机械创新设计课程设计--仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构设计 ppt课件

*腿部设计：
腿部结构是机器人身体里主要的部分，根据仿 生学的知识，人腿部结构大致为：髋关节，和膝 关节，还有踝关节和脚。本文采用曲柄摇杆机构 实现其直线行走和爬楼梯功能的。两组腿交替的 变换使机身能向前运动，他们每组都支撑机体的 重量，并在负重的状态下使机体的前行，所以适 应的刚性和承载能力是非常重要的，所以对承载 能力有着限制。
课题 ：
仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构设 计
设计说明书：
*设计任务 *机械系统运动方案设计的构想 *执行系统机构设计 *机器人创新点 *主要参考资料 *设计心得
设计任务
*设计背景：
国外在二足机器人方面研究已经有100多年历史，成果 较多，但大多都结构复杂，造价昂贵，远远超出人们的经济 承受能力。国内的研究相对较晚，虽然也诞生了很多专利， 但由于收到体积、重量、稳定性级安全问题还没有产品真正 投入实，机构之间连接性 好，制作精度容易保证； 2.机器人稳定性好，四杆机构能循环运动容易现实直 线行走； 3.生产成本低，产品绿色环保。
执行系统机构设计：
*双足机器人步行运动过程分析：
双足机器人的步态规划就是规划机器人的行走步态，水平 地面的基本行走步态有前向步行、侧向步行和转向步行。转向 步行包含了前向步行和侧向步行，是最复杂的步行。图中以左 腿首先作为支撑腿，右腿作为摆动腿为例分解，若右腿首先作 为支撑腿，左腿作为摆动腿只需将图中左右调换即可。
*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。
机械系统运动方案设计的构想：
*具体方案：
双足机器人步行运动过程中，两只脚交替的与地面，发 生间歇性的相互作用，即交替的出现左脚单支撑，双脚支撑 和右脚单支撑的状态，周期性的不断前进。机器人设计过程 中，腿部采用了四杆机构。腿部结构是机器人身体里主要的 部分，根据仿生学的知识，人腿部结构大致为：髋关节，和 膝关节，还有踝关节和脚。本文采用曲柄摇杆机构实现其直 线行走和爬楼梯功能的。两组腿交替的变换使机身能向前运 动，他们每组都支撑机体的重量，并在负重的状态下使机体 的前行。
*髋关节设计：
假定髋关节在步行过程中机器人高度H不 变，髋关节的位置对ZMP（零力矩点）的影响 很大，对机器人能否保持稳定步行起到至关重 要的作用。初次规划的轨迹不一定能使机器人 稳定，所以在髋关节轨迹规划时设几个可调参 数，通过调节参数使机器人保持稳定。如下图 所示，dxs表示摆动脚落地时髋关节到支撑腿 踝关节的距离，dxe表示摆动脚抬起时髋关节 到支撑腿踝关节的距离。
*主要参考资料：
[1] 张瑞红、金德文、张济川等，不同路况下正常步态特征研究[J].清华大学学报（自然科学版），2000,8（40）：77-80
[2]柳天虹，姜树海，仿生六足机器人稳定性分析与仿真［J］，计算机仿真，2013-12第30卷，第12期. [3]张春林编，机械创新设计［M］，机械工业出版社，2007. [4]陈学东 孙翊 贾文川，多足步行机器人运动规划与控制［M］，武汉：华中科技大学出版社，2006. [5]（美）克莱格著，机器人学导论（原书第三版）贲超等译，北京:机械工业出版社，2006. [6]刘广瑞，机器人创新制作［M］；西安，西北工业出版社，2007. [7] 李益民，机械制造工艺设计简明手册［M］，机械工业出版社，2011 [8]（美）丹尼斯˙克拉克，迈克尔˙欧文斯，机器人设计与控制［M］宗光华，张慧慧译，北京，北京科学出版社，2004. [9] 高国富 谢绍荣 罗军，编著，机器人传感器及其应用，北京：化学工业出版社，2005. [10]廖林清编，机械设计方法学［M］，重庆大学出版社，2013 [11]赵东斌、易建强、张文增等，拟人机器人TH-1 手臂运动学[J] 机器人，2002,3(24):502-507 [12]郭跟成、阎保定、陈文清、机器人三维图形仿真系统的设计[J]，洛阳工学院学报，1997,4（18）：53-57 [13]郑嫦娥，仿真机器人国内外研究动态[J]，机床与液压，2006（3），1-6 [14]谢涛、徐剑锋、张永学、强文义，仿真机器人的研究历史、现状及展望[J].机器人，2007,24（4）367-374 [15] Shabana A. A., Dynamics of Multibody Systems, Wiley Interscience, New York, pp.1-90, 1989. [16] Shabana A. A., Dynamics of Multibody Systems, Third edition, Cambridge, New York, pp.1-68, 2005 [17]《双足机器人的设计制作与步态规划》 https:///publication/47492283_shuangzujiqirendeshejizhizuoyubutaiguihuajiqianrushidanzhoucifukongzhiqishizuo [18]《Motion Planning of Biped Robot Climbing Stairs》/~rxzhang/Motion%20Planning%20of%20Biped%20Robot%20Climbing.pdf [19] R．de Boer,J．Kok，and EGroen．UvA Trilearn 2001 Team Description(J)．In Robocup-2001：Robot Soccer World Cup V Springer Verlag，Berlin， 2002．
*腿各部分的设计：
大腿设计图：
脚部设计图： 小腿设计图：
*机器人主要创新点：
仿人足步行机器人爬楼梯行走机构设计 最大的创新点在于运用四杆曲柄摇杆机构。 四杆机构机构简单，稳定性较高，制作简单， 容易实现。 曲柄为主动件且等速转动，作为机器人 的大腿部件，而摇杆为从动件变速往返摆动， 作为小腿部件，脚步设计以增加机器人的稳 定性。通过曲柄摇杆机构的往返运动已实现 机器人的直线行驶以及机器人爬楼梯行走。 曲柄摇杆机构作为仿人足步行机器人的 主要运动部件制作简单，容易实现，成本低 廉，绿色环保。
*四杆机构的设计：
机器人设计过程中，腿部采用了四 杆机构。在前期时参考了不少有关腿部 机构的资料，这个机构的选择很重要， 主要原因如下： （1）执行机构决定了整个系统的复杂度， 机构越复杂，涉及到的工作和配合越多， 制作的精度就不容易保证。 （2）执行机构关系到运动的最终状态， 决定运行的姿态。 （3）执行机构最终保证整个机器人系统 功能的实现。 设计参数如图： 估算机身高度设置为H=400mm,在 正前方运行时，左腿和右腿之间不会发 生相互干涉，为了保证两腿之间有足够 的距离，两髋关节之间的距离为125mm。