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兩足行走機器人—行走結構部分設計

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更新時間：2016-02-27
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目錄

1 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 機器人的發展及技術 1
1.3 兩足機器人的優點及國內外研究概況 2
1.4 本課題的主要工作 7
2 雙足機器人本體結構設計分析 8
2.1 引言 8
2.2 兩足機器人的結構分析 8
2.3 機器人設計思路 9
2.4 機器人設計方案 10
2.5 驅動方式的選擇 12
3 雙足機器人的具體制作 13
3.1 雙足機器人的材料選擇 13
3.2 雙足機器人的零件加工 13
3.3 兩足機器人的組裝 16
3.4 兩足機器人相關數據 19
3.5 兩足機器人總體尺寸 19
3.6 舵機具體參數 19
4 課題總結 20
結束語 21
致謝 22
參考文獻 23

1 緒論
1.1 引言
目前，機器人已形成一個不同技術層次、應用于多種環境的“龐大”家族，從天上到地下，從陸地到海洋到處都可以看到機器人的身影。世界著名機器人專家，日本早稻田大學的加藤一郎教授曾經指出“機器人應當具有的最大的特征之一是步行功能”。步行機器人的研究涉及到多門學科的交叉融合，如仿生學、機構學、控制理論與工程學、電子工程學、計算機科學及傳感器信息融合等。仿人形機器人正成為機器人研究中的一個熱點，其研究水平，在一定程度上代表了一個國家的高科技發展水平和綜合實力。研究仿人形雙足步行機器人，除了具有重要的學術意義，還有現實的應用價值。
1.2 機器人的發展及技術
1.2.1 機器人的發展
20世紀40年代，伴隨著遙控操縱器和數控制造技術的出現，關于機器人技術的研究開始出現。60年代美國的Consolidated Control公司研制出第一臺機器人樣機，并成立了Unimation公司，定型生產了Unimate機器人。20世紀70年代以來，工業機器人產業蓬勃興起，機器人技術逐漸發展為專門學科。1970年，第一次國際機器人會議在美國舉行。經過幾十年的發展，數百種不同結構、不同控制系統、不同用途的機器人已進入了實用化階段。
目前，盡管關于機器人的定義還未統一，但一般認為機器人的發展按照從低級到高級經歷了三代。第一代機器人，主要指只能以“示教-再現”方式工作的機器人，其只能依靠人們給定的程序，重復進行各種操作。目前的各類工業機器人大都屬于第一代機器人。第二代機器人是具有一定傳感器反饋功能的機器人，其能獲取作業環境、操作對象的簡單信息，通過計算機處理、分析，機器人按照己編好的程序做出一定推理，對動作進行反饋控制，表現出低級的智能。當前，對第二代機器人的研究著重于實際應用與普及推廣上。第三代機器人是指具有環境感知能力，并能做出自主決策的自治機器人。它具有多種感知功能，可進行復雜的邏輯思維，判斷決策，在作業環境中可獨立行動。第三代機器人又稱為智能機器人，并己成為機器人學科的研究重點，但目前還處于實驗室探索階段[1]。
機器人技術己成為當前科技研究和應用的焦點與重心，并逐漸在工農業生產和國防建設等方面發揮巨大作用。可以預見到，機器人將在21世紀人類社會生產和生活中扮演更加重要的角色。
1.2.2 機器人技術
機器人學是一門發展迅速的且具有高度綜合性的前沿學科，該學科涉及領域廣泛，集中了機械工程、電氣與電子工程、計算機工程、自動控制工程、生物科學以及人工智能等多種學科的最新科研成果，代表了機電一體化的最新成就[2]。機器人充分體現了人和機器的各自特長，它比傳統機器具有更大的靈活性和更廣泛的應用范圍。機器人的出現和應用是人類生產和社會進步的需要，是科學技術發展和生產工具進化的必然。目前，機器人及其自動化成套裝備己成為國內外備受重視的高新技術應用領域，與此同時它正以驚人的速度向海洋、航空、航天、軍事、農業、服務、娛樂等各個領域滲透。
目前，雖然機器人的能力還是非常有限的，但是它正在迅速發展。隨著各學科的發展和社會需要的發展，機器人技術出現了許多新的發展方向和趨勢，如網絡機器人技術、虛擬機器人技術、協作機器人技術、微型機器人技術和雙足步行機器人技術等。人們普遍認為，機器人技術將成為緊隨計算機技術及網絡技術之后的又一次重大的技術革命，它很可能將世界推向科學技術的新時代[3]。
1.3 兩足機器人的優點及國內外研究概況
1.3.1 雙足機器人的優點
首先，雙足步行的移動方式在地面不平整或其它惡劣條件下(如充滿障礙物)比其他方式要靈活得多，具有更好的機動性。研究仿人形雙足步行機器人，以代替人類在核電站、太空、海底及其它危害人類身心健康的復雜極端環境中工作，將大大拓展人類的活動空間。
其次，雙足步行機器人的步行系統是一個內在的不穩定系統，其動力學特性非常復雜，具有多變量、強耦合、非線性和變結構的特點。因此，它是控制理論和控制工程領域的一個極好的研究對象，開展雙足步行技術的研究，必然推動控制理論的發展和控制技術的進步。
再次，步行是人類的一種基本活動能力，但有相當數量的人因為疾病或意外事故失去了這種能力，雙足步行技術的發展會促進動力型假肢的研制，將有可能解決截癱病人和小兒麻痹癥患者的行走問題，為康復醫學做出貢獻。對機器人雙足動態行走機理的深入研究也使我們更深刻地理解人類活動的內在本質，有助于生物醫學工程和體育運動科學的發展。
1.3.2 雙足機器人的步態特點及研究意義
步態規劃是雙足機器人失衡檢測與控制的基礎及預備性工作，也是雙足步行機器人的一項重要內容。所謂的步態，是指在步行過程中，步行本體的身體各部位在時序和空間上的一種協調關系；步態規劃就是給出機器人各關節位置與時間的關系，是雙足步行機器人研制中的一項關鍵技術，也是難點之一。步態規劃的好壞將直接影響到雙足步行機器人的行走穩定性、美觀性以及各關節所需驅動力矩的大小等多個方面，已經成為雙足步行機器人領域的研究熱點。基于上述原因，本課題擬進行雙足機器人步行穩定性研究，研制具有高度穩定性的雙足步行機器人平臺，為進一步的行走機器人失衡檢測及控制技術研制奠定基礎。
1.3.3 國外研究概況
雙足機器人的研制開始于上世紀60年代末，雖然只有四十多年的歷史。然而，兩足機器人的研究工作進展迅速，國內外許多學者正從事于這一領域的研究，如今已成為機器人技術領域的主要研究方向之一。
步行的穩定性是兩足機器人的難點和關鍵，南斯拉夫學者MemoirVakobrativitch于1969年提出的ZMP(Zero Moment Point)理論較好地解決了動態步行穩定性判斷問題。ZMP點，即零力矩點，是雙足機器人所受重力、慣性力及地面反力三者合力矢的延長線與地面的交點。雙足機器人一只腳著地時，ZMP點必須落在腳掌的范圍內；雙腳著地時，則位于兩只腳掌形成的凸多邊形內。在ZMP點，機器人所受的側向力和力矩都為零。
1971年，英國人I ...

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