关机器人的研究应用领域不断拓宽,其中仿人机器人的研究和应用受到普遍的关注,并成为智能机器人领域中最活跃的研究热点之一。
仿人二足机器人爬楼梯的设计变营运而生。
研究与人类外观特征类似,具有人类智能,灵活性,并能够与人交流,不断适应环境的仿人机器人一直是人类的梦想之一。
仿人机器人的研究在很多方面已经取得了突破,如关键的机械单元,基本行走能力,整体运动,动态视觉等,但是离我们理想中的要求还相去甚远,还需要在更为具体的某些行动进行研究,仿人二足机器人爬楼梯设计奖机器人的行动具体到爬楼梯动作上,,可以更加适合人类的生活和工作环境,代替人类完成各种作业,可以在很多方面拓展人类的能力,如图所示
图1.1仿生二足机器人
1.3课题来源
本课题来源于机械创新设计课程的研究课题。
之前我们学习了有关机械原理的基本概念,基本理论,以及相关的计算方法,老师带领我们深入浅出的学习了机械方面的知识,使我们了解包括机构结构分析,运动分析,力分析以及动力学分析,对于常用的机构,例如,连杆机构,凸轮机构,齿轮机构的等也有了深入的认知。
在王老师开设的机械创新设计课程上我们选择了这个课题,来将学习到的知识付诸于实践。
1.4设计目的
本设计主要是利用机械原理相关知识合理设计机械腿的相关尺寸及机构来实现爬楼梯的功能。
1.5技术要求
1.电机的选择和控制原理;
2.运动学的分析和仿真;
3.连杆机构,传动机构的设计;
4.稳定性,重心转移。
1.6设计意义
双足机器人是一种非常典型的仿人机器人,国外早在60年代末就开始了双足机器人的研究开发。
1968年,美国通用公司试制了一台名为“Rig”的操纵型双足机器人,揭开了双足机器人研究的序幕。
随着双足机器人在各个领域的应用日趋广泛,各个国家在该领域相继投入巨资开展研究。
自20世纪90年代开始,双足机器人的研究已从模仿人类腿部行走发展到全方位拟人阶段,相继诞生了P3,ASIMO等机器人。
步行是人类最基本的行为方式,双足机器人具备人类的基本结构,具有类人的步行能力。
双足步行机器人在外形上具有人类特征,适合用于人类生活的环境,为人们提供方便,因此具有广阔的市场前景。
双足机器人与其他多足机器人相比具有体积较小、重量轻、动作灵活、迅速,而且更接近于人类步行的特点,因此它们对环境有最好的适应性,在日常生活中更具有广泛的应用前景。
步行运动是双足机器人实现基本类人动作的关键,可以为仿人机器人的机构设计、优化提供理论指导和技术支持。
对双足机器人步态规划进行研究,规划合理的步态并控制机器人稳定的跟踪步态实现稳定的步行运动成为双足机器人技术研究的重点。
稳定的步态是双足机器人实现行走功能的基础.有了稳定的步态才能显现它的灵活性和更强的适应能力,也才能使机器人其他的很多功能得以实现。
另外,技术发展的角度看,步态规划研究会对传统的机械机构、传动方式和控制方法产生一定影响,从而促进仿生学及其他领域的相关研究与应用,可以更多的了解和掌握人类的步行特征,并为人类的服务,如人造假肢。
1.7设计范围
一直以来移动型机器人的运动方式大体上包括,轮式,履带式,足式等。
履带式爬楼梯的装置原理类似于履带装甲运兵车,原理较为简单,技术也比较成熟,而且传动效率比较高,行走重心波动很小,运动平稳。
但是这类装置重量大,运动不够灵活,爬楼梯时在楼梯边缘会造成巨大的压力,对楼梯有一定的损坏,转弯不方便等问题,有很大的限制。
轮组式,轮组式爬楼梯装置按轮组中使用小轮的个数可分为两轮式,三轮式,以及四轮式。
单轮组式结构稳定性较差,在爬楼梯中需要有人协助才能实现。
而双轮组式虽然能实现自主爬楼,但由于其体积庞大且偏重,影响了她的适用范围。
步行式,其爬楼梯的执行机构由铰链杆件机构组成。
上楼梯时,先将负重抬高,在向前移动,如此重复这过程。
步行式爬楼梯装置模仿人类爬楼的动作,符合本组研究课题,所以采用这个方案。
步行式爬楼梯装置爬楼梯时运动平稳,适合不同尺寸的楼梯,较为便捷。
但是他对操作的要求很高,设计研究很复杂,运动幅度不大,动作缓慢。
1.8国内外的发展状况和存在的问题
1.8.1.国外发展状况
从上世纪60年代开始。
各国学者对两足步行机器人从理论和实践上进行了较长时间的研究工作,在理论研究上得丰硕的成果。
1973年,日本加麟一郎从工程角度研制出世界上第一台真正意义上的仿人形机器人WABOT-1,可用日语与人交流,实现静态行走,可依据命令移动身体去抓取物体。
1986年.美籍华人郯元芳博士研制了美国第一台真正意义上的类人双足步行机器人SO-2,实现平地前进和左右侧行;1987年该机器人实现动态步行,在1990年,SD-2能走斜坡。
图1.8.1HONDA机器人P1,P2,P3
经过11年研究.日本HONDA公司于1996年12月成功研制出第一台取足步行机器凡P1,之后相继推出p2、p3,希望机器人“能与人共存、同人协作,不受用途限制,并能完成一些人所不能完成的任务”,如图LI。
P-2是世界上首台无缆自主式两足机器人。
P-2型机器人通过陀螺仪、加速度传感器及六个脚底压力倍感器把地面的信息传给机器的控制单元进行判断,进而平衡身体。
P-2的出现标志着一个崭新的两足机器时代的到来。
2000年i1月12日HONDA公司开发出代表当今双足步行机器人最高研究水平的ASIMO(AdvancedStepinInnovativeMobility),如图1.8.2,高120厘米.重52千克,菇34个自由度,采用Honda自行开发的处理器、Vxwocks操作系统.驱动元件采用伺服电机Harmonic减速器、镣氢电池作为动力源,行走速度O到1.6千米/小时,步距可调.并采用先进的I—WALK技术和预测移动控制技术,实时预测下一个移动动作并提前改变重心,可完成8宇行走和上下台阶动作。
图1.8.2ASIMO机器人
2002年12月9日.日本川田工业和产业技术综合研究所、安川电机以及清水建设公布了可以在建筑工埴等与工人共同作业的类人型机器HRP-2。
HRP-2的外形尺寸为高154cm.质量为58KG,与真人相仿。
全身共有32个自由度,具体为6×2(腿部)+6×2(手臂)+2(腰部)+2(头部)+2×2(手指)=32,能够很均衡地双足步行。
HRP-2手臂有6个自由度(肩3,肘1,腕2),工作能力根强,机器人可以与工人一起用“手”抓起建筑材料进行搬运。
腰部有2个自由度.俯仰自由度是专门为俯身工作设置的。
大腿固定在臂部两侧外伸的悬臂上,从而腿部的灵活性增加.可以做出走“一字步”和两腿交错行走等步行动作。
HRP-2不论仰卧还是俯卧倒地后都可以自行站起,可以在地面爬行进入较小的工作空间,还可以做敲鼓、跳舞等表演。
研究人员先请民间艺术家跳舞,用特殊摄像机拍摄后将画面输入电脑,井对手、脚、头、腰等32个部位的动作进行解析,再把解析数据输给HRP-2,最后利用这些数据来控制HRP-2的手脚等关节动作,从而使得HRP-2可以和人一样动作连贯地翩翩起舞。
图1.8.3HRP-2机器人
2003年9月.日本Sony公司推出SDR-4X是目前最先进的小型两足机器人。
SDR-4X身高0.5m,体重5kg,具有38个自由度,能够以0.9km/h的速度行走,并能在行走中转身。
该机器人可根据家中环境的变化调节自身行为.不仅可以识路辨人、存储信息,还可跳舞、唱歌,与人类进行更丰富的交流。
与该公司2000年底发布的SDR-3X机器人相比,SDR-4X的运动和反应功能有了极大改进。
由于安装了多种传感系统、行为控制软件以及灵活的机械行走装置,牵引其每个关节的小型执行器的功能均得到改进。
新型的综合适应控制系统可以通过各路传感器采集到的信息,对机器人身上的38个关节进行实时控制,使其在坎坷路面上行走自如。
通过姿势平衡系统抵御外界压迫,能根据环境变化调整运动步伐。
如前行或拐弯,它的双手各有5只灵活的手指,灵活的关节控制还可使其在自身跌倒时将损害降低到最低程度。
另外,SDR-4X的积CCD彩色摄像头可进行影像识别,如判定目标方位,确定接近目标的路线。
识别10多个人的脸部特征。
除此之外,SDR-4X身上还安装了带有记忆功能的交流和运动控制系统。
通过内置无线局域网。
机器人可以与电脑相连接并获取同步数据,识别众多词汇。
如果主人将音乐和歌词输入给它,它就可动情地唱山美妙的歌。
若主人通过其内置的软件系统与电脑连接。
设计一系列动作,如舞蹈,机器人还能做出复杂而人性化的动作。
图1.8.4SDR-4X机器人
1.8.2.国内发展状况
国内在两足步行机器人领域的研究起步较晚,长沙国防科技大学于2000年11月研制出我国首台两足步行机器人—先行者。
先行者身高1.4m,体重20kg,共有17个自由度,可以完成原地扭动、平地前进、后退、左右侧行和左右转弯等动作。
哈尔滨工业大学自1985-2000年研制出双足步行机器人:
HIT-I、HIT-II和HIT-III,HIT-III实现了步距200毫米的静态/动态步行,最快步行周期为3.2-4秒/步,能
够完成前/后、侧行、转弯、上/下台阶及上斜坡等动作。
图1.8.5HIT-I、HIT-II机器人
北京理工大学于2002年12月研制出仿人机器人BRI-01,是目前国内最先进的两足步行机器人。
机器人高1.6米,重80千克,具有32个自由度,步速1千米/时,步距33厘米;能根据自身的平衡状态和地面高度变化,实现未知路面的稳定行走。
清华大学于2002年4月9日研制出具有自主知识产权的仿人机器人THBIP-I样机。
THBIP-I共32个自由度。
实现无缆连续稳定的平地行走、连续上下台阶行走,以及端水、太极拳和点头等动作。
图1.8.6THBIP-I
1.8.3.存在的问题
综上所述,国外在这方面的研究已经有100多年的历史了,成果较多,但是大多都结构复杂,造价昂贵,远远超出人民的经济承受能力。
国内的研究相对较晚,虽然也诞生了很多专利,但由于受到体积,重量,稳定性级安全问题还没有产品真正投入使用。
1.9.具体设计
1.9.1.设计指导思想
面向社会应用需求,基于机械创新设计课程的课题要求,根据之前学习到的机械原理等知识,力求推动大学生设计创新能力,提高机器人应用实际的实际操控力,达到我们机械创新设计的目的。
1.9.2.应解决的主要问题
1.重心对于机器人行走稳定性的影响,对机体质心及其稳定性;
2.二足行走机构的设计;
3.两腿之间运动时的协调配合,以及周期的确定;
4.运动学分析:
建立合理得运动学模型,从而对不同运动阶段进行分析。
1.9.3.本设计采用的研究计算方法
本设计主要通过分析仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构步态运动,结合高等代数、机械原理等相关知识以及利用互联网资源对仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构进行合理的分析与设计。
1.9.4.技术路线
1.收集国内外仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构的相关资料,分析并消化,总结出我们自己的方法;
2.仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构的步态规划,选择合适的步态,并稳定性分析,行走步态设计;
3.机构设计和运动学分析,绘制仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构的机构原理图;针对运动特征设计相应机构,改善运动机构完成设计。
4.根据腿的二维平面设计示意图进行三维设计,并用CATIA软件进行机构行走仿真,动态模拟分析。
仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构步态规划
2.1引言
步态是指在步行运动过程中,机器人各关节在时间和空间上的一种协调关系。
合理的步态规划是机器人稳定步行的基础。
步态规划不仅是两足机器人实现基本拟人动作的关键,而且可以为两足机器人机构设计与优化提供理论指导。
没有行走步态的规划,两足机器人最基本的步行功能也就无从实现,就失去了两足步行机器人灵活性、适应能力强等优势。
而拟人机器人的其他功能,也会受到极大的影响。
仿人机器人步态规划不仅取决于地面条件、下肢结构、控制的难易程度,而且必须满足运动平稳性、速度、机动性和功率等要求。
2.2仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构的步行概念
为了便于对仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构进行步态规划,首先定义一些有关两足步行的基本概念。
步态:
在步行运动过程中,机器人各关节运动在时序和空间上的一种协调关系以及机器人相对环境的时空关系。
通常由各关节角运动轨迹和质心轨迹来描述。
步距:
在步行运动中,机器人左右脚落地位置间的纵向距离。
跨高:
摆动腿在摆动过程中脚底离地面的最大距离,用于衡量机器人跨越楼体高度的大小。
步行周期:
是指机器人周期性行走过程中,同一只脚顺序两次着地所用的时间。
每个周期内左右腿各向前迈步一次,又可分为三个阶段,双脚支撑期、左脚支撑期和右脚支撑期。
步速:
是衡量机器人步行能力的一个重要指标,是指机器人单位时间内相对步行环境所移动的距离。
单脚支撑:
机器人仅有一只脚与地面相接触,起支撑作用,另一只脚处于摆动状态。
2.3步行过程设定
因本文所述的仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构设计目标是实现爬楼梯功能,鉴于机器人行走场地具有良好的环境,在不影响机器人主要功能的前提下做出如下设定:
(1)机器人在行走过程中处于静力学平衡的状态,即机器人行走方式为静态步行;
(2)由于楼梯的台阶具有较为良好的水平性,我们设定机器人脚底面相对于台阶表面始终保持平行状态;
(3)设定机器人以直线状态行走;
(4)机器人在直线行走过程中,髋关节相对于地面的高度始终保持不变;
(5)由于本机器人左右腿的关节的对称性,在以后的讨论中仅考虑右腿的运动情况,左腿的情况与右腿类似。
仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构机械图如下图所示:
XY平面投影定义的大腿长为R1,小腿的长度为R2。
由上图可以看出,仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构髋关节向上旋转
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