可调式行走机构设计运动学分析和建模

毕业论文_可调式行走机构设计-运动学分析和建模

第一章绪论

1.1 课题的研究背景和意义

近年来，对双足行走运动的研究成为了力学、机械、控制、机器人学、生物学、心理学等学科的热点问题。与大多数四足或六足的动物相比，人类的双足行走运动可以把上肢解放出来，在运动的过程中完成其他的任务，且可以实现在更复杂、更崎岖的环境中运动；同时，人类的双足运动在稳定性的控制上也具有更高的要求。自20 世纪90 年代以来，对双足行走机器人的研究成为了国内外学者关注的一个热点问题。将基于主动控制的双足运动与基于被动行走的双足运动相结合，对于提高双足机器人的运动效率，实现多种运动步态都有十分重要的意义。

世界上第一台的机器人样机制造于1954年的美国，它基本上体现了现代工业应用的机器人的主要特征，虽然它仅仅是一台试验样机，但是为机器人的进一步发展起到很大的推动和指引作用。随后美国的联合控制公司（ConsolidatedControl Company)于1960年研制出了第一台具有真正意义的工业机器人。两年后美国的机床与铸造公司AMF也生产出了另外一种可以进行编程并实际用于工业操作的工业机器人。

20世纪70年代，机器人技术开始向产业化发展，并逐渐发展成为一门专门的有着自己较系统理论的一门学科—机器人学（Robotics)，这样就进一步扩大了机器人的应用领域，如图1所示为机器人的各种应用实例。

图1 机器人各种应用领域

随后各种坐标系统、各种结构机器人的相继出现以及计算机辅助设计技术的飞跃发展，使得机器人的性能和结构有了很大的进步，同时成本也在不断下降。20世纪80年代，各种不同结构、不同控制方法以及不同用途的工业机器人在工业比较发达的国家已经进入了真正的实用化普及阶段。随着传感器技术和智能.技术的发展，智能机器人的研究范围也逐渐扩大，机器人的视觉、触觉、力觉、听觉、接近觉等方面的研究大大的提高了机器人的自适应能力，促进了机器人的人性化进程。20世纪90年代，机器人伺服驱动系统迅速发展，这一时期，各种装配的机器人产量增长迅速，与机器人配套使用的装置和视觉技术也得到迅猛发展。

21世纪以来，机器人不仅仅局限于杆件结构，人们开始赋予它新的“肌肉”、“血管”，使其能够更好的比照人类进行运动和“生活”。这时期，机器人的形象更加丰富，感官、知觉等也越来越“人性化”。

近几年，机器人特别是双足机器人产业发展突飞猛进，不管是从专业技术水平上，还是从装备的数量上，都具有集中优势。机器人研究强国日本研发的新型的面向人们日常生活和服务行业的“医疗机器人”、“唱歌机器人”、“服务机器人”等正逐渐进入角色，走进人们的生活，如图2和图3所示。2011年全球组织机器人进行全程马拉松大赛，要求两条腿的机器人完成约42.2公里的奔跑，此次比赛就是为了证实机器人的耐久性和灵活性。

图2 “唱歌机器人”和“服务机器人”

图3 “医疗机器人”和“工业机器人”

研究双足行走机器人的目的和意义主要体现在以下 2 个方面：

1) 设计、研制高效、稳定的双足机器人及辅助行走设备，推进工程技术的进步。

从上个世纪开始，各国科学家一直致力于研制具有双足运动能力的仿人机器人。双足机器人可以帮助人们在复杂的环境下作业、为人类服务。目前比较有代表性的是本田公司于2000 年发布的双足机器人ASIMO，高度为120 cm，重量43 kg，可以实现行走、舞蹈、上下楼梯等运动，并可以与人交互，完成推车、导游等任务。将双足运动的机理应用到人工智能假肢中，进行助残和康复方面的研究也是双足运动领域的一个热点问题。

2) 通过对双足运动规律的研究，更好地理解人类双足行走的机理。

人类的双足行走运动是一个非常复杂的过程，需要包括下肢和躯干在内的很多块肌肉的协调配合，来达到稳定的行走。由于人类可以在各种复杂的环境中实现自然、稳定、高效的行走，人类的行走运动为研制双足机器人提供了一个很好的自然界的范本。通过对双足行走机器人以及双足运动建模的研究，可以帮助我们进一步探索、发现人类双足行走的机理。

1.2研究现状

1.2.1国外研究现状

国外的机器人技术发展和起步比国内较早，以欧、美、日的发展最为迅速。法国于2000年开发了一种具有15个自由度的能够适应在未知外界条件下的步行机器人BIP2000，可以实现静止站立、匀速行走、在线爬坡和简单上下楼梯等动作。麻省理工学院2005年设计研制了的机器人Domo，如图4所示，该机器人具有29个自由度，虽然它的部分关节虽然没有利用电动机和控制器，但是却能实现稳定的仿真运动，随后其又提出了一种虚拟模型控制策略（Virtual Model Control-VMC)，并且有效的应用于名为Spring Turkey和Spring Flamingo的两个双足机器人的控制系统中。同时为了能够更加有效的利用机械势能使其腿部能够完成被动的摆动过程，在步态规划的过程中参考了人类行走过程中的部分机构被动特性，将步态周期划分四个阶段分别设计研究，而且在实际的行走试验过程中无明显的停顿现象。此外，美国还推出了可以奔跑和表演体操的平面型双足机器人，最大速度高达4. 3m/s。

图4 机器人Domo

日本本田公司1996年研制出了世界上第一台可以实现无线控制、动态行走、的自主型仿人步行机器人样机P2，速度可达3km/h、并且能上下楼梯、推动物体，高182cm，重210kg,具有30个自由度，随后推出了自适应双足步行机器人P3，该机器人设有传感器，自适应能力较强，可以在障碍地面稳定行走，是一款可以自行上楼梯的仿人形机器人。还有可以自由转向的仿人形机器人ASIMO,具有26个自由度，其身高120cm，体重42kg，行走速度范围是0-1.6km/h，可以

自我预测下一个动作并提前改变重心，可以进行弯腰、上下楼梯、“8”字形行走等各项“复杂”动作，此外还可以与人握手、挥手，甚至可以随着音乐缓缓起舞。

1.2.2国内研究现状

目前，随着机器人技术的完善以及应用的领域的扩大，我国的机器人技术也得到了迅速的发展并逐步形成体系。特别是21世纪以来，机器人技术发展更是突飞猛进，无论是工业还是服务业领域都有了较大的发展。

国防科技大学研究出了拥有12个自由度的空间性双足机器人KDW-3，实现了步长0.2m、周期0.8s的动态行走，并具备转弯功能，该机器人最大可爬行角度为13°的斜坡其后，于2000年又研制出了仿人型机器人“先行者”号，如图5所示，它的控制系统拥有一定的语言功能，实现了机器人技术的重大突破。

图5 仿人型机器人“先行者”号

2000年，上海交通大学智能机器人研究室研制除了共有24个自由度的仿人机器人SFHR，包含腿部的12个自由度、手臂的10个自由度和身上的2个自由度，可以实现步长0. Im，周期3.5s的步行运动。2001年又制造了“交龙”号轮椅机器人，“交龙”号的智能轮椅配备有激光测距雷达和视觉传感器，可以通过引导和实践自动记忆环境地图，具有高精度自定位能力，该轮椅具有灵敏迅捷的躲避障碍和路径规划能力、触摸屏和语音交互功能以及高度的安全性和机动性。

2002年，北京理工大学设计的拥有32个自由度的仿人机器人BHR-1，如图6所示，可实现步长0.33m,速度Ikm/h的动态行走，并能根据自身的传感器和平